玻璃鋼夾砂管道在往子溝水電站引水道中的應(yīng)用

王 剛

(四川省內(nèi)江水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 內(nèi)江 641000)

1 工程簡(jiǎn)述

1.1 工程概況

東義河是水洛河右岸一級(jí)支流，金沙江二級(jí)支流。往子溝為東義河下游右岸支流，位于甘孜州稻城縣俄牙同鄉(xiāng)境內(nèi)，河道全長(zhǎng)26.9 km，流域面積130 km2。

往子溝水電站位于往子溝下游，采用引水式開發(fā)。取水樞紐采用底格欄柵壩取水，無調(diào)節(jié)能力。引水系統(tǒng)布置在往子溝右岸，設(shè)計(jì)引用流量2.86 m3/s。廠區(qū)樞紐為地面式廠房。電站額定水頭307 m，裝機(jī)2×3.7 MW，多年平均年發(fā)電量3 334萬kWh，裝機(jī)年利用小時(shí)4 505 h。工程開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求。

電站已于2010年8月開始動(dòng)工建設(shè)。

1.2 引水道布置

往子溝電站采用右岸有壓引水，引水道為隧洞。隧洞自沉沙池取水后進(jìn)洞，沿往子溝右岸山體傍山布置，至電站廠區(qū)樞紐后山體出洞后接調(diào)壓塔，全長(zhǎng)3 496 m。

1.3 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于稻城縣與木里縣交界處的高山峽谷區(qū)，廠址距稻城縣城191km，有鄉(xiāng)村公路相通，交通條件較好。

往子溝流域位于“川滇菱形”斷塊內(nèi)部，屬松潘—甘孜地槽褶皺系的次一級(jí)構(gòu)造單元玉樹—義敦優(yōu)地槽褶皺帶。處于由甘孜—理塘斷裂帶、理塘德巫斷裂帶、金沙江斷裂帶、麗江斷裂帶和鹽源弧形斷裂帶所圍限的斷塊內(nèi)，構(gòu)造格架以南北向和北西向?yàn)橹鳌９こ虆^(qū)位于浪都北西向構(gòu)造帶內(nèi)，地震基本烈度為Ⅶ度。

引水道通過巖層主要為三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組和圖姆溝組板巖偶夾鈣質(zhì)粉砂巖，板巖偶夾灰?guī)r，板巖夾砂巖，火山角礫巖與灰黑色板巖和灰色灰?guī)r不等厚互層，圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，其中Ⅲ類圍巖段長(zhǎng)2 835 m，約占81.1%；Ⅳ類圍巖段長(zhǎng)555 m，約占15.9%；Ⅴ類圍巖段長(zhǎng)106 m，約占3.0%。

2 引水道襯砌方案

2.1 襯砌方案確定

本電站設(shè)計(jì)引水流量2.86 m3/s，隧洞橫斷面尺寸按施工斷面控制。由于引水道水頭不高，洞身采用便于施工的圓拱直墻形斷面。隧洞開挖斷面底寬2.4 m，直墻高1.4 m，拱高1.2 m，總高2.6 m。目前隧洞已貫通。

對(duì)于引水道的襯砌，設(shè)計(jì)最初考慮了隧洞常規(guī)襯砌方案。Ⅲ類圍巖段隧洞邊墻及拱圈采用掛鋼筋網(wǎng)噴0.12 m厚的C20砼襯護(hù)，底板采用0.2 m厚的C20現(xiàn)澆砼襯砌，襯砌后隧洞底寬2.16 m，直墻高1.2 m，拱半徑1.08 m，總高2.28 m；Ⅳ、Ⅴ類圍巖段隧洞全斷面采用0.3 m厚的C25鋼筋砼襯砌，襯砌后隧洞底寬1.8 m，直墻高1.1 m，拱半徑0.9 m，總高2.0 m。

由于建設(shè)征地及移民等諸多方面的原因，可研階段選擇的砼粗、細(xì)骨料場(chǎng)無法開采為本工程所用；加之質(zhì)量及場(chǎng)地等方面的因素，隧洞洞渣料也無法加工為人工骨料，砼粗、細(xì)骨料只能外購(gòu)。由于當(dāng)?shù)貋喨窎|義段建設(shè)對(duì)砼粗、細(xì)骨料的需求量大，導(dǎo)致價(jià)格上漲，供應(yīng)不足，購(gòu)買及運(yùn)輸成本顯著增加。

為加快施工進(jìn)度，降低工程投資，減少施工干擾，提出了引水道隧洞不再進(jìn)行永久襯砌，采用在隧洞內(nèi)敷設(shè)玻璃鋼夾砂管道引水的方案。

2.2 玻璃鋼夾砂管道設(shè)計(jì)

2.2.1 管徑選擇

本水電站裝機(jī)2×3.7 MW，選用2臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組，額定水頭307 m，額定流量1.43 m3/s，額定轉(zhuǎn)速600 r/min。目前機(jī)組已生產(chǎn)完成。

玻璃鋼夾砂管道管徑的選擇應(yīng)使其水頭損失與原隧洞水頭損失基本一致，以符合機(jī)型要求。由于隧洞凈空斷面尺寸僅為2.4×2.6 m(寬×高)，為保證隧洞內(nèi)管道安裝及運(yùn)輸?shù)囊螅x擇玻璃鋼夾砂管道管徑為1.4 m。玻璃鋼夾砂管糙率為0.0084，考慮到彎道及接頭的影響，設(shè)計(jì)糙率取0.009。根據(jù)計(jì)算，玻璃鋼夾砂管道水頭損失為3.96 m，較隧洞原襯砌方案水頭 損 失 增 加2.17 m，滿足機(jī)型要求。

2.2.2 壓力選擇

玻璃鋼夾砂管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓按管道正常運(yùn)行時(shí)承受的內(nèi)水壓力確定，為留有一定的富余，設(shè)計(jì)內(nèi)壓值取0.4 MPa。為滿足管道抗外壓穩(wěn)定要求，管道剛度等級(jí)取為5 000 N/m2。

2.2.3 管道布置

玻璃鋼夾砂管道沿隧洞右側(cè)敷設(shè)，管道中心線距地面0.8 m，管底設(shè)0.3 m厚的砂卵石墊層。單根玻璃鋼夾砂管道長(zhǎng)6.0 m，每3.0 m設(shè)一道鍍鋅扁鐵抱箍。隧洞左側(cè)留有0.9 m寬的交通通道。

2.2.4 隧洞支護(hù)

隧洞開挖斷面底寬2.4 m，直墻高1.4 m，拱半徑1.2 m，總高2.6 m。Ⅴ類圍巖段及局部Ⅳ類圍巖段隧洞已采用鋼支撐及掛鋼筋網(wǎng)噴砼進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)；Ⅳ類圍巖段及局部Ⅲ類圍巖段隧洞已采用掛鋼筋網(wǎng)噴砼或噴素砼進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

Ⅲ、Ⅳ類圍巖段隧洞不再進(jìn)行整體襯砌，對(duì)于局部破碎、易垮塌洞段設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，同時(shí)采用掛鋼筋網(wǎng)噴0.1 m厚細(xì)石砼封閉。Ⅴ類圍巖段隧洞采用0.2 m厚現(xiàn)澆C20砼襯砌，隧洞拱頂120°范圍內(nèi)須進(jìn)行回填灌漿處理。Ⅴ類圍巖段及不同巖層接觸帶、圍巖破碎段進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3 玻璃鋼夾砂管道優(yōu)越性

玻璃鋼即玻璃纖維增強(qiáng)塑料，一般是指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂為基體，以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料。玻璃鋼夾砂管是以樹脂為基體材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，石英砂為填充材料而制成的新型復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)上分內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層及外保護(hù)層三部分，由計(jì)算機(jī)控制以連續(xù)纏繞和離心澆鑄兩種方法成型, 具有一系列優(yōu)良的特性。

3.1 強(qiáng)度高

玻璃鋼夾砂管是以樹脂為基體材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，石英砂為填充材料而制成的新型復(fù)合材料。管道軸向拉伸強(qiáng)度可達(dá)300 MPa，近似合金鋼，其比強(qiáng)度(強(qiáng)度與容重之比)大約是鋼管的3倍，球墨鑄鐵管的10倍，混凝土管的25倍。

3.2 光潔度好，糙率低

玻璃鋼夾砂管內(nèi)壁直接與模具接觸，表面非常光滑，無毛刺，糙率≤0.0084，遠(yuǎn)小于鋼管。玻璃鋼夾砂管水力流體特性好，在輸水過程中與其它的管材相比可以大大減少壓頭損失。

3.3 耐腐蝕性強(qiáng)

玻璃鋼夾砂管選用耐腐蝕極強(qiáng)的樹脂，擁有極佳的機(jī)械性質(zhì)與加工特性，能夠抵大部分酸、堿、鹽、未處理的污水、地下水及眾多化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。

3.4 耐磨性強(qiáng)

玻璃鋼夾砂管的耐磨性能是非常好的。根據(jù)資料，把含有大量泥漿、沙石的水裝入不同管材的管道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨損影響對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)30萬轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)后檢測(cè)管內(nèi)壁的磨損深度，發(fā)現(xiàn)用焦油和瓷油涂層的鋼管為0.53 mm；用表面硬化處理的鋼管為0.48 mm；玻璃鋼夾砂管為0.21 mm，由此可見玻璃鋼夾砂管相當(dāng)耐磨。

3.5 耐熱、耐寒性能好

玻璃鋼夾砂管可在-20℃～100 ℃長(zhǎng)期使用而不變形，在-30 ℃狀態(tài)下，仍具有良好的韌性和極高的強(qiáng)度，采用特殊配方的樹脂還可110 ℃時(shí)使用。

3.6 抗震性能好

玻璃鋼夾砂管本身具有自振頻率低、阻尼特性好、彈性模量低等特點(diǎn)，再配以柔性接頭，能低御外界重壓和基礎(chǔ)沉降所引起的破壞，在地震或其他振動(dòng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，其抗破壞性能明顯優(yōu)于其它傳統(tǒng)管材。

3.7 自重輕，運(yùn)輸、安裝方便

采用纖維纏繞生產(chǎn)的玻璃鋼夾砂管，其相對(duì)密度為1.65～2.0，只有鋼管的1/4，混凝土的1/5，運(yùn)輸、安裝十分方便。玻璃鋼夾砂管采用承插式的連接方式，接頭處采用雙O型橡膠圈，適應(yīng)熱脹冷縮。

3.8 使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低

玻璃鋼夾砂管使用壽命長(zhǎng)，根據(jù)資料，一般給、排水玻璃鋼夾砂管道的壽命可達(dá)50年以上，是鋼管和混凝土管的2倍。由于玻璃鋼夾砂管自身具有很好的耐腐蝕性，不需要進(jìn)行專門的防銹、防污、絕緣、保溫等處理措施，可節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié) 語

玻璃鋼夾砂管道自上世紀(jì)40年代問世以來，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快。我國(guó)于上世紀(jì)80年代引進(jìn)了玻璃鋼夾砂管道的生產(chǎn)技術(shù)，目前，玻璃鋼夾砂管道已在石油、化工、市政供水等工程中被推廣應(yīng)用, 尤其是在市政給排水領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，近年來在中小型水電站中也開始逐步使用。從玻璃鋼夾砂管道在往子溝水電站壓力引水道中的應(yīng)用看到，玻璃鋼夾砂管道能適應(yīng)三州地區(qū)氣候環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜等外部環(huán)境，能顯著加快施工進(jìn)度，降低工程造價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟玉生。玻璃鋼夾砂管在小型水電站工程的研究與應(yīng)用。水利水電技術(shù)，2010年第2期。

[2] 左向利。玻璃鋼夾砂管道的技術(shù)特點(diǎn)及水力學(xué)性能分析。科技信息，2013年21期。