复杂地形条件下小口径超长压力管道镇墩受力性能研究.pdf
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1、第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期:2023-01-28 作者简介:伍求凌(1983-),男,中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,高级工程师。通讯作者:龚顺风(1975-),男,浙江大学建筑工程学院,工学博士,教授。复杂地形条件下小口径超长压力管道镇墩受力性能研究 伍求凌1,徐 剑1,文瑞丰1,程 鹏2,龚顺风2(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江大学 土木工程学系,浙江 杭州 310058)摘 要:镇墩是设置在管道水平
2、转角处防止管线位移的水工建筑物,其稳定性关系到管路系统的安全运行。文中以白鹤滩水电站枢纽工程邓家坡段输水管道的镇墩 A0+297.61 为例,利用有限元软件分别进行了管道和镇墩建模分析,计算了该镇墩在多种工况下的稳定性。结果表明:在各工况下,钢管应力水平符合设计要求,镇墩的抗滑稳定、抗倾覆稳定以及地基应力均满足规范设计要求,有限元分析能够为管线设计铺设提供理论支持。关键词:压力管道;镇墩;有限元分析;受力性能 中图分类号:U445 文献标识码:A 文章编号:1006-7973(2023)04-0119-03 白鹤滩水电站枢纽工程建设区及水库淹没影响区涉及四川省凉山州宁南、会东两县,其中会东县规
3、划安置移民总人数 21,042 人,规划了 6 个安置区供水工程。由于管道轴线转折处经常受到水压力、水流离心力及温度变化等因素的影响,极易出现变形、拉裂等不良现象1。镇墩作为供水压力管道的支撑结构,对维持管道安全运行具有重要作用。雷蕾1基于镇墩稳定性计算的结构荷载原理,编写了镇墩稳定计算程序。刘倩等2分析了镇墩计算公式及镇墩体形优化设计。郑蔓丽3进行了镇墩优化设计探讨,论述了镇墩混凝土开裂和地基深部滑动。郭明道4对输水埋管水平转弯处的镇墩抗滑稳定性进行了分析。张鹏等5基于工程项目,探讨了镇墩计算理论与方法,详细分析了管道发生水锤作用时镇墩的受力情况。周理想等6建立了凸榫镇墩和常规镇墩的计算模型
4、,对比研究发现凸榫镇墩的抗滑安全系数。蒋爱辞等7对供水工程中水平弯管镇墩结构进行了优化设计。文中选取了白鹤滩水电站枢纽工程邓家坡段输水管道中的一节管道,对受力不利的镇墩 A0+297.61 进行研究,利用有限元软件 ANSYS 进行简化建模分析,计算了压力管道在正常运行和水压试验两种工况下的受力情况,并采用规范公式和 ABAQUS 有限元模型对镇墩的抗滑稳定、抗倾覆稳定和地基应力进行了验算,为管线的铺设提供理论依据。一、镇墩稳定计算 1抗滑稳定计算 cc()ifyGKKx+=(1)式中:Kc抗滑稳定安全系数;Kc允许抗滑稳定安全系数;f镇墩底面与地基间的摩擦系数;yi作用在镇墩上的垂直合力;x
5、作用在镇墩上水平合力;G镇墩自重。2抗倾覆稳定计算 0000()iyyGKKxx+=(2)式中:K0抗倾覆稳定安全系数;K0允许抗倾覆稳定安全系数;y0作用在镇墩垂直合力点距倾覆原点的距离;x0作用在镇墩水平合力点距倾覆原点的距离。3地基应力计算 maxmin6(1)iyGeRLBL+=(3)式中:max、min分别为基底最大、最小应力;R为地基允许承载力;L为镇墩底面顺水流方向的长度;B为镇墩底面宽度;e为垂直合力的偏心距。二、工程案例 1工程概况 会东县地理环境复杂多样,海拔高度在 6403,331.8 m之间。管道沿线坡度在 1540之间。管线主要采用架空布置形式,架空高度一般为 0.6
6、1.5 m。采用重力流压力钢管引水,设计流量 0.023m3/s,加大流量为 0.0299m3/s。管道管径均为 200mm,壁厚 6mm,底部设支墩,最大间距为 8m,引水管道平面转弯及纵向转折点中心角大于 10的转弯处和平直段每隔 100m 设 C25 混凝土镇墩。管道镇墩之间布置波纹补偿器,波纹补偿器设于每段高程最高的支墩处,设有补偿器的两支墩间距减小为 1.6m。镇墩 A0+297.61 为竖向弯管镇墩,竖向转角为10.49,上游管道长 88.37m,下游管道长 21.39m。镇墩高度为 2.05 m,底面边长分别为 1.75m 和 1m,详细尺寸如图 2 所示。在 ANSYS 软件中
7、,取该镇墩上下两段管道进行建模分析,管道采用 pipe 单元,波纹补偿器采用弹簧单元代替,简化模型如图 1 所示。120 中 国 水 运 第 23 卷 图 1 管道有限元分析模型 图 2 镇墩纵剖面图(单位:mm)2荷载计算 依据规范水利水电工程压力钢管设计规范(SL/T 281-2020)8,分别计算明钢管在正常运行和水压试验两种工况下的受力情况。水压试验工况荷载包括水压试验内水压力,钢管和满水自重以及弯头处的水压力。管线最大工作压力为 1.52 MPa,水压试验为 2.02 MPa。温度变化所引起的力是支座对钢管的摩擦力,分温升和温降,可按下式计算:()cosTFqL f=(4)式中:FT
8、为温度变化引起的摩擦力;q 是单位管长的钢管自重和水重之和;L 为支墩间距;f 为支座对管壁的摩擦系数,经常涂油的滑动支座可取为 0.3;为管道的轴线倾角。管道弯头处的水压力包括弯管上的内水压力和弯管中水的离心力分力,分别按下式计算:24PdFP=(5)224VwdvFg=(6)式中:Fp弯管上的内水压力;d 钢管内径;P 内水压力,按 P=Hw计算,H 作用水头;Fv 弯管中水的离心力分力;v钢管满负荷时水的流速;g 重力加速度;w水的重度。镇支墩不均匀沉降引起的力在此暂不考虑。3计算结果 给模型施加内压荷载、重力荷载、支座摩擦力以及弯管处作用力后,计算出两种工况下管道和镇墩受力如下。(1)
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