Key Technologies of the Hydraulic Structures of the Three Gorges Project

To date,the Three Gorges Project is the largest hydro junction in the world.It is the key project for the integrated water resource management and development of the Changjiang River.The technology of the project,with its huge scale and comprehensive benefits,is extremely complicated,and the design difficulty is greater than that of any other hydro project in the world.A series of new design theories and methods have been proposed and applied in the design and research process.Many key technological problems regarding hydraulic structures have been overcome,such as a gravity dam with multi-layer large discharge orifices,a hydropower station of giant generating units,and a giant continual multi-step ship lock with a high water head.

有限单元法和弹性中心法在坝后背管结构设计中的应用比较

结合三峡水电站工程实际,采用有限元软件ABAQUS对坝后背管结构进行了平面非线性有限元计算,并将结果与模型试验、结构力学弹性中心法成果比较,研究了结构力学弹性中心法在坝后背管设计中的适用性。研究结果表明,有限元方法能更好地反映管道结构裂缝开展、钢衬和钢筋应力分布规律,而结构力学弹性中心法计算得到的外圈钢筋应力偏大,不仅难适用于全背式背管,对浅槽式背管的计算误差更大。浅槽式背管由于两侧坝体混凝土对管道的约束作用,不仅可提高初裂荷载,减小裂缝处钢衬和钢筋应力和裂缝宽度,而且与全背式背管相比对管道抗震更有利。

坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构优化布置

本文从管道截面形状、钢材用量和钢筋布置、钢衬外包混凝土厚度,管道与坝体相对位置及接缝处理四个方面,论述坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构设计的优化方法和原则。结合某水电站工程的实际,从优选的角度对该工程坝下游面钢衬钢筋混凝土管道的布置进行对比分析,表明从减小管线长度、节省工程投资的角度出发,建议采用半埋,外包1.5m厚混凝土的结构布置形式。

坝后背管外包混凝土厚度研究

采用平面非线性有限元法对某水电站下游面钢衬钢筋混凝土压力管道进行了分析,计算中考虑混凝土开裂和地震作用的影响。研究了5种外包混凝土厚度0.5、0.8、1.2、1.5和2.0m的坝后背管在内水压力和地震作用下的承载规律,分析了外包混凝土厚度对管道的动、静力承载性能的影响。结果表明,设计内水压力作用下,外包混凝土厚度较小时,管坝接缝面附近的局部坝体开裂,并使管道钢材应力提高,但其材料强度和变形仍能满足规范要求。地震作用分析表明,外包混凝土越厚,坝后背管结构的基频值越高;但厚度越大,管道钢材动应力值也越大,说明采用较小的外包混凝土厚度有利于减小钢材的动应力。因此,在满足施工要求和安全的前提下,建议在坝后背管设计中采用厚度较薄的外包混凝土。

坝后背管弹性中心法与有限元方法对比分析

结合某水电站坝后背管,采用结构力学弹性中心法和有限元法分析了内水压力作用下钢衬和环向钢筋的应力及管道径向裂缝,对其计算结果进行对比分析,说明两方法的实用性和有效性。

钢衬钢筋混凝土坝后背管管坝接缝面安全评价

总结了钢衬钢筋混凝土坝后背管管坝接缝面的构造方式,分析了接缝面的破坏机理,指出地震作用组合工况下接缝面主要有沿缝面的剪切破坏模式和垂直缝面的受拉破坏模式。针对这两种破坏模式,建立了基于接缝面应力状态的极限状态设计表达式,用于对接缝面做结构设计和安全评价。算例分析表明,高烈度地震作用使接缝面呈现较大的拉剪应力状态,采用台阶形键槽并配置适量锚筋可使接缝面满足安全要求,管道与坝体能可靠地联合承载。

三峡水利枢纽泄洪调度运行水力学试验研究

三峡水利枢纽泄洪运行具有水头高、洪水流量大、泄洪设施多等特点。如何对泄洪设施进行合理调度运用,确保枢纽建筑物及下游设施安全,是三峡工程枢纽运行重要研究课题。通过水工模型研究了三峡枢纽泄洪调度方案,提出了对深孔、表孔泄洪调度优化方案,即各孔按均匀、间隔、对称的原则开启闸门。试验结果表明:泄洪坝段下游主流流速分布更趋均匀;防冲墙边冲刷大有改善,冲刷最低高程高于该处30 m建基面高程。优化方案达到了预期的目的。

龙开口电站钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析

龙开口水电站采取钢衬钢筋混凝土坝后背管的结构形式。应用非线性有限元理论,分析得到了该坝后背管结构的承载规律,研究了钢衬和外包钢筋混凝土的应力、位移分布规律,以及钢衬的承载比例。分析结果表明,随着内水压力增加,钢管承载比例系数经历了减小、增加、再减小的过程;在设计水头作用下,坝后背管结构安全系数满足设计要求。钢衬钢筋混凝土坝后背管是一种经济、安全、合理的结构形式,应用前景广阔。

鸭池河水电站坝后背管三维有限元分析

对鸭池河水电站引水系统坝后背管进行了三维有限元分析,得出了背管在死水位、正常蓄水位、校核洪水位及温变作用等工况下产生的应力及位移,为该钢管设计及施工提供了依据.根据分析计算结果,提出了取消伸缩节的建议,可大量节省投资成本.

坝体变位和内水压力对坝后背管结构应力的影响

用三维接触单元模拟背管与坝体接触面,分析坝体变形和内水压力对李家峡坝后背管结构应力的影响。坝体变位对背管结构轴向应力的影响表现为上部为拉应力下部为压应力,并且拉应力由背管的上弯段向下弯段逐渐减小,部分轴向拉应力值大于混凝土设计抗拉强度;背管内水压力对背管结构环向应力的影响表现为环向拉应力,并且管腰外缘和管顶内缘混凝土环向拉应力是混凝土设计抗拉强度的2-4倍。根据应力的大小分布可以确定,坝体变形是背管产生较大轴向拉应力的主要因素,是产生环向拉应力的次要因素;内水压力是使背管产生较大环向拉应力的主要因素,是产生轴向拉应力的次要因素。

设置软垫层坝后背管接触非线性有限元分析

以三峡水电站坝后背管为例,借助有限元软件ANSYS建立了坝后背管设置软垫层与内衬钢管面摩擦接触有限元模型,考虑接触非线性和混凝土开裂非线性,分析计算了设软垫层坝后背管、钢筋的受力性态及混凝土的开裂情况,结果表明:垫层能有效减小钢管向外围混凝土传递的内水压力,提高钢管的承载比,改善外围混凝土的应力状态。对设置软垫层的提出了优化建议。

考虑混凝土软化和分期施工的坝后背管非线性分析

考虑混凝土开裂后的软化特性和坝体分期施工,采用三维钢筋混凝土非线性有限元法,研究钢衬钢筋混凝土坝后背管在静力作用下的承载性能规律。研究表明:考虑混凝土开裂后的软化特性将减小背管混凝土开裂区的范围,同时也将减小钢材应力,且背管斜直段长度越短,软化作用的有利影响越显著;考虑分期施工增大了背管混凝土的开裂区,提高了钢筋应力,坝基岩体强度参数越低,钢材应力提高值越大。

重力坝坝后背管高烈度地震反应研究

考虑管道外包混凝土在设计荷载下开裂的影响,采用振型分解反应谱法,研究了重力坝坝后背管在9度地震作用下的自振特性和承载性能规律。研究表明:管道外包混凝土开裂对结构的自振特性影响较小,而对管道钢材应力和管腰截面应力影响较大;高烈度地震作用使背管上弯段至斜直段顶部出现双向裂缝,不利于钢衬与外包混凝土联合承载,同时管坝接缝面和管腰截面呈现较大的拉剪应力状态,不利于管道和坝体的联合承载;坝段间、岸坡坝段与岩体间有可靠的相互约束作用时,横河向地震作用对整体结构的承载性能影响很小。

设置软垫层坝后背管结构非线性分析探讨

坝下游面钢衬钢筋混凝土管道是近30年来应用最广的压力管道形式之一,其工作机理是允许外包混凝土开裂,但要限制裂缝宽度。以三峡水电站坝后背管为例,借助有限元软件ANSYS建立了设置软垫层坝后背管有限元模型,计算分析了设置软垫层坝后背管结构应力状态,并与结构模型试验对比。结果表明:坝后背管设置垫层能有效减小钢管向外围混凝土传递的内水压力,降低混凝土拉应力峰值,改善外围混凝土结构的应力状态,提高钢管的承载比。随着垫层弹模的降低、厚度的增大,这种效应更加明显。对设置软垫层的范围提出了优化建议。

预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析

以龙开口水电站为例,提出了预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构的设计方案,并采用非线性有限元理论对背管结构进行了极限承载力分析。研究了坝后背管结构的应力分布规律,并将预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管与普通钢衬钢筋混凝土坝后背管进行对比分析。研究成果表明:预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构具有节省投资、避免开裂、耐久性好等优点,是一种值得广泛应用和推广的压力管道结构形式。

坝后背管承载性能研究进展

以理论分析法、模型试验与原型观测法、有限单元法为线索总结了近年来坝后背管承载性能的研究成果。重点评析了管道外包混凝土开裂前后应力状态的计算方法、外包混凝土裂缝宽度的计算方法、提高管道耐久性的措施、有限单元法在坝后背管中的应用。提出了需要进一步深入研究的问题,包括合理的钢材配置计算方法、钢衬外包混凝土裂缝控制研究、非线性承载性能和破坏机理研究、动力承载性能研究、温度控制和温度应力分析、新型材料和新型结构型式研究等。

坝后背管外包混凝土裂缝宽度计算公式探讨

根据坝后背管的结构型式、受力特点及裂缝开展特征,在一些合理的假定基础上,提出了坝后背管外包混凝土的平均裂缝间距和裂缝宽度计算公式。与实测数据比较表明,提出的平均裂缝间距计算公式比一些基于梁板构件试验所得出的裂缝间距公式更为精确合理。该计算方法物理概念明确,力学模型清楚,简便实用,可供坝后背管工程实际应用参考。

坝后背管结构力学弹性中心法的应用

简要介绍了坝后背管结构力学弹性中心法,并利用结构力学弹性中心法对国内外已建坝后背管工程和地面外包混凝土钢管工程进行结构分析和配筋优化。分析发现,坝后背管外包混凝土的外圈钢筋应力大于内圈钢筋应力和钢管应力,外包混凝土厚度设计基本合理,但在钢筋布置上值得进一步优化。结构力学弹性中心法计算结果可靠,方法简便。

预应力坝后背管结构设计与有限元分析

针对普通坝后背管在裂缝控制和耐久性等方面的弱点,提出预应力坝后背管这种新的结构形式。它是在普通背管中施加预压应力,使结构处于弹性工作状态下,其外包混凝土在正常荷载组合作用下不出现裂缝,或虽然超载后产生裂缝,但正常情况下裂缝仍处于闭合状态,因此结构的整体性和耐久性大大提高了。结合某水电站坝后背管的具体资料,从环形后张预应力作用机理出发,在普通坝后背管基础上对预应力背管进行结构设计和有限元分析校核。结果表明,预应力坝后背管结构是安全、耐久和经济的。

金安桥水电站坝下游面管道结构与抗震分析研究

混凝土坝下游面钢衬钢筋混凝土管道既是一种新型的布置方式,又是一种新型的结构形式。结合金安桥水电站工程实际,对高地震区混凝土坝下游面钢衬钢筋混凝土管道的结构特性进行了研究,提出了相应的工程措施。研究结果表明,在高地震区采用此种形式的混凝土管道结构上是可行的,只要措施得当,可以确保工程安全。