超高水頭電站壓力管道計算分析及方案選定

王興云

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

南極洛河水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉，是南極洛河與巴東河合并開發的水電站。電站最大設計靜水頭1087m，設計引用流量9.6m3/s，裝機容量86MW(43MW×2)，設計年發電量3.911億kW·h。工程于2012年8月開工，2015年12月兩臺機組均投入試運行。目前已安全運行兩年半。

電站壓力管道采用洞內埋管布置方式。管道直徑為1.6～1.2m(高程2253.5m以上直徑1.6m，高程2253.5m以下為直徑1.5～1.2m漸變)，直徑1.2m主管內流速為7.16m/s。從調壓井豎井中心線算至岔點水平投影全長1508.49m，樁號G0+000～G1+508.49，管道實際長度1989.41m。調壓井后G0+000～G0+012段為12m長為鋼筋砼襯砌漸變段。漸變段末端以后為洞內埋鋼管，樁號G0+012～G1+508.49。壓力管道由8段平洞和7段斜井組成，斜井與水平面夾角45°～50°。7個斜井采用開挖斷面為直徑3.0～2.8m的圓形斷面，8個平洞采用3.0m×3.0城門洞型，鋼管安裝后鋼管與隧洞間用C20砼回填，平洞段洞頂120°范圍內進行回填灌漿。

2 專題研究目的

電站地下埋管具有鋼管直徑小、作用水頭超高的特點。專題研究的主要目的在于：根據規范進行強度設計，確定地下埋管各管段的管壁厚度；根據規范對埋藏式壓力鋼管抗外壓穩定性進行分析，提出鋼管加勁環斷面尺寸和間距以及提高抗外壓穩定性的其它措施；為地下埋管的設計提供計算依據和合理化建議，進而選定最終方案。

3 壓力鋼管計算分析

3.1 基礎資料

3.1.1 壓力管道布置

壓力管道縱剖面如圖1—2所示。

3.1.2 鋼材

鋼材為Q345R和610MPa級高強鋼兩種。鋼材的抗力限值見表1。

表1 主管鋼材的抗力限值(允許應力)表

3.1.3 圍巖工程地質

壓力管道通過的地層以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，考慮到爆破等因素影響，建議參數：Ⅲ類圍巖f=3，k0=25MPa/cm。

3.1.4 內水壓力、外水壓力

設計內水壓力由兩臺機組同時甩全負荷工況控制。壓力鋼管末端水擊壓力按最大靜水壓力的15%考慮，假定水擊壓力沿管軸線按直線分布。

根據管線布置和原地下水位線初步擬定引水鋼管外水壓力值。

3.1.5 初始縫隙

根據規范計算或初步假定施工縫隙Δ0、鋼管冷縮縫隙ΔS和圍巖冷縮縫隙ΔR，再將三者相加即可得到鋼管內半徑為800、750、700、650、600mm時地下埋管鋼襯、混凝土、巖石之間的總縫隙值分別為0.59、0.57、0.56、0.54、0.52mm。

3.2 計算方法

3.2.1 強度設計

鋼管承受內壓設計是在已知內水壓力、初始縫隙、鋼管半徑、圍巖彈性抗力系數和鋼材允許應力的情況下，確定鋼襯所需要的厚度t，計算公式為：

(1)

根據式(1)所確定的鋼襯厚度t還必須滿足管壁最小厚度的要求，即

(2)

根據內壓所確定的管壁厚度實際上是式(1)、(2)中的大值。

在地下埋管設計時，如果要考慮鋼襯與圍巖聯合承載，必須保證巖層覆蓋厚度滿足以下兩個條件：

Hr≥6r5

(3)

p2≤γrHrcosα

(4)

式中，Hr—巖層覆蓋厚度，m；γr—圍巖容重；α—斜井軸線與水平面的夾角；r5—開挖半徑；p2—相應于縫隙值最小(本計算取δs2為0)和圍巖單位抗力系數取上限值K01時圍巖分擔的最大內壓力值。

如果覆蓋厚度滿足式(3)要求，而不滿足式(4)要求，則令=γrHrcosα，按下式確定管壁厚度t：

(5)

如果鋼管覆蓋厚度不滿足(3)式的要求，則不計巖石抗力，用明管抗力限值(Q345R鋼材為188MPa)計算管壁厚度，計算公式如下。

(6)

按式(1)確定管壁厚度，實質上就是考慮了鋼管與圍巖聯合承載，它要求在鋼管安裝完畢后，進行細致的回填灌漿、接縫灌漿以及固結灌漿。由于固結灌漿工作量大，工期長，而且需要在鋼管上開孔，影響鋼管質量。尤其對于管徑小、水頭高的鋼管，有時為加快施工進度、避免管壁上開孔而取消固結灌漿，按單獨承擔全部內水壓力進行設計，即在式(1)中令K0=0，但采用埋管的抗力限值。在此條件下，雖然鋼材用量有所增加，但由于節省了固結灌漿的費用和工期，有時仍然是經濟的。

圖1 壓力管道縱剖面圖1/2

圖2 壓力管道縱剖面圖2/2

3.2.2 抗外壓穩定

根據內壓確定的管壁厚度按光面管計算臨界外壓，計算公式如下：

(7)

如光面管不滿足要求，再假定加勁環的間距和截面尺寸，分別計算加勁環間管壁的臨界外壓和加勁環本身的臨界外壓。加勁環本身的臨界外壓采用如下公式計算：

(8)

式中，σs—鋼材屈服強度，應根據DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》中表6.1.4-1fsk取值。對于Q345R鋼材，當鋼板厚度為16～36mm時，fsk取325MPa；對于610MPa級高強鋼，fsk取410MPa；AR—加勁環有效截面積(包括管壁等效翼緣)；r—鋼管內半徑；L—加勁環間距，由設計外水壓力確定。

在進行光面管的穩定計算時，取抗外壓穩定安全系數為2.0；而在進行加勁環間管壁和加勁環本身的穩定計算時，取抗外壓穩定安全系數為1.8。

3.3 計算成果及分析

3.3.1 強度計算結果

壓力管道各斷面按照聯合承載和單獨承載強度計算結果見表2。表2中僅選取每個平洞末端斷面。

3.3.2 設計成果分析

3.3.2.1 鋼管與圍巖聯合承載設計

(1)1#～7#斷面采用管壁最小結構厚度8mm，就可以滿足承受內壓的要求。

表2 壓力管道強度設計成果

(2)所有斷面鋼管上覆蓋巖層厚度均能滿足式(3)的要求，但許多斷面不滿足式(4)的要求，仍可以按埋管聯合承載進行設計。鋼管埋深越大，圍巖承擔的內水壓力也越大。在27#斷面之前采用Q345R鋼材，管壁厚度可以控制在32mm以內；在27#斷面之后采用610MPa級高強鋼，管壁厚度可以控制在24mm以內。

(3)經計算，地下埋管3#～10#斷面按強度設計確定的鋼管壁厚大多不能滿足抗外壓穩定要求；為此，應適當增加管壁厚度或設置加勁環以滿足管壁抗外壓穩定要求。

3.3.2.2 鋼管單獨承載設計

(1)1#～5#斷面采用管壁最小結構厚度8mm，就可以滿足承受內壓的要求。

(2)在27#斷面之前采用Q345R鋼材，管壁厚度可以控制在34mm以內；在27#斷面之后采用610MPa級高強鋼鋼材，管壁厚度可以控制在28mm以內。

(3)地下埋管4#、5#斷面按強度設計確定的鋼管壁厚，不能滿足抗外壓穩定的要求。

4 方案選定

由專題分析計算成果可以得出如下結論，并應用于設計方案選定。

(1)若按鋼管和圍巖聯合承載設計，Q345R鋼管段管壁厚度可控制在32mm以內，鋼管T/D小于2.13%，高強鋼管段管壁厚度可控制在24mm以內，鋼管T/D小于2.0%，滿足高強鋼T/D<2.08%的要求。若按鋼管單獨承載進行設計，Q345R鋼管段管壁厚度可以控制在34mm以內，鋼管T/D小于2.27%；高強鋼管段管壁厚度可以控制在28mm以內，鋼管T/D小于2.33%，略高于高強鋼T/D<2.08%的要求。

(2)按鋼管單獨承載進行設計所需要的鋼管厚度大于聯合承載設計，一般在2～4mm以內，鋼材消耗較大，但有利于鋼管加工、簡化灌漿工藝、加快施工進度和縮短工期。

(3)即便光面管可滿足抗外壓穩定要求，但根據規范要求，轉彎處仍然需要設加勁環，其他直管段每隔10～20m也要求設一個加勁環，或根據吊運要求設置。

(4)建議在鋼管外壁設置排水管等措施，以降低外水壓力。

(5)根據專題研究成果，設計單位考慮到超高水頭地下埋管不宜開孔接觸灌漿，最終選擇按鋼管單獨承載(鋼管許用應力按地下埋管)進行設計。設計方案有利于鋼管加工、簡化灌漿措施、加快施工進度和縮短工期。目前電站已安全運行兩年半，實踐表明是成功的。

5 結語

對高水頭電站，是按聯合承載還是鋼管單獨承載設計，應視鋼管水頭、圍巖特性、工期影響、成本效益等多方面因素進行綜合比選。本工程為國內超高水頭電站的典型代表，對同類工程具有較好的參考借鑒意義。