馱英水庫壩后河道電站鋼岔管設計

蘇宏寬

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

馱英水庫位于廣西寧明縣那堪鄉垌中村上游約6 km 的珠江流域西江水系明江支流公安河上游河段，壩址下游距那堪鄉28 km，距寧明縣城約115 km，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發電等綜合利用的大（2）型水庫，為廣西左江治旱馱英水庫及灌區工程的龍頭供水水庫，水庫正常蓄水位226.5 m，總庫容2.28 億m3，有效庫容1.512 億m3。壩后河道電站發電引水隧洞包括進水塔、引水主洞兩部分。工程布置從上至下為首部樞紐、引水系統、發電廠、變電站，屬中水頭引水式電站。電站設計引用流量30.25 m3/s，設計水頭60 m，電站總裝機容量2×5700 kW+1×1600 kW，年平均發電量3835萬kW·h。

根據馱英水庫壩后河道電站發電引水隧洞及水電站廠房布置的特點，其鋼岔管布置于洞外，采用非對稱Y型，材料為16 MnR容器鋼。該水電站發電供水方式為1 管3 機斜向供水，另外在1#機組跟2#機組之間設有環境基流管，主管末端總共引接4條支管。主管內徑為2.8 m，1#支管及2#支管內徑為1.8 m，3#支管內徑為1.2 m，4#支管內徑為1.0 m。主管與支管之間通過岔管連接，設1#～3#共3 個卜型鋼岔管。受現場地形條件及廠房結構布置的等因素的制約，1#～2#支管與主管軸線交角為63.06°，3#支管與主管軸線交角為90°，4#支管由主管變徑直接引出，其結構布置如圖1所示。

圖1 壩后河道電站鋼岔管結構布置圖

2 岔管設計

2.1 岔管結構選型

根據結構構造和加工方式的不同，目前國內鋼岔管主要有內加強月牙肋岔管、三梁岔管、球型岔管和貼邊岔管等型式。

（1）月牙肋岔管采用內加強梁，肋梁結構受力較為均勻，可以很好地利用材料強度，一般用于大中型電站，但月牙肋插入較深，在不對稱流態下岔管處水頭損失較大。

（2）三梁岔管是國內普遍使用的成熟管型，水流條件好，加強梁的承載力有一定的安全儲備，焊接工作在管外進行，較適用于中小型岔管。

（3）球型岔管是國外采用較多的管型，結構簡單，適用范圍廣，在國內也逐步推廣，支管可以指向任意方向，受力較為均勻，但水頭損失較大，往往需設置內導流板，制作安裝不便。

（4）貼邊岔管一般來用于小直徑、低水頭、主支管直徑相差大的卜型岔管，但這種岔管受力狀態復雜，當承受的內水壓力較高時，分岔區管殼受到的不平衡內水壓力的傳遞情況和結構應力狀況不明確，目前有缺乏可靠的理論計算方法來確定補強尺寸。

本工程最大凈水頭為60 m，為中水頭電站，岔管段管徑較小（3.2～1.0 m），經過技術經濟多方面比較，結合承包商加工能力及水平，認為三梁岔管技術成熟，水流條件好，制作安裝比較方便，利于節省工期，雖加強梁耗鋼量相對較大，但考慮本工程工期短、施工強度大等特點，三梁岔管優勢較為明顯，故予以采用。

根據馱英水庫壩后河道電站發電系統的布置，總共設置3 個岔管，其中1#岔管最大管徑為3200 mm，2#岔管最大管徑為2400 mm，3#岔管最大管徑為1000 mm，以下僅用1#岔管作為典型進行分析，其結構布置如圖2所示。

圖2 1#岔管結構布置圖

2.2 岔管壁厚計算

2.2.1 抗內壓穩定分析

鋼岔管處鎮墩為素混凝土結構，僅在表面設置抗裂鋼筋，計算過程中不考慮鋼筋混凝土與鋼襯聯合受力，所有內壓由鋼襯獨自承擔，按明鋼岔管設計。根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）中7.3.4章節所列的公式計算鋼管壁厚t。

鋼岔管膜應力區和局部應力區的管壁厚度分別按式（1）和式（2）計算：

式中：K1、K2為計算系數，K1可取1.0～1.1，K2可取1.5～2.0；P為內水壓力；r為鋼管最大半徑；[σ]1、[σ]2為容許應力，取值見《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）表7.2.2；φ為焊縫系數，取值見《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）表6.1.2；α為鋼管的半錐頂角。

經計算，鋼岔管膜應力區基本組合、特殊組合管壁厚度分別為7、8 mm，鋼岔管局部應力區基本組合、特殊組合管壁厚度分別為10、12 mm。按《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）中8.1.1 章節的構造要求，鋼管最小壁厚應不小于8 mm（不含銹蝕余度2 mm）。從鋼管抗內壓分析結果來看，鋼管壁厚取值為14 mm（含2 mm銹蝕余度）。

2.2.2 抗外壓穩定分析

鋼岔管按明管設計，鋼管壁厚初取14 mm，最大外水壓力為0.15 N/mm2，放空負壓為0.1 N/mm2，根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）中6.1.4章節的要求，鋼管抗外壓穩定安全系數不小于2。

（2）設加勁環時，管壁抗外壓穩定分析。加勁環間距一般為管壁厚度的60～240倍，參考類似工程經驗，加勁環高取250 mm，厚度20 mm（同主管）。根據布置，1#鋼岔管加勁環最大間距2400 mm。根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）附錄A，設有加勁環的明管，加勁環間管壁的臨界外壓Pcr可采用米賽斯公式計算，即：

外壓除了考慮放空負壓外，還考慮下游發生校核洪水時的外水壓力，在計算過程中發現在考慮現場施工荷載的條件下除了加設加勁環還要適當增加鋼管壁厚才能滿足鋼管的抗外壓穩定要求，經試算鋼管最終壁厚調整為18 mm（不含2 mm 銹蝕余度）。加設加勁環條件下鋼岔管管壁臨界外壓Pcr為1.20 MPa，抗外壓穩定安全系數為4.02，滿足規范要求。因此，本工程鋼岔管采用的壁厚為20 mm（含2 mm銹蝕余度）。

2.3 加強梁設計

馱英水庫壩后河道電站鋼岔管為三梁岔管，其加強梁為1根U梁，兩根腰梁（腰梁A、腰梁B），U梁設在兩根支管的相貫線位置，腰梁設在主管與支管相貫線位置，U 梁及腰梁在相交位置通過Φ100 mm立柱相連形成加強系統。參考國內其他工程設計經驗，本工程U 梁厚度為60 mm，采用變截面結構，截面高度為450～1200 mm；腰梁厚度為60 mm，采用等截面結構，截面高度450 mm。曲面梁內外邊緣的應力按《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）附錄E中的E2.6-2及E2.6-3進行計算，公式如下：

經計算，鋼岔管腰梁A、腰梁B、U梁最大應力分別為62.8、76.8、101.4 MPa，加強構件容許應力控制值[σ]=0.67σs=0.67×325=217.8 MPa。加強梁的最大應力均小于鋼材的容許應力，因此，加強梁的強度滿足規范要求。

3 結語

在馱英水庫壩后河道電站鋼岔管設計的過程中，充分考慮了鋼岔管的制造安裝等因素，并結合電站布置的特點，選擇了適合于本工程的鋼岔管型式。經結構分析計算，鋼岔管結構選型滿足其安全性和耐久性的要求，同時管殼及加強梁結構也有一定的安全裕度，可以滿足工程運行安全的需要。