吉沙水電站高壓管道設計與施工

高永輝，張紅梅

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

吉沙水電站總裝機容量為120 MW （2×60 MW），電站額定水頭485.00 m，單機發(fā)電流量14.37 m3/s，機組安裝高程2588.5 m，采用引水式開發(fā)，水庫正常蓄水位3132 m，死水位3123 m，汛限水位3126 m，高壓管道建筑物級別為3級。

高壓管道位于調壓井至廠房之間，由1條高壓主管、岔管和2條高壓支管組成，總長度為1054 m，采用平段與斜井結合布置型式，由上平段、斜井、兩個中平段及下平段組成。其中，上平段走向與引水隧洞相同，為N320.75°W，斜井、中平段及下平段方向與廠房軸線垂直，為NE36.152°，經高壓支管垂直進廠。

1 高壓管道敷設方式選擇

引水高壓管道高差約470 m，距高比1.62，具備明管敷設和地下埋管敷設的可能性。

1.1 明管敷設方式

明管管徑取值經分析比較，上部管徑2.4 m，下部管徑2.2 m，流速分別為6.20、7.38 m/s。

明管方案對兩條管道線路進行了比較:正向方案，線路通過下陡崖沿山坡正向引進廠房，管線平面長約730 m；斜向方案，線路不通過下陡崖，上部管線與廠房斜交，下部平面轉彎垂直進廠，管線平面長約970.7 m。

（1）正向方案:①管線長度比斜向方案短約237 m，引水隧洞長約414 m；②基本避免了上部陡明管安全；③管線通過下部陡崖區(qū)，管線坡度1∶0.7，鎮(zhèn)、支墩設置難度較大，穩(wěn)定性也較差，若此段管線坡度放緩為1∶1，則石方開挖量將增大；④設置在陡崖區(qū)的高壓管道運行巡視、檢修較為困難；⑤投資較少。

（2）斜向方案:①管線長度比正向方案長約237 m，引水隧洞長約414 m；②未避免上部陡崖，卸荷張拉可能導致塊石崩塌，危及明管安全；③管線避開了下部陡崖區(qū)，便于工程布置；④投資較多，能量損失較大，調壓井涌浪較高。

經過綜合經濟技術比較，明管敷設方式管線采用正向方案。

1.2 地下埋管敷設方式

地下埋管大部分為暗挖，為方便施工，管徑取值比明管大，上部管徑2.6 m，下部管徑2.3 m，流速分別為5.28、6.75 m/s。

地下埋管方案平面上采用正向方案，即壓力管線與廠房軸線垂直布置。地下埋管方案主要進行了管線縱剖面比選，比較了3個方案:方案一，豎井方案；方案二，1條中平段的斜井方案；方案三，2條中平段的斜井方案。

（1）豎井方案:①管線長度最長，比1條中平段斜井方案長約233.0 m，土建工程量最大；②下平段比1條中平段斜井方案長約185 m，下平段內水壓力最大，管壁較厚，圍巖主要為板巖，圍巖分擔受力較灰?guī)r低，所以鋼材用量較多；③投資最多。

（2）斜井方案。斜井方案包括1條中平段方案和2條中平段方案，兩方案布置形式基本相同。①兩方案上、下斜井傾角相同，分別為60°、50°。②根據剖面地形條件，1條中平段方案中平段高程2800.00 m，2條中平段方案上中平段高程2805.00 m，所以兩方案上部結構基本相同；1條中平段方案下平段長273.8 m，為了減小下平段的長度，將1條中平段方案下斜井分為兩段，在2710.00 m高程再設1條下中平段，長約100 m。③從工程量計算，1條中平段方案下平段管徑2.3 m，2條中平段方案將100 m下平段管徑改為2.6 m，雖然這此管段的內水壓力小了，但鋼材用量基本一樣，而土建工程2條中平段方案大于1條中平段方案。④從施工道路布置上看，2條中平段方案要比1條中平段方案增加長約2 km的公路和1條長約300 m的施工支洞，臨建工程量較1條中平段方案多。

經過綜合經濟技術比較，1條中平段斜井方案優(yōu)于其他兩方案。

1.3 敷設方式比選

對明管和地下埋管管線方案從水頭損失、工程造價、結構穩(wěn)定及施工等方面進行比選，具體如下:

（1）水頭損失。2臺機發(fā)電明管方案為15.66 m，地下埋管方案為11.46 m，明管方案管徑小，流速大，水頭損失大于埋管方案。

（2）工程造價。地下埋管方案主要項目造價約為2768.76萬元，明管方案主要項目造價約為5579.64萬元，明管方案比地下埋管方案高，主要是由明管方案開挖量和鋼襯量較大所致。其中，由于高陡邊坡明管敷設太陡，不便施工，而放緩坡度又導致要削掉約100 m高的邊坡，所以大大增加了開挖量。

（3）抗震性能。本電站處于地震高發(fā)區(qū)，設計地震烈度高達Ⅷ度，根據DL 5073—2000 《水工建筑物抗震設計規(guī)范》統(tǒng)計國內外震害資料，地下結構的震害比地面結構輕?；鶐r面下50 m的壓力鋼管可以較好的降低抗震要求，減少工程量，保證結構的抗震穩(wěn)定性。

（4）施工管理方面。地下埋管敷設方式，便于統(tǒng)一施工和管理，而明管敷設方式，增加了施工和管理的復雜性。

（5）運行期管理方面。地下埋管敷設方式，運行期安全度高，便于運行期統(tǒng)一管理。

綜合上所述，電站高壓管道敷設方式推薦采用埋管敷設斜井方案。

2 地下壓力鋼管設計比選

吉沙水電站高壓管道，除長23.53 m的上平段采用鋼筋混凝土襯砌外，其他高壓管道段均采用鋼板內襯。高壓管道鋼管內襯段全長915.917 m，分別為:①上斜井段傾角60°，長281.316 m，洞室圍巖為結晶灰?guī)r，承受最大內水壓力為3.894 MPa；②中平段長97.412 m，承受最大內水壓力為3.984 MPa，洞室圍巖為結晶灰?guī)r；③下斜井段傾角50°，長262.104 m，洞室圍巖大部為結晶灰?guī)r，其下部2655 m高程以下，圍巖為砂 （泥）質板巖，承受最大內水壓力為6.458 MPa；④下平段長275.085 m，承受最大內水壓力為6.522 MPa，洞室圍巖為砂（泥）質板巖。

2.1 壓力鋼管設計優(yōu)化方案

隨著設計階段和地質勘探工作的深入，對本電站壓力鋼管設計的具體邊界條件有了進一步的認識。結合可研階段專家建議，在不改變前期設計階段選定的高壓管道的管徑、管線的布置和敷設方式的條件下，為減少施工難度，增加施工質量可靠度，減少工序，加快高壓管道施工進度，從壓力鋼管結構和壓力鋼管斜井傾角兩個方面對壓力鋼管設計進行了優(yōu)化。

2.2 壓力鋼管結構設計優(yōu)化分析

壓力鋼管埋于地下，覆蓋圍巖厚度大于6倍壓力鋼管開挖半徑。壓力鋼管結構設計優(yōu)化主要比較以下3種不同方案:①方案1，鋼管與圍巖共同承擔內水壓力；②方案2，鋼管單獨承擔內水壓力，鋼管結構構件的抗力限值σR按地下埋管取值；③方案3，鋼管單獨承擔內水壓力，鋼管結構構件的抗力限值σR按明管取值。

3種方案的計算條件不同，計算出鋼襯的厚度也各不相同，具體如下:①方案1，壓力鋼管按埋管計算，鋼管結構構件的抗力限值σR按地下埋管取值。在斜井結晶灰?guī)r段考慮內水壓力由鋼板、圍巖共同承擔，需進行固結灌漿；中平段考慮到混凝土澆筑較難密實，下平段為砂質板巖，單位抗力較小，所以中平段和下平段按埋管計算，內水壓力由鋼板單獨承擔，不做固結灌漿，進行回填灌漿。②方案2，壓力鋼管按埋管計算，鋼管結構構件的抗力限值σR按地下埋管取值，全部管道不考慮圍巖分擔，內水壓力由鋼板單獨承擔，不進行固結灌漿，簡化施工；中平段和下平段進行回填灌漿。為保持圍巖的整體性和完整性，在鋼襯段與混凝土襯砌段交接處、斷層破碎帶段及隧洞出口段進行固結灌漿。③方案3，壓力鋼管按明管計算，鋼管結構構件的抗力限值σR按明管取值，不進行固結灌漿和回填灌漿，簡化施工；局部為保持圍巖的整體性和完整性，在斷層破碎帶段及隧洞出口段進行固結灌漿。

2.2.1 結構計算方法

（1）方案1:按埋管計算，僅在斜井結晶灰?guī)r段考慮內水壓力由鋼板、圍巖共同承擔，鋼襯厚度

（2）方案2:按埋管計算，全部管道內水壓力由鋼板單獨承擔，在圍巖較差和出口洞段進行固結灌漿，平洞段進行回填灌漿。其鋼襯厚度

（3）方案3:按明管計算，僅在圍巖較差和出口洞段進行固結灌漿，平洞段取消回填灌漿。其鋼襯厚度

式（1）～（3）中， t為鋼管管壁厚度， mm； P為內水壓力設計值，N/mm2；r為鋼管內半徑，mm；σR為鋼管結構構件的拉力限值,N/mm2；K0為圍巖單位抗力系數(shù)，N/mm3；δ2為縫隙，mm；Es2為平均應變問題的鋼材彈性模量，N/mm2。

2.2.2 工程量

各方案不同部分的工程量見表1。

2.2.3 方案比較

2.2.3.1 水工布置及工程量比較

（1）方案1。經內壓和外壓穩(wěn)定計算，其中上斜井2980 m高程以上約82 m長管段鋼管壁厚由外水壓力控制，無圍巖分擔，內水壓力由鋼管完全承擔；約199 m長管段內水壓力由鋼管和圍巖共同承擔。下斜井下部2635 m高程以下約80 m長管段為巖層交結面，而且存在斷層，圍巖類別屬Ⅳ～Ⅴ，單位抗力較小，不考慮圍巖分擔外力；約190 m長管段內水壓力由鋼管和圍巖共同承擔。綜合計算有約390 m長段考慮了圍巖分擔外力，約占總長的42%。

（2）方案2。全部管道不考慮圍巖分擔外力，鋼板用量略大，僅保留部分固結灌漿，灌漿量較小，施工方便；從永久安全考慮，壓力鋼管沿線沒有布置鉆孔，且該段位于崩坡體上，利用該段的覆蓋層厚度而不考慮圍巖分擔外力，是安全而又合理的，與方案1比較，不考慮圍巖分擔外力管段僅多390 m，鋼材增加約105 t，固結灌漿減少約1100 m。建議采用此方案進行設計施工。

（3）方案3。鋼管壁厚全部由內水壓力控制。與方案2比鋼材增加約418 t，固結灌漿增加約267 m。從壓力鋼管布置上看，覆蓋層厚度滿足埋管要求，圍巖較好，大部分為Ⅱ～Ⅲ類，局部為Ⅳ～Ⅴ類，按明管計算不能發(fā)揮圍巖和鋼材的優(yōu)勢，因為鋼材按明管計算的抗力限值小于埋管計算的抗力限值，明管計算鋼襯厚度較大，造價高，鋼管的制作安裝難度大，此種方案偏于保守。

2.2.3.2 施工條件分析

方案1的固結灌漿量較大，且進度要求鋼管安裝和混凝土回填平行作業(yè)，相互之間干擾較大，施工條件較差，增加了一定的施工難度，但可通過改進施工工藝加以解決 （與方案2和方案3相比，需增加一些施工工藝費用）。方案2和方案3由于大部分或全部取消了固結灌漿，避免了固結灌漿與鋼襯安裝和混凝土回填等工序之間的相互干擾，施工條件較好，減少了施工難度。

圖1 最終調整的布置方案

從施工進度上講，取消固結灌漿工序可以節(jié)省施工工期。但由于通過施工工藝的調整，固結灌漿與鋼管安裝和混凝土回填等工序平行安排施工，其占用直線工期較少；而取消固結灌漿使得高壓鋼管管壁加厚，也相應增加了鋼管安裝的壓縫、環(huán)縫焊接等工序的工期，且占用高壓管道的直線工期。但無論采用何種方案，從目前采用的施工總進度安排上看，均可滿足施工總工期的目標要求。

2.2.3.3 優(yōu)化結論

綜合考慮以上分析，為方便施工，節(jié)省工期，推薦采用方案2，即埋管不考慮圍巖分擔外力方案。

2.3 壓力鋼管斜井傾角設計優(yōu)化分析

前期設計壓力鋼管上斜井段長281.316 m，傾角60°；下斜井段長262.104 m，傾角50°。調研分析表明，對于爬罐施工法及反井鉆施工法，傾角50°的斜井開挖施工難度均較大，開挖洞線誤差較難控制。根據國內工程先例，傾角60°～90°的斜井比較便于爬罐法施工及反井鉆法施工。為此，設計分析比較了斜井傾角為60°和90°兩個方案，其中90°豎井方案最便于施工，但壓力鋼管長度也由此增加近300 m，投資增加較多。將下斜井段傾角調整為60°，對工程量影響不大，因此推薦采用傾角60°斜井方案。

2.4 小 結

分析論證確定，調整后的壓力鋼管布置形式仍采用平段與斜井結合布置形式，由上平段、上斜井、中平段、下斜井及下平段組成，上下斜井均按60°角度布置，鋼管按埋管設計，鋼管結構構件的抗力限值σR按地下埋管取值，全部管道受力，內水壓力由鋼板單獨承擔，不進行固結灌漿，中平段和下平段進行回填灌漿。為保持圍巖的整體性和完整性，在鋼襯段與混凝土襯砌段交接處、斷層破碎帶段及隧洞出口段進行固結灌漿。

3 壓力管道施工設計調整

開工后，因受征地拆遷等眾多因素制約和影響，施工進度已嚴重滯后，為加快施工進度，保證發(fā)電工期，重新調整了施工支洞的位置，增開進洞作業(yè)面，設計從水頭損失增加、主體工程量增加到臨建工程量增加和施工進度安排等方面進行了計算復核比較，經業(yè)主審議，同意了施工單位提出的增加1條中平段方案，設計對施工詳圖進行了修改，其最終高壓管道布置施工詳圖 （見圖1）。

原設計高壓管道壓力鋼管埋管段采用16MnR鋼材，由于采購困難，設計研究了用Q345D代替16MnR鋼材的可行性。最終，設計認為該方案可行，并根據Q345D的材料強度設計值重新計算了各段所需的鋼襯厚度和鋼板規(guī)格尺寸。