錦屏二級(jí)水電站壓力鋼管取消內(nèi)支撐可行性分析

張遠(yuǎn)望

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，四川 成都 610091）

1 工程概況

雅礱江錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的錦屏干流錦屏大河彎上，電站利用雅礱江下游河段150km長(zhǎng)大河彎的天然落差，通過(guò)長(zhǎng)約16.67km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭310m，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量600MW，總裝機(jī)容量4800MW。錦屏二級(jí)水電站廠區(qū)樞紐設(shè)計(jì)布置有八條高壓管道，每條高壓管道原下平段布置有40節(jié)壓力鋼管，總長(zhǎng)度為118m。壓力鋼管最大直徑6500mm，最小直徑6050mm，單節(jié)最大長(zhǎng)度為3000mm，最小長(zhǎng)度為2200mm。其中壓力鋼管下水平段第1節(jié)～第10節(jié)為600MPa級(jí)B610CF高強(qiáng)鋼，板厚分別為56、52、48、44和40mm共5種規(guī)格，每節(jié)壓力鋼管外布置2層加勁環(huán)，環(huán)距1.5m；第11節(jié)～第40節(jié)為Q345R鋼，板厚38mm，每節(jié)鋼管外壁布置3層加勁環(huán)，環(huán)距1.0m。加勁環(huán)材質(zhì)均為Q345R，板厚38mm，壓力鋼管結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖1。

表1

為防止壓力鋼管在運(yùn)輸及澆筑過(guò)程中受外力影響產(chǎn)生變形，業(yè)主要求在每節(jié)鋼管內(nèi)部布置兩組內(nèi)支撐。施工單位根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》DL/T5017-2008中5.2.10“鋼管宜采用活動(dòng)內(nèi)支撐……”要求，設(shè)計(jì)了活動(dòng)內(nèi)支撐，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖2。該內(nèi)支撐每組重量為462kg，8條高壓管道下平段320節(jié)鋼管共需布置內(nèi)支撐640組，內(nèi)支撐總重量約29.57噸。

圖1 壓力鋼管結(jié)構(gòu)布置圖

2 存在問(wèn)題

錦屏二級(jí)水電站高壓管道壓力鋼管設(shè)計(jì)的加勁環(huán)布置較密，內(nèi)支撐數(shù)量較多，同時(shí)設(shè)計(jì)要求在高強(qiáng)鋼段采用活動(dòng)內(nèi)支撐，內(nèi)支撐部分構(gòu)件需要機(jī)械加工制成，導(dǎo)致內(nèi)支撐制作成本較高。在施工過(guò)程中，由于下平段壓力鋼管安裝時(shí)蝸殼、下彎段壓力鋼管已安裝完成，下平段壓力鋼管二期混凝土澆筑完成后，內(nèi)支撐拆除只能采用火焰切割分解成小段從蝸殼進(jìn)人門(mén)運(yùn)出，導(dǎo)致內(nèi)支撐無(wú)法循環(huán)使用，且內(nèi)支撐安裝及拆除工作量非常大，拆除之后處理及防腐工作量也是相當(dāng)大，使用成本非常大，安裝、拆除危險(xiǎn)系數(shù)高。

考慮到錦屏二級(jí)水電站下平段壓力鋼管管壁較厚（最薄壁厚38mm），高強(qiáng)鋼段每節(jié)鋼管布置2道加勁環(huán)，其余管節(jié)每節(jié)上布置3道加勁環(huán)，加勁環(huán)間距小。在壓力鋼管吊裝翻身過(guò)程中及混凝土澆筑過(guò)程中，壓力鋼管抵抗外壓能力相對(duì)較強(qiáng)，只要正確使用吊裝手段，適當(dāng)控制混凝土的澆筑速度，管節(jié)不會(huì)發(fā)生變形，具備取消內(nèi)支撐的條件。因此，我們建議取消下平段壓力鋼管內(nèi)支撐，以減少工作量、加快施工進(jìn)度、降低施工成本及施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 可行性分析

為驗(yàn)證建議的合理性，施工單位進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)。

4.1 理論計(jì)算

（1）鋼管管壁抗外壓穩(wěn)定性分析

按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼管進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定分析，鋼管承受均布外壓荷載（混凝土回填壓力），其抗外壓穩(wěn)定可按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

KcP0k≤Pcr

Kc——抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.8；

P0k——徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）；

Pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值（N/mm2）。

為此，施工單位采用米賽斯公式和短柱公式分別對(duì)管壁進(jìn)行抗外壓能力計(jì)算，并取兩式中的小值。

（3）短柱公式:

AR=ha+t（a+1.56rt）

選取38mm壁厚、加勁環(huán)38mm的鋼管進(jìn)行驗(yàn)算。列表計(jì)算如表1所述。

取兩者最小值，即為P0k=1.56MPa。

（4）壓力鋼管吊裝翻身后受力分析

選取長(zhǎng)度為3m，內(nèi)徑為6.5m，壁厚為38mm，重量為22.19t的管節(jié)進(jìn)行受力分析。鋼管翻身后，承受鋼管自重，管體下側(cè)承受的重量最大，取22.19t，受力面積為：π×（6500+38）×3/（2×1000）=30.81（m2），則管體下側(cè)受力為：

2 2.19 ×104/30.81=7202（N/m2）=0.0072（MPa）< P0k=1.56 MPa

因此，鋼管在翻身后，管體不會(huì)發(fā)生變形。

（5）承受均布外壓荷載（混凝土回填壓力）計(jì)算

高壓管道下彎段及下平段開(kāi)挖截面直徑為8.7m，按以下公式計(jì)算混凝土作用于鋼管四周的最大側(cè)壓力：

F=γcH kN/m2

其中H=8.7m，γc=25kN/m3

則：F=γcH=25×8.7=217.5 kN/m2=0.22 MPa

因此，在進(jìn)行混凝土回填時(shí)鋼管四周不會(huì)因?yàn)榛炷恋膫?cè)壓力作用而失穩(wěn)。

4.2 實(shí)際試驗(yàn)

為驗(yàn)證壓力鋼管在實(shí)際安裝過(guò)程中，起吊翻身和砼澆筑這兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)鋼管的質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生不良影響，施工單位在現(xiàn)場(chǎng)選取一節(jié)鋼管未安裝內(nèi)支撐進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)吊裝翻身后對(duì)鋼管管口圓度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)該管節(jié)安裝后進(jìn)行二期砼澆筑，澆筑后對(duì)該鋼管管口圓度進(jìn)行了復(fù)檢，兩次檢測(cè)管口所有圓度檢測(cè)數(shù)據(jù)均在3mm及以下，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范《DL/T5017-2007》（圓度≤3D/1000=19.5mm）要求，且達(dá)到水利水電工程驗(yàn)收評(píng)定優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)對(duì)錦屏二級(jí)水電站下平段壓力鋼管取消內(nèi)支撐進(jìn)行可行性分析，認(rèn)為在壓力鋼管吊裝翻身及二期混凝土澆筑過(guò)程中不會(huì)對(duì)下平段壓力鋼管產(chǎn)生不良影響，施工單位取消下平段壓力鋼管安裝內(nèi)支撐的建議得到了設(shè)計(jì)、業(yè)主單位的認(rèn)可。目前該工程壓力鋼管安裝、澆筑全部完成，安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)、規(guī)范要求，并全部達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)取消壓力鋼管內(nèi)支撐，為施工單位了減少了施工成本，同時(shí)加快了施工進(jìn)度、降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

[1]萬(wàn)天明，馬耀芳，徐紹波等.水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].中國(guó)電力出版社，2007.

[2]王鵬飛，陳美娟，王既民等.水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)水利水電出版社，2003.