劉漢東，王甲亮，于懷昌

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

抽水蓄能電站誕生于19世紀(jì)末期,最初用來(lái)配合常規(guī)水電站運(yùn)行,之后逐漸過渡到調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等[1]。我國(guó)的抽水蓄能電站發(fā)展較晚,自20世紀(jì)60年代才逐漸興起?！笆濉币?guī)劃[2]明確指出“科學(xué)有序開發(fā)大型水電,嚴(yán)格控制中小水電,加快建設(shè)抽水蓄能電站”。“十四五”規(guī)劃[3]強(qiáng)調(diào)“加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用”。抽水蓄能為綠色、低碳、清潔、靈活的調(diào)節(jié)電源,目前我國(guó)已投產(chǎn)的抽水蓄能電站總規(guī)模3 249萬(wàn)kW,在建抽水蓄能電站總規(guī)模5 513萬(wàn)kW。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化,努力實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”目標(biāo),我國(guó)抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃布局重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目340個(gè),總裝機(jī)容量約4.21億kW[4]。

作為抽水蓄能電站輸水建筑物的重要組成部分,埋藏式壓力管道多采用在開挖的隧洞中安裝鋼襯的形式,通過在鋼襯與圍巖之間填充混凝土來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼襯與圍巖的共同受力,以達(dá)到減小鋼襯厚度降低造價(jià)的目的。水電站運(yùn)行過程中鋼襯承受較大的內(nèi)水壓力,不存在失穩(wěn)的危險(xiǎn),但當(dāng)鋼管放空時(shí),鋼管在外壓作用下可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于埋藏式壓力管道的穩(wěn)定性,已有眾多學(xué)者通過試驗(yàn)[5-8]、理論推導(dǎo)[9-12]、數(shù)值模擬[13-17]等方式進(jìn)行了研究。本文結(jié)合典型的埋藏式壓力管道外壓失穩(wěn)案例，歸納概括了管道失穩(wěn)的原因，介紹了埋藏式壓力管道穩(wěn)定性計(jì)算方法，總結(jié)、提出了防止埋藏式壓力管道失穩(wěn)的有效措施,以期為工程實(shí)踐提供有益參考。

1 埋藏式壓力管道外壓失穩(wěn)因素

現(xiàn)有的埋藏式壓力管道的設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，內(nèi)壓通常不會(huì)引起鋼襯的失穩(wěn)破壞,但在施工過程或管道放空時(shí)，鋼襯承受灌漿壓力、外水壓力和內(nèi)水外滲壓力等的作用,可能會(huì)導(dǎo)致鋼襯失穩(wěn)。國(guó)內(nèi)多座水電站曾發(fā)生壓力管道鋼襯失穩(wěn)的情況,表1列出了部分較為典型的埋藏式壓力管道因外壓作用而失穩(wěn)的案例。

表1 埋藏式壓力管道外壓失穩(wěn)典型案例

1.1 外壓過大

從近幾十年水電站的運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,外水壓力過大是在運(yùn)營(yíng)電站發(fā)生鋼襯外壓失穩(wěn)的首要危險(xiǎn)因素。國(guó)內(nèi)外多座水電站壓力管道發(fā)生的鋼襯失穩(wěn)皆由此引起,如響水電站地下埋管、泉水電站高壓平洞、日本大橋電站埋管、美國(guó)Bath County電站埋管等。

壓力管道的灌漿過程也易發(fā)生鋼襯失穩(wěn)現(xiàn)象。綠水河電站1號(hào)斜井壓力管道在注漿的過程中發(fā)生鋼管鼓包爆裂,后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)190 m的鋼襯發(fā)生失穩(wěn)破壞,4條環(huán)向焊縫被拉裂,其事故原因是注漿速度過快加之地下水的稀釋,產(chǎn)生了高達(dá)23 m的未凝固泥漿柱,導(dǎo)致管外壓力達(dá)到0.2 MPa,而鋼管的設(shè)計(jì)臨界外壓為0.05 MPa,導(dǎo)致了鋼管的失穩(wěn)[22]。

1.2 設(shè)計(jì)不合理

埋藏式壓力管道外水壓力的確定存在一定的困難,由于水庫(kù)蓄水和管道漏水的作用,施工前后的地下水位可能存在較大變化。確定地下水位的原則也存在著一定的分歧,保守的觀點(diǎn)認(rèn)為外水壓力等于覆蓋層厚度,理由是當(dāng)管道內(nèi)滲水時(shí),極端情況為水積累至地表高度并流走,采用這一方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的有法國(guó)Roselend電站和加拿大Kemano電站;另一觀點(diǎn)認(rèn)為,電站建成后壓力管道外的水位等于施工前的地下水位,由于電站布置了排水設(shè)施,在不考慮上游滲水的情況下,這種假設(shè)也可認(rèn)為電站是安全的,并可酌情增加5%～10%的外水壓力，以防止管道內(nèi)水外滲情況的發(fā)生[26],國(guó)內(nèi)大多數(shù)電站均采用這一方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

埋藏式壓力管道常采用光面管和加勁管兩種形式的管道。光面管的臨界外壓強(qiáng)度較低，當(dāng)增大光面管管壁厚度仍無(wú)法滿足工程需要時(shí),可增加構(gòu)造設(shè)置(加勁環(huán)、加勁肋、錨環(huán)等)以提高抗外壓穩(wěn)定性,但增加此類構(gòu)造設(shè)置會(huì)給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)難度,因此需要注意設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性和施工質(zhì)量。泉水電站的壓力管道設(shè)計(jì)了加勁環(huán),但加勁環(huán)的間距偏大,施工過程中施工單位認(rèn)為洞徑過小難以施工,直接取消了加勁環(huán),導(dǎo)致鋼管鼓包斷裂長(zhǎng)度達(dá)204 m。

1.3 材料性能不足

鋼材性能對(duì)壓力管道抗外壓穩(wěn)定性的影響很大,所選鋼材應(yīng)滿足使用工況下的抗拉性能、屈服性能、延性和沖擊韌性要求。響水電站和花木橋電站發(fā)生的鋼襯失穩(wěn)事故均與鋼管的選材不當(dāng)有關(guān),泉水電站和以禮河電站等受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件,部分管道采用了A3F鋼材[27],這一型號(hào)的鋼材后來(lái)被認(rèn)為普遍存在一定的性能缺陷,給工程留下了安全隱患。

1.4 施工不當(dāng)

施工過程中漏裝或不裝加勁環(huán)、灌漿不密實(shí)、鋼管圓度偏差過大均會(huì)引起鋼管抗外壓臨界強(qiáng)度的降低,進(jìn)而導(dǎo)致鋼管失穩(wěn)。綠水河電站1號(hào)斜井在施工過程中被發(fā)現(xiàn)鋼管圓度偏差過大,后在灌漿過程中發(fā)生鋼管失穩(wěn)。綠水河電站3號(hào)平洞發(fā)生的鋼管失穩(wěn)事故與灌漿后鋼管周圍巖層局部存在軟弱層有關(guān)[28]。

1.5 運(yùn)營(yíng)不當(dāng)

抽水蓄能電站獨(dú)特的工作性質(zhì)決定了壓力管道在運(yùn)營(yíng)中可能頻繁承受沖擊荷載,由于鋼材是一種彈塑性材料,屈服后韌性衰減,使得結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性增大。響水電站的壓力管道發(fā)生失穩(wěn)的原因之一便是機(jī)組頻繁甩負(fù)荷。

埋藏式壓力管道屬于隱蔽工程,檢測(cè)養(yǎng)護(hù)難度大,由于承受較大的內(nèi)力作用,運(yùn)營(yíng)中應(yīng)重視壓力管道的檢測(cè)養(yǎng)護(hù)工作。泉水電站在運(yùn)營(yíng)中被發(fā)現(xiàn)鋼管存在鼓包現(xiàn)象,但未采取有效措施進(jìn)行處理,后出現(xiàn)了鋼襯的大面積失穩(wěn)。

2 埋藏式壓力管道失穩(wěn)計(jì)算理論

采用光面管形式的埋藏式壓力管道,其失穩(wěn)分析理論按照假設(shè)的鋼襯屈曲形式可概括為軸對(duì)稱失穩(wěn)、雙波失穩(wěn)、圓拱失穩(wěn)和單波失穩(wěn)等[29-31]。光面管的抗外壓能力較差,在需要考慮外壓穩(wěn)定性的情況下應(yīng)避免采用此種形式。

在光面管外焊接加勁環(huán)具有良好的經(jīng)濟(jì)性且可顯著提高壓力管道的抗外壓臨界強(qiáng)度。這是由于當(dāng)管道失穩(wěn)時(shí),加勁環(huán)可將失穩(wěn)范圍限制在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)。設(shè)置有加勁環(huán)的壓力管道的穩(wěn)定性包含兩個(gè)方面,一是加勁環(huán)間管殼的穩(wěn)定性,二是加勁環(huán)自身的穩(wěn)定性。對(duì)于這兩點(diǎn)問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了較為深入的研究。

2.1 管殼的穩(wěn)定性

2.1.1 Mises公式

Mises公式在推導(dǎo)時(shí)假設(shè)加勁環(huán)為施加在管道上的固定約束,按短圓柱殼體對(duì)管壁的臨界壓力進(jìn)行推導(dǎo)。其計(jì)算公式為:

(1)

式中:Pcr為管殼的臨界強(qiáng)度,MPa;t為管壁厚度,mm;n為臨界屈曲波數(shù);L為加勁環(huán)間距,mm;r為鋼管內(nèi)半徑,mm;E為鋼材的彈性模量,MPa;v為鋼材的泊松比。

雖然Mises公式的推導(dǎo)是建立在明管基礎(chǔ)上的,但設(shè)置加勁環(huán)的壓力管道在失穩(wěn)時(shí)具有較多的屈曲波數(shù),考慮到管道與外部混凝土之間具有一定的初始縫隙。因此，規(guī)范[32]推薦Mises公式也適用于埋藏式壓力管道的臨界外壓計(jì)算。

需要注意的是,Mises公式在推導(dǎo)的過程中沒有考慮外部混凝土對(duì)管道的限制作用和鋼管不圓度的影響,這同實(shí)際情況存在一定的偏差。目前，對(duì)加勁環(huán)間管殼臨界壓力進(jìn)行研究的理論不多,但經(jīng)過大量的實(shí)踐驗(yàn)證,Mises公式仍被認(rèn)為是鋼管臨界壓力計(jì)算的首選公式,如日本和美國(guó)墾務(wù)局的鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范中也都采用了此公式。

2.1.2 賴華金-范崇仁公式

賴華金和范崇仁在考慮鋼管初始缺陷和外部混凝土對(duì)加勁環(huán)限位作用的前提下,對(duì)鋼管的力學(xué)模型進(jìn)行了合理假設(shè),推導(dǎo)出了賴華金-范崇仁公式[33],并通過模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。賴華金-范崇仁公式力學(xué)模型的選取較Mises公式更為合理,但遺憾的是該公式?jīng)]有被推廣,缺乏工程實(shí)踐的驗(yàn)證。此外，也有學(xué)者[34]指出該公式的計(jì)算結(jié)果與Mises公式的存在較大偏差,這可能是其未被廣泛采納的原因之一。

2.2 加勁環(huán)的穩(wěn)定性

2.2.1 Amstutz法

AMSTUTZ E[35]提出可按光面管計(jì)算含加勁環(huán)管道的壓力,但需要將光面管臨界壓力公式中的截面特性值進(jìn)行一定的調(diào)整:截面慣性矩J和中性軸的距離e應(yīng)按加勁環(huán)與30倍鋼管厚度構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)計(jì)算，截面積F取加勁環(huán)間全部管壁和加勁環(huán)斷面面積之和。Amstutz法的計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式中:σN為加勁環(huán)失穩(wěn)時(shí)的環(huán)向應(yīng)力,MPa;σV為灌漿時(shí)管壁的環(huán)向應(yīng)力,MPa;σF為鋼材的屈服強(qiáng)度,MPa;J為加勁環(huán)有效截面(包含30t等效翼緣)的慣性矩,mm4;F為加勁環(huán)及單節(jié)管壁的截面積,mm2;e為加勁環(huán)外沿與中性軸的距離,mm;Pcr為加勁環(huán)的臨界強(qiáng)度,MPa。

2.2.2 Jacobsen法

(4)

(5)

(6)

由于Jacobsen法取消了Amstutz法中的部分簡(jiǎn)化,因此其適用范圍較Amstutz法更為廣泛,如美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)的壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)范[39]也采用了Jacobsen法。

2.2.3 Svoiskyf法

Amstutz法和Jacobsen法均假定加勁環(huán)失穩(wěn)時(shí)管壁和加勁環(huán)中的環(huán)向應(yīng)力是均勻分布的,Svoiskyf法[40]則認(rèn)為等效翼緣外的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)由Mariott公式推導(dǎo)出。Svoiskyf法的計(jì)算公式為:

(7)

εtanα=tan(εα)。

式中:Fk為加勁環(huán)的有效截面積，mm2;lef為等效翼緣寬充，mm;rk為加勁環(huán)截面中性軸半徑，mm;σS為鋼材的屈服應(yīng)力，MPa;f*為鋼襯失穩(wěn)的特征參數(shù);f為失穩(wěn)屈曲的初始撓度,mm;σN、p*、Φ、Pcr通過迭代解出。

Svoiskyf法由于假定等效翼緣以外的外壓力不會(huì)傳導(dǎo)至加勁環(huán),而是由同區(qū)域的鋼管承擔(dān),導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果較Amstutz法和Jacobsen法的分別高約13%～24%和19%[41]。

2.2.4 我國(guó)規(guī)范中的方法

以上方法在計(jì)算中可能需要多次迭代才能確定臨界外壓或加勁環(huán)的尺寸,為了工程設(shè)計(jì)的便利,我國(guó)水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(NB/T 35056—2015)[42]和美國(guó)墾務(wù)局鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范中均采用強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。其計(jì)算公式為：

(8)

其中，

式中:h為加勁環(huán)高度,mm;a為加勁環(huán)厚度,mm。

按強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)僅需控制加勁環(huán)應(yīng)力不超過材料的屈服應(yīng)力,因此，采用該式進(jìn)行計(jì)算往往會(huì)獲得加勁環(huán)臨界外壓的保守估計(jì)[43]。同時(shí),該方法未考慮縫隙的影響,顯然與構(gòu)件的實(shí)際受力情況不符,實(shí)際工程中的縫隙值通常為(3.5～5.5)×10-4R(R為管道內(nèi)徑),此時(shí)由Amstutz法和Jacobsen法得到的臨界壓力分別較規(guī)范[42]中方法的高13%和25%左右[44]。

2.3 數(shù)值方法

主流解析方法的力學(xué)模型存在較大差異,但各模型的假設(shè)條件均有一定的合理性。目前國(guó)內(nèi)外多采用解析法對(duì)含有加勁環(huán)的壓力管道進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，但對(duì)于復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)(叉管等),解析方法無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確分析,采用有限元等數(shù)值分析方法對(duì)壓力管道進(jìn)行計(jì)算具有廣闊的前景。如：劉東常等[45-46]提出了有限條元法,該方法結(jié)合了解析法和有限元法的特點(diǎn),使其在單元離散的合理性與計(jì)算結(jié)果的精確性上具有一定的優(yōu)勢(shì)；董文勝等[47]在有限條元法的基礎(chǔ)上結(jié)合遺傳神經(jīng)算法對(duì)含加勁環(huán)的壓力鋼管的臨界壓力進(jìn)行了求解,進(jìn)一步提高了計(jì)算效率。

3 埋藏式壓力管道失穩(wěn)防治措施

壓力管道出現(xiàn)鋼襯失穩(wěn)狀況會(huì)影響抽水蓄能電站的正常工作,并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。從近幾十年來(lái)壓力管道鋼襯發(fā)生失穩(wěn)的案例來(lái)看,通過設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)中的針對(duì)性措施,鋼襯失穩(wěn)的現(xiàn)象是可以避免的。以下措施已經(jīng)在工程中得到實(shí)踐,并取得了良好的效果:

1)設(shè)置平行于壓力管道的排水通道降低外水壓力,類似的形式包括排水廊道、鋼管排水孔、排水支洞等。也有學(xué)者指出，地下水中的碳酸鈣等成分會(huì)隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)在排水通道內(nèi)積聚,應(yīng)注意防止排水通道可能出現(xiàn)的堵塞問題[48]。

2)采用增大鋼管壁厚、設(shè)置加勁環(huán)或縱向加勁肋條等措施，提高鋼襯自身的抗外壓臨界強(qiáng)度。其中,焊接加勁環(huán)是提高鋼襯抗外壓臨界強(qiáng)度最直接有效的方式,盡管其可能引起施工的不便,但考慮到其對(duì)防止鋼襯失穩(wěn)具有顯著作用,仍將其作為防止鋼襯外壓失穩(wěn)的首選措施。

3)減小鋼襯、混凝土和圍巖間的初始縫隙。初始縫隙的寬度對(duì)鋼襯抗外壓穩(wěn)定性具有顯著影響[49],工程中常將初始縫隙的寬度限制在5×10-4R以內(nèi)。采用Amstutz公式進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)鋼管半徑與鋼管厚度之比為200,初始縫隙寬度為5×10-4R時(shí)的鋼襯抗外壓臨界強(qiáng)度相較于無(wú)縫隙的情況降低約25%。通常采用接觸灌漿消除初始縫隙,但需對(duì)灌漿密實(shí)度進(jìn)行嚴(yán)格控制,目前已有工程[50]采用具有微膨脹性和高流動(dòng)性的高性能灌漿混凝土材料進(jìn)行灌漿,取得了良好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

1)引起壓力管道鋼襯外壓失穩(wěn)的原因主要包括外壓過大,設(shè)計(jì)不合理,材料性能不足,施工不當(dāng),運(yùn)營(yíng)不當(dāng)。

2)防止壓力管道鋼襯外壓失穩(wěn)是一個(gè)需要綜合考慮勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的全周期系統(tǒng)工程?？辈臁⒃O(shè)計(jì)中需關(guān)注施工前后滲流場(chǎng)的演化,合理確定設(shè)計(jì)外水壓力,并加強(qiáng)鋼管外側(cè)的排水能力；施工中需保證工程的建設(shè)質(zhì)量；運(yùn)營(yíng)中應(yīng)科學(xué)規(guī)范操作,重視日常檢測(cè)養(yǎng)護(hù)工作,防止頻繁甩負(fù)荷。

3)埋藏式壓力管道的管壁計(jì)算推薦采用Mises公式。對(duì)于加勁環(huán)的計(jì)算,我國(guó)水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(NB/T 35056—2015)中給出的公式便于計(jì)算,但可能得到過于保守的結(jié)果,依此進(jìn)行設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)加勁環(huán)過密的情況。Jacobsen法是對(duì)Amstutz法的有益改進(jìn),消除了Amstutz法中部分概念模糊的問題,同時(shí)擴(kuò)大了適用范圍。

4)進(jìn)一步深入研究圍巖-混凝土-鋼襯聯(lián)合承載體的作用機(jī)理,獲得更為準(zhǔn)確的圍巖-混凝土承載分擔(dān)率,在保證安全運(yùn)營(yíng)的前提下,降低鋼襯的設(shè)計(jì)厚度,節(jié)省工程投資。