長寨水電站壓力鋼管設計

楊學宏

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

長寨水電站位于貴州省六枝特區(qū)中寨鄉(xiāng)長寨辦事處的月亮河下游河段，電站裝機15 MW，多年平均發(fā)電量6 118萬kW·h。水電站樞紐工程由混凝土重力壩和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，電站為無壓引水式發(fā)電工程。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》和《防洪標準》的規(guī)定，工程等別為Ⅳ等，規(guī)模為?。ㄒ唬┬凸こ?，主要建筑物按4級設計，次要建筑物按5級設計。正常蓄水位955 m，調(diào)節(jié)庫容13.3萬m3。

2 工程總布置

工程包括大壩、導流排沙洞、引水發(fā)電洞、壓力前池、壓力鋼管及電站廠房。

大壩為埋石混凝土重力壩，由擋水壩段、溢流壩段組成，樞紐左岸自上而下布置有發(fā)電引水隧洞、導流排沙洞。重力壩壩高32.5 m，長97.4 m，其中溢流壩段長50 m，其余為擋水壩段。壩頂高程962.6 m，壩頂寬度4.0 m。大壩為自由溢流，堰頂高程955.0 m，設3 m×14 m溢流表孔，最大泄量1 373 m3/s。溢流堰閘墩以上設4.8 m寬的交通橋，橋面高程962.7 m。

導流排沙洞布置于左壩肩，位于發(fā)電引水隧洞下游，總長124.54 m，為塔式進水口，由引渠段、閘室段、隧洞段和出口擴散段組成，進口底高程943.50 m。

引水發(fā)電洞由引水隧洞、壓力前池及壓力鋼管組成。隧洞進口布置于導流排沙洞上游，總長3.839 km，由進口閘室、無壓隧洞及出口組成，其中進水閘室長7.4 m，無壓引水隧洞長3.832 km。

壓力前池總長23.5 m，由漸變段、前室及進水室組成，進水室底高程944.0 m。

壓力鋼管主管長556 m，內(nèi)徑1.8 m，管坡1∶1.3～1∶3.2；三條支管分別長 10 m，10 m，18 m，內(nèi)徑 0.8 m。

電站主廠房長54 m，寬15 m，總高15.7 m，由主機間和安裝間組成，安裝間地面高程755.1 m，發(fā)電機層地面高程749.3 m。副廠房布于主廠房后右側(cè)，寬6 m，呈折線布置。主變壓器及變電站均布置于廠房后右側(cè)的開挖平臺上，地面高程均為755.1 m。

3 管坡工程地質(zhì)

壓力管道由前池順小梁山脊左側(cè)坡至電站，水電站地處貴州高原中西部，屬剝蝕溶蝕中低山地貌，區(qū)內(nèi)溝谷深切，山崖陡峻，巖溶發(fā)育，地勢北西高、南東低，主要出露二疊系、三疊系地層和第四系洪沖積物和殘坡積物。壓力管道樁號0+000～0+390段，管基為強風化P2β玄武巖，地表局部堆積有殘坡積碎石混合土層。1～7號鎮(zhèn)墩位于該段，建議鎮(zhèn)墩基礎設置在5 m以下的風化基巖上。樁號0+390～0+535段，地表巖性為第四系殘坡積碎石混合土，其下為P2l灰黑色砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖及中厚層砂巖和石灰?guī)r。樁號0+445～0+535段管底處于地下水位以下，該段管基位于弱風化基巖中，8～11號鎮(zhèn)墩位于該段，主要存在開挖邊坡穩(wěn)定性及施工排水問題。

4 壓力鋼管設計

4.1 壓力管道布置

電站共布3臺機組，總裝機15 MW，鋼管供水方式為一管三機，設計流量9.03 m3/s。管材采用16 Mn，主管內(nèi)徑1.8 m，壁厚分別為14 mm和18 mm兩種規(guī)格，支、岔管內(nèi)徑0.7 m，壁厚14 mm。

壓力前池到水電站廠房高程差約190 m，山梁坡度 18°～37°，平均 24°，適合布置明管。明管管路自然邊坡布置，平面上布置為直線，縱斷面上設置8個轉(zhuǎn)折，分別由鎮(zhèn)墩連接。前池進口處壓力管道中心線高程944.9 m，水電站廠房進口高程748.10 m，鋼管全長556 m，沿線按地形地質(zhì)條件分為9段，傾角（從上至下） 依次為 28.99°，17.55°，28.71°，38.15°，23.11°，35.44°，0°，28.67°，0°。管道全線設伸縮節(jié) 9 個，一般位于鎮(zhèn)墩下游側(cè)，沿管線設3個φ600人孔。管線均處于地下水位之上，出露地層主要為P2β玄武巖及砂質(zhì)頁巖。

管坡開挖寬度由支墩寬度確定。根據(jù)管坡地形特點，在管坡右側(cè)設排水溝寬0.4 m，深0.3 m，排水溝內(nèi)側(cè)設1.2 m寬人行道，管坡總寬度為4.72 m。管槽底部距鋼管底部 0.8 m，管槽基巖 1∶0.75，覆蓋層 1∶1.0。

4.2 管徑確定

電站設計引用流量9.03 m3/s，水頭202.5 m，管線較長，故管徑對工程造價有較大影響。根據(jù)水頭損失，結(jié)合水機要求和工程造價等綜合因素分析，確定主引水管管徑為1.8 m，相應的管內(nèi)流速為3.55 m/s，在規(guī)定的經(jīng)濟流速范圍內(nèi)。

4.3 鋼管壁厚

管壁厚度按管壁承受內(nèi)水壓力的箍拉力公式計算，鋼管采用16 Mn，管壁厚度及其分段見表1。

表1 壓力鋼管鋼種及管壁厚度統(tǒng)計表

4.4 水力計算

壓力鋼管水力計算包括水頭損失和水錘壓力計算兩部分。水頭損失包括從壓力前池進水室至水輪機球閥的局部損失和沿程損失。

4.5 鎮(zhèn)墩和支墩

鎮(zhèn)墩為重力式結(jié)構，按構造要求初步確定尺寸，再校核沿底面滑動的穩(wěn)定性，并計算基礎應力分布。為防止開裂，鎮(zhèn)墩內(nèi)層（管壁外側(cè)）和外層適當配筋。鎮(zhèn)墩內(nèi)鋼管設止推環(huán)，并配置錨筋。為保證基礎穩(wěn)定可靠，鎮(zhèn)墩底部均置于原位巖層上。

主管鎮(zhèn)墩共設8個，間距41.78～122 m，平面最大尺寸7.2 m×5.6 m，岔管及支管鎮(zhèn)墩分別為3個。支墩采用鞍型，滾動支座，間距10 m，平面尺寸1.10 m×2.62 m，共設42個。

鋼管首部鎮(zhèn)墩為壓力前池壓力墻，按鎮(zhèn)墩進行計算；尾部鎮(zhèn)墩與電站廠房連接，其穩(wěn)定性和基礎應力以廠房計算控制。

鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用抗剪公式計算，摩擦系數(shù)0.5，計算工況按溫升、溫降兩種工況控制，計算成果見表2，表中數(shù)值為兩種工況條件下的控制工況計算值。

表2 鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算成果

規(guī)范允許的鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5，由表中數(shù)據(jù)可知，鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定性全部滿足規(guī)范要求；壓力墻、1—7號鎮(zhèn)墩基礎為P2β玄武巖，地基承載力0.8 MPa；8—11號基巖為砂質(zhì)頁巖，地基承載力0.5 MPa，基地應力滿足地基承載力要求。

5 結(jié)語

壓力鋼管作為引水式電站的一個重要組成部分，鋼管尺寸的選取對電站造價影響很大，因此壓力鋼管的設計至關重要。目前長寨水電站工程已全部施工，投入運行，壓力鋼管運行良好。