南田一級(jí)水電站壓力管道設(shè)計(jì)

孫 磊,馬克俊

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635)

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南田一級(jí)水電站壓力管道設(shè)計(jì)

孫 磊,馬克俊

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635)

壓力管道設(shè)計(jì)是水電站工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn),其布置方式、管道材質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,對(duì)水電站安全運(yùn)行和工程造價(jià)以及可靠性具有顯著的影響。以南田一級(jí)水電站為實(shí)例,針對(duì)該水電站工程建設(shè)中壓力管道布置和管道材質(zhì)進(jìn)行比選及管道設(shè)計(jì)分析,以期為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

水電站；回填管；設(shè)計(jì)；南田一級(jí)水電站

1 工程概況

南田一級(jí)水電站位于清遠(yuǎn)市清新區(qū)龍頸鎮(zhèn)石馬圩境內(nèi),是一宗以發(fā)電為主,還承擔(dān)周邊灌溉任務(wù)的跨流域引水式水電站。電站裝機(jī)容量為2×400 kW=800 kW。引水流量為2.8 m3/s,設(shè)計(jì)水頭為42 m,工程主要建筑物由攔河壩、明渠、渡槽、隧洞、壓力前池、壓力管道、發(fā)電廠房及升壓站等組成。該電站于1972年底建成投產(chǎn)發(fā)電,已運(yùn)行40多a,現(xiàn)機(jī)組設(shè)備老化,壓力管道漏水等,直接影響發(fā)電效益,為此決定對(duì)電站進(jìn)行技術(shù)改造。

現(xiàn)狀壓力管道管材是混凝土管,采用單管單機(jī)供水方式,管徑為0.8 m。壓力管道出壓力前池布置于14°左右的緩坡地形上,然后水平穿過(guò)石馬水廠,管道繼續(xù)前行布置于19°左右的緩坡地形上,然后穿過(guò)公路和水電站廠房前空地到達(dá)機(jī)組,采用回填埋設(shè)布置方式。

2 壓力管道布置及管材比選

2.1壓力管道布置

由于受地形條件的制約,改造后壓力管道仍按原管線位置布置,現(xiàn)狀壓力管道是采用回填布置方式,因此，改造后的壓力管道仍采用回填布置方式敷設(shè)。根據(jù)該電站水頭、流量、機(jī)組臺(tái)數(shù)、以及地形條件,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證確定該電站采用一管兩機(jī)的供水方式,主管管徑1.4 m,支管管徑0.7 m。主管分岔處采用貼邊岔管形式卜型布置,通過(guò)岔管,主管一分為二連接機(jī)組。

地勘資料顯示管道沿線基礎(chǔ)持力層坐落在全風(fēng)化石英砂巖上,土樣天然狀態(tài)呈灰褐、灰黃、黃褐色,可見(jiàn)原巖結(jié)構(gòu),巖質(zhì)極軟,手易折斷,巖芯呈土柱狀,夾有強(qiáng)-中風(fēng)化巖碎石、角礫。推薦承載力特征值fak為250 kPa。壓力鋼管沿線地下水埋深在4.10～9.10 m,對(duì)施工影響不大。

2.2壓力管道管材比選[1-2]

壓力管道材質(zhì)選擇是否合理,對(duì)水電站工程造價(jià)和安全運(yùn)行具有顯著的影響。管材的選擇應(yīng)根據(jù)電站所在區(qū)域的的地形、地質(zhì)條件、管道布置形式等因素,按照經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的原則,并結(jié)合已建工程的施工、運(yùn)行等經(jīng)驗(yàn),通過(guò)方案比較確定管材。

目前水電站工程常用管材有鋼筋混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等。鋼筋混凝土管常用在低水頭電站中,管材和施工質(zhì)量較難控制,后期維護(hù)費(fèi)用大。鋼管常用于中、高水頭電站中,能承受較高的壓力,但造價(jià)高,前期投入大。

隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展,近些年也出現(xiàn)了一些新的管材,如：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管)、螺旋焊鋼管、玻璃鋼管等。這些新的管材被應(yīng)用在水電站中,取得了較好的效果。所以,本工程選擇鋼管(螺旋焊)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管)、鋼筋混凝土管三種管材方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。(見(jiàn)表1)。

表1 壓力管管材方案比選

方案一：鋼管(螺旋焊)是一種常用的管材。其特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、能承受較高內(nèi)壓、施工方便。但造價(jià)高,作為回填管要做好防腐措施。

方案二：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管)是一種新型管材與以往管材相比,PCCP管具有適用范圍廣,經(jīng)濟(jì)壽命長(zhǎng)、抗震性能好、安裝方便、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。但該管材自重大,基礎(chǔ)處理、運(yùn)輸及吊裝難度大,不適宜用在地形復(fù)雜的工程。

方案三：鋼筋混凝土管是傳統(tǒng)壓力管材,鋼筋混凝土管具有成本低的突出優(yōu)點(diǎn),但其施工難度大、管糙率大、承壓能力較低、維修非常困難等缺點(diǎn)也限制了其適用范圍。

通過(guò)比選,以上三種方案從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上均合理可行,考慮本電站的實(shí)際情況,同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況,施工及運(yùn)輸難度等因素,最終業(yè)主選用方案一做為壓力管道的管材。

3 壓力鋼管設(shè)計(jì)

回填管在水電站壓力鋼管中應(yīng)用不多,在《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5141—2001)、《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 281—2003)中還沒(méi)有針對(duì)回填管的設(shè)計(jì)理論,本文根據(jù)已有文獻(xiàn)資料,參考給排水規(guī)范中相關(guān)回填管(埋地鋼管)的設(shè)計(jì)方法并結(jié)合《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 281—2003)進(jìn)行設(shè)計(jì)。荷載不考慮分項(xiàng)系數(shù),管壁的應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件：管壁單獨(dú)內(nèi)水壓力引起的環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)大于明鋼管膜應(yīng)力允許應(yīng)力(0.55φσs),荷載組合引起的環(huán)向應(yīng)力和等效應(yīng)力不應(yīng)大于明鋼管局部應(yīng)力允許應(yīng)力(0.67φσs),其中φ為焊縫系數(shù)。回填鋼管的設(shè)計(jì)包含3大內(nèi)容 ,即強(qiáng)度設(shè)計(jì)、 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和變形校核[3-6]。

3.1管壁厚度確定

回填鋼管設(shè)計(jì)中,一般需要初步擬定管壁厚度,然后進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的分析。在定管壁厚度時(shí),通常是按明管進(jìn)行設(shè)計(jì),即假定鋼管單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力,采用鍋爐式計(jì)算管壁厚度,同時(shí)考慮制造、安裝和運(yùn)輸要求的最小管壁厚度要求,擬定管壁厚度。

經(jīng)計(jì)算本工程壓力鋼管,主管管壁厚度(t)12 mm,支管管壁厚度(t)10 mm。

3.2計(jì)算

1) 相關(guān)參數(shù)

根據(jù)管道布置方式,選取主管管道末端斷面按回填管進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

2) 計(jì)算結(jié)果

表2 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

表3 計(jì)算結(jié)果

從表3的計(jì)算結(jié)果可知,管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)均滿足要求；鋼管設(shè)計(jì)穩(wěn)定性抗力系數(shù)均大于2,滿足穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求；干管管道變形40.02 mm<0.03D0(42.36 mm),支管12.70 mm<0.03D0(21.3 mm),管道變形也滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

壓力管道設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合電站實(shí)際情況,以安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)為設(shè)計(jì)原則。通過(guò)水力計(jì)算、管材比選、結(jié)構(gòu)計(jì)算等,確定壓力管道設(shè)計(jì)方案。該方案已經(jīng)通過(guò)水務(wù)部門(mén)審定,現(xiàn)正實(shí)施。

[1] 潘秀玲. 基普克水電站壓力管道經(jīng)濟(jì)比選分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì),2015(7):104-106．

[2] 賈永軍. 新疆某輸水工程管材的選用[J]. 西北水電,2012(4):50-52．

[3] 石長(zhǎng)征,伍鶴皋,袁文娜. 柔性回填鋼管的設(shè)計(jì)方法與實(shí)例分析[C]∥第八屆全國(guó)水電站壓力管道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集， 2014．

[4] 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007．

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50332—2002[S].2002．

[6] 中華人民共和國(guó)水利部.水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范:SL281—2003[S].2003．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Design of Pressure Pipeline of Nantian Ⅰ Hydropower Station

SUN Lei, MA Kejun

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635,China)

The design of pressure pipeline is the key point of the hydropower station engineering design,and the layout mode, pipeline material and structure design is reasonable, and has a significant impact on the safe operation of the hydropower station and the cost and reliability of the project. Taking the example of the Nantian Ⅰ hydropower station, the design and analysis of the pressure piping layout and pipe material in the construction of the hydropower station are carried out, in order to provide reference for the relevant design.

hydropower station； backfilling type of penstock； design；Nantian Ⅰ hydropower station

2016-05-27;

2016-07-04

孫磊(1981),男,碩士,工程師,從事水利水電工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作。

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