羅家店水電站壓力明管的計(jì)算與應(yīng)力分析

孟 瑩，曹春頂，石立恒

(1.佳木斯河道管理處，黑龍江佳木斯154000;2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;3.樺川縣悅來灌區(qū)管理站，黑龍江樺川154300)

1 工程基本概況

羅家店水電站工程位于東寧縣，東寧縣供電系統(tǒng)是區(qū)域性獨(dú)立電網(wǎng)，隨著東寧縣經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，各行各業(yè)用電需求不斷提升，用電高峰期嚴(yán)重缺電，電力電量供需矛盾日益突出，為合理開發(fā)利用綏芬河流域水能資源緩解當(dāng)?shù)毓╇娕c需求的矛盾，羅家店水電站裝機(jī)容量1.5萬kW，多年平均發(fā)電量4 073萬kW·h，發(fā)電年保證率90%。羅家店水電站工程主要由擋水建筑物、泄水建筑物、電站引水系統(tǒng)、電站廠房組成。擋水建筑物為漿砌石重力壩，泄水建筑物為漿砌石溢流壩，壩長104 m;電站引水系統(tǒng)設(shè)在壩址上游660 m山體內(nèi)，進(jìn)水口為岸塔式，壓力管道總長185.8 m。

2 水錘波引起特殊荷載的確定

2.1 水錘波傳播速度的確定

水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及水的彈性模量等有關(guān)。其傳播速度可表示為:

式中:Ew為水的體積彈性模量;γ、r分別表示水的容重、管道半徑;K為管道的抗力系數(shù)。

2.2 水錘形式的確定

水錘的產(chǎn)生形式有直接水錘和間接水錘。間接水錘是指當(dāng)閥門關(guān)閉過程結(jié)束前，水庫異號反射回的降壓波已到達(dá)閥門外，如果Ts≥2L/a，這種水錘稱為間接水錘，可以按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

作用在壓力明管上的特殊荷載按作用力方向可分為徑向荷載、垂直管軸向荷載、平行管軸向荷載。

3 壓力鋼管厚度與強(qiáng)度計(jì)算

壓力管道鋼板襯砌計(jì)算采用《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式及要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 管壁厚度計(jì)算

式中:σR為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值，N/mm2;γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù);γd為結(jié)構(gòu)系數(shù);f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取fs值，N/mm2;ES2為平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2。

3.2 管壁厚度t的計(jì)算

t按下式計(jì)算:

式中:p為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2;r為鋼管內(nèi)半徑，mm;σR為鋼管的抗力限值，N/mm2。

3.3 管壁應(yīng)力計(jì)算

鋼管最大環(huán)向正應(yīng)力按下式計(jì)算:

式中:σθ為鋼管環(huán)向正應(yīng)力，N/mm2;K0為圍巖單位抗力系數(shù)較小值，N/mm3;t為鋼管管壁厚度，mm。

4 采用鍋爐公式復(fù)核管壁厚度

采用鍋爐公式估算管壁厚度時(shí)，只考慮明管僅受內(nèi)水總壓力的作用，即內(nèi)水總壓力與管壁的環(huán)向拉力相平衡，建立平衡方程。考慮焊縫的強(qiáng)度降低，允許應(yīng)力應(yīng)乘以小于1的焊縫系數(shù)φ，當(dāng)為單面焊時(shí)φ取0.9，雙面焊時(shí)φ取0.95。此外，考慮銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度應(yīng)至少比計(jì)算值厚2 mm，即

按上述鍋爐公式復(fù)核壓力明管的厚度時(shí)，當(dāng)明管管壁實(shí)際厚度δ實(shí)≥δ計(jì)時(shí)，則認(rèn)為明管強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述的分析，在進(jìn)行一般鋼管計(jì)算時(shí)對于明管的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法較為可靠，應(yīng)力分布在充分考慮樞紐位置和地質(zhì)條件的情況及工程投資的情況下，還要考慮施工中制造安裝的難度，盡量減少對壓力明管不利的因素。

［1］華東水利設(shè)計(jì)院.水工設(shè)計(jì)手冊(第七卷)［K］.北京:水利電力出版社，1992.

［2］劉啟釗.水電站(第三版)［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［3］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5141－2001水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2002.