冶勒水電站壓力管道設計

茍芳蓉,黃 煌,陳子海

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

冶勒水庫是南椏河梯級開發的龍頭水庫。電站正常蓄水位 2650.00m,機組安裝高程 2005.20m,水庫總庫容 2.98億 m3,裝機容量 2×120MW。主要水工建筑物包括:瀝青混凝土心墻堆石壩、泄洪洞、放空洞、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地下廠房等。電站設計水頭 644.8m,引用流量 52.66m3/s。

2 壓力管道布置

2.1 壓力管道管線布置

壓力管道置于廠房后坡,為地下埋藏式,采用由一條主管分為兩條支管向機組供水的方式,總長 1768.64m,其中主管長 1706.56m,內徑3.4m。設有上、中 (1)、中 (2)、下四個平段;斜(1)、斜(2)、斜(3)三個斜井段;在主管末端帶一個分岔角為 60°的月牙內加強肋 Y形岔管,支管正向進廠。主管方位角為 N88°27′12.2″W,支管方位角為 N 68°E。上平段與斜(1)井段由轉角為60°、半徑為 11.2m的立面彎管連接 ,中 (1)、中(2)、下平段分別與斜(2)、斜(3)斜井段由轉角為59°8′26.26″、半徑為 11.2m的立面彎管連接 。主管上平段軸線縱坡 i=0,其余平段軸線縱坡 i=0.015,支管軸線縱坡 i=0.052。支管內徑為2.2m。主、支管均采用鋼管襯護并回填微膨脹混凝土。壓力管道縱剖面詳見圖1。

2.2 壓力管道地質條件

圖1 壓力管道縱剖面

壓力管道置于廠房后坡雄厚的山體內,圍巖由致密堅硬的石英閃長巖組成,局部有輝綠巖脈和石英巖脈穿插。壓力管道上覆圍巖厚度一般達 150～250m,巖體呈微風化狀態,壓力管道沿線次及小斷層以近 SN～NE向、中陡傾角 50°～85°為主,巖體具鑲嵌狀結構,完整程度中等偏好,圍巖以Ⅲ類為主,有一定的自穩能力,地下水較豐富。

3 壓力管道設計

3.1 壓力管道水力計算

壓力管道主管最大流速為 5.80m3/s,支管最大流速為 6.93m3/s。鋼板襯砌段糙率采用 0.011、0.012和 0.013,另計入漸變段、蝶閥、球閥、岔管及彎管等局部水頭損失,求得壓力管道在不同設計糙率值情況下的總水頭損失(見表1)。

表1 壓力管道水頭損失

3.2 壓力管道內水錘計算

壓力管道設計內壓按調壓室最高涌浪及壓力管道水錘升壓計算確定。其最大水錘內壓為水庫水位2650.00m、兩臺機滿負荷運行、丟棄全負荷時的工況,經計算水錘升壓系數為 0.06,壓力升高值 ΔH=38.688m,鋼管末端壓力升高的采用值,不應小于正常蓄水位鋼管靜水壓力的 10%,取 ΔH=65m。壓力鋼管末端最高水頭 Hs=709.8m,相應水位2715.0m,而調壓室最高涌浪水位為 2654.443m,故壓力管道設計內水壓按水錘升壓控制。

經計算水錘降壓系數 η=0.07143,壓力降低值 ΔH=42.487m,壓力管道末端最小壓力為552.313m。

3.3 壓力管道結構設計

3.3.1 壓力鋼管管壁厚度結構設計

3.3.1.1 鋼管結構構件的抗力限值σR

按DL5141-2001《水電站壓力鋼管設計規范》,埋管獨立承擔內水壓力設計,即

式中 Ψ——設計狀況系數;

γ0——結構重要性系數;

γd—— 結構系數;

σR——鋼結構構件的抗力限值,N/mm2;

f—— 強度標準值,N/mm2。

經計算,按埋管設計的主管段采用鋼材 16MnR的強度設計值 f取 300N/mm2,則抗力限值σR為230.77N/mm2;按埋管設計的主管段采用鋼材WDB620的強度設計值 f取 410N/mm2,則抗力限值σR為315.38N/mm2。按明管設計的支管段采用鋼材WDB620的強度設計值f取 410N/mm2,計算得抗力限值σR為 256.25N/mm2。

3.3.1.2 鋼板厚度 t的確定

式中 P0——設計內水壓力,N/mm2;

ri—— 鋼管內半徑,mm;

t—— 鋼板厚度,mm;

c——鋼板銹蝕厚度,mm。

鋼材:16MnR,板厚 10～34mm;WDB 620,板厚22～38mm。

3.3.2 鋼管承受外壓的彈性穩定設計

壓力管道地下水從弱風化線開始計,并考慮0.6的折減系數,根據壓力管道鋼襯管壁厚度及外水壓力大小,在鋼管外壁每間隔 1.4～1.6m設置了一個高 20cm加勁環,在每條支管末端每間隔 0.8m設置三個高 20cm止推環,加勁環、止推環板厚與管壁鋼板相同。

3.3.2.1 加勁環間管壁的抗外壓穩定

其臨界抗外壓穩定 Pcr按米賽斯公式計算:

式中 Pcr——加勁管的臨界外壓,N/mm2;

n——相應于最小臨界壓力波數;

l——加勁環間距,mm;

E——鋼材的彈性模量,N/mm2;

μ——鋼材泊松比;

r——鋼管內半徑,mm。

3.3.2.2 加勁環的抗外壓穩定

其臨界抗外壓 Pcr采用下式計算:

式中 σs——鋼材的屈服極限,N/mm2;

FR——加勁環有效截面面積,mm2;

r——鋼管內半徑,mm。

計算結果均滿足 K=1.8的安全系數要求。

4 灌漿設計

壓力管道鋼襯外側回填微膨脹混凝土,在首端設置 3排深 8m的帷幕(固結)灌漿。

壓力管道在平段設置回填灌漿和接觸灌漿。在鋼管主管段布孔,排距 1.6m,每排 3孔,分布于頂拱和底拱。當頂拱為 1孔時,底拱則為 2孔;反之亦然。頂拱為回填灌漿孔,底拱為接觸灌漿孔。頂拱回填灌漿分兩序進行,灌漿壓力 0.3MPa。底拱接觸灌漿只作一序,灌漿壓力 0.2MPa。壓力管道接觸灌漿完成不小于 7天后進行脫空檢查,在脫空面積大于 0.5m2的位置,增設接觸灌漿(包括平段和斜段)。

5 結束語

冶勒水電站壓力管水頭為目前國內高水頭之一,電站已經正式發電,整個壓力管道運行良好。筆者認為,在巖石條件一般及地下水較豐富的情況下,壓力管道采用鋼板襯砌是合適的,對整個電站的運行安全起到了保證作用。