德羅電站淺埋式引水壓力鋼管設(shè)計(jì)

李 坤，陳 銳，周亞峰，周少龍

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，430010，武漢）

德羅電站淺埋式引水壓力鋼管設(shè)計(jì)

李 坤，陳 銳，周亞峰，周少龍

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，430010，武漢）

受當(dāng)?shù)丨h(huán)境及地質(zhì)條件制約，德羅電站引水壓力鋼管采用了淺埋式布置形式，較好解決了高寒、軟基地區(qū)布置壓力鋼管保溫、地基處理等難題。淺埋式布置，加快了施工進(jìn)度，減少了棄渣，大大降低了工程造價(jià)，回填后與原山體地形基本保持一致。

拉洛；德羅電站；高水頭；壓力鋼管；淺埋；設(shè)計(jì)

一、德羅電站工程概況

1.電站概況

德羅電站是拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程的重要建設(shè)內(nèi)容之一。電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)40 MW，是配套灌區(qū)的渠首工程，發(fā)電尾水用于灌溉，設(shè)計(jì)引水流量19.40 m3/s，加大流量23.30 m3/s。

德羅電站主要建筑物有進(jìn)水口、德羅引水隧洞、前池、泄槽、引水壓力鋼管、鎮(zhèn)墩與地面廠房等。

2.環(huán)境及地質(zhì)條件

工程地區(qū)太陽輻射強(qiáng)烈，氣溫日差較大，平均達(dá) 15.9°C，無霜期短，極端最高氣溫28.2°C，極端最低氣溫-23.9°C，最大凍土深度101 cm。

壓力鋼管沿線地表高程4 280～4 080 m，地形坡度5°。上部為第四系洪坡積碎石土、碎塊石土，厚15.2～45.9 m，其中表層為碎石土，厚度一般2～5 m，下部為碎塊石土，厚度12～40 m。下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)日當(dāng)組頁巖，強(qiáng)風(fēng)化厚度5～15 m，微風(fēng)化厚5～10 m。

二、引水管路選擇淺埋管設(shè)計(jì)緣由

水電工程中引水管路多采用明管、隧洞設(shè)計(jì)，但受限于拉洛水利樞紐當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素，日照強(qiáng)烈，晝夜氣溫變幅較大，加上地表覆蓋層較厚，如采用明管設(shè)計(jì)則需進(jìn)行嚴(yán)格的保溫措施和基礎(chǔ)處理，在限制鋼管相對(duì)變位、鎮(zhèn)支墩不均勻沉降等方面需要大量的投資；如采用隧洞設(shè)計(jì)，因巖石條件較差、埋深大，加之空氣稀薄且不便于出渣，可能會(huì)遭遇各種地質(zhì)隱患，施工工期難以保證且施工難度較大，因而在引水線路敷設(shè)方式選擇上采用了淺埋式回填管。

淺埋式回填管是將鋼管埋設(shè)于凍土層以下，利用填土隔絕外部溫差，不需要外包隔熱墊層，同時(shí)鋼管與回填土緊密接觸，基礎(chǔ)均勻受力，大幅度減小基礎(chǔ)應(yīng)力；開挖邊坡高度小，只需要臨時(shí)保護(hù)，可減小大量金屬結(jié)構(gòu)、混凝土及鋼筋工程量，可加快施工進(jìn)度，且回填后與原山體地形基本保持一致。

在蘇聯(lián)、日本、美國等國家的壓力鋼管規(guī)范中均有對(duì)回填管的設(shè)計(jì)理論，而我國現(xiàn)行的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5141—2001）和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281—2003）中，暫無回填管的設(shè)計(jì)依據(jù)，但市政行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已有回填管相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，目前國內(nèi)外已有如老撾南夢3、斐濟(jì)南德瑞瓦圖、新疆雅瑪渡等水電站采用淺埋式回填管的設(shè)計(jì)。

淺埋式回填管的主要理論是利用鎮(zhèn)墩來限制鋼管水平和豎向轉(zhuǎn)彎的徑向力，利用回填土石來約束鋼管直線段的徑向與縱向變形。德羅電站淺埋式壓力鋼管在設(shè)計(jì)中根據(jù)其工程特點(diǎn)，參考了相關(guān)規(guī)范，借鑒了上述工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長避短，進(jìn)行了回填管方案的精細(xì)設(shè)計(jì)。

三、壓力鋼管布置

壓力鋼管起于壓力前池進(jìn)水口（兩機(jī)一管），全程沿山脊布置，采用淺埋回填的敷設(shè)方式。為避免設(shè)置上游調(diào)壓室，鋼管直徑3.3 m，最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓水頭365m（含水擊水頭）。根據(jù)鋼管縱向及垂直向受力、變位情況，在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，在鎮(zhèn)墩前后設(shè)伸縮節(jié)。

根據(jù)山脊地形，壓力鋼管縱向坡度約9.7%～12.48%，在平面上依次經(jīng)過1°、22°、7°、20°角轉(zhuǎn)彎后接至主廠房上游，鋼管進(jìn)行對(duì)稱Y形一級(jí)分岔，分別引向#1機(jī)組、#2機(jī)組，壓力鋼管后接地面廠房，鋼管全長約2.1 km。見圖1。

圖1 德羅電站引水壓力鋼管布置圖

四、淺埋式回填管設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)難點(diǎn)

德羅電站壓力鋼管全部埋設(shè)于碎塊石土中，僅在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，相鄰兩個(gè)鎮(zhèn)墩間最大相隔530 m，超過一般明管敷設(shè)鎮(zhèn)墩的 100～150 m范圍。根據(jù)受力與運(yùn)行情況，需要解決以下難點(diǎn)：①各工況下壓力鋼管整體安全并能長期穩(wěn)定運(yùn)行；②鎮(zhèn)墩及回填土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；③回填土石內(nèi)部排水及地表排水設(shè)計(jì)；④埋設(shè)深度設(shè)計(jì)。

圖3 壓力鋼管有限元三維計(jì)算模型

表1 材料計(jì)算參數(shù)表

2.壓力鋼管結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性

德羅電站額定水頭238 m，機(jī)組突然關(guān)機(jī)時(shí)蝸殼進(jìn)口處最大沖擊水頭365 m，引水壓力鋼管直徑3.3 m，管道HD值最高達(dá)1 150 m2，屬于高水頭壓力管道。按照敷設(shè)方式，鋼管主要承受內(nèi)水壓力、外水壓力、填土壓力、溫度應(yīng)力及自重、水重，設(shè)計(jì)中主要采用了如下措施：①鋼管設(shè)計(jì)上采用明管設(shè)計(jì)，各處鋼管強(qiáng)度均能滿足內(nèi)水壓力要求，鋼管不會(huì)因內(nèi)壓失穩(wěn)；②在鋼管水平和豎向轉(zhuǎn)彎處采用鎮(zhèn)墩固定，承擔(dān)該部位鋼管各向不平衡力，確保穩(wěn)定；③鋼管四周采用碾壓密實(shí)的回填土石 （壓實(shí)系數(shù)96%）進(jìn)行約束，限制鋼管徑向變形；同時(shí)鋼管外部設(shè)置較為密集的加勁環(huán)，保證鋼管能承受外部填土及水壓力；④壓力鋼管底部采用柔性砂壤土基礎(chǔ)以適應(yīng)鋼管變形，避免鋼管局部約束過大導(dǎo)致鋼管應(yīng)力集中發(fā)生破壞；⑤管槽底部鋪設(shè)10 cm混凝土墊層，保證底部承載基礎(chǔ)不受雨水滲漏后沖刷影響，保持管槽基礎(chǔ)穩(wěn)定性；⑥根據(jù)凍土深度、溫差及填土重量合理設(shè)計(jì)鋼管的埋設(shè)深度，鋼管不能過度受外界溫度影響，也不能橢圓化；⑦鎮(zhèn)墩上、下游均設(shè)伸縮節(jié)，以承擔(dān)壓力鋼管施工期及運(yùn)行期部分軸向變形及徑向變形。⑧鎮(zhèn)墩間鋼管合攏溫度選擇在5～15℃，與管內(nèi)流水溫度相近，鋼管按12℃溫差進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證鋼管承受溫度應(yīng)力安全；⑨施工單位在管槽回填、鋼管定位施工時(shí)需報(bào)專項(xiàng)施工方案，并進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，保證精細(xì)化施工。

德羅電站淺埋式回填管設(shè)計(jì)典型斷面如圖2。

3.鎮(zhèn)墩及回填土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

引水壓力鋼管沿線一共有9個(gè)鎮(zhèn)墩，每個(gè)鎮(zhèn)墩均進(jìn)行了整體穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算，均滿足規(guī)范要求。對(duì)于轉(zhuǎn)角較大的#5鎮(zhèn)墩，體積較大，尺寸為18 m×8 m×17 m（長×寬×高），其下部采用擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行固結(jié)灌漿，下游邊坡采用平面有限元計(jì)算，各工況下最小安全系數(shù)為1.52，滿足規(guī)范要求，保證#5鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性。

各鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)豎向位移分別為18～21 mm。根據(jù)不同的覆蓋層厚度，鋼管回填后采用有限元進(jìn)行計(jì)算，豎向位移如下：#1～#2鎮(zhèn)墩管段沉降位移為15～19 mm，相對(duì)位移值為4 mm；#2～#3鎮(zhèn)墩管段沉降位移為19～21 mm，相對(duì)位移值為3 mm；#3～#4鎮(zhèn)墩管段沉降位移為15～20 mm，相對(duì)位移值為5 mm。各段相對(duì)位移值均較小，與鎮(zhèn)墩相對(duì)位移為0～5 mm，均在伸縮節(jié)、鋼管、砂壤土可調(diào)整范圍內(nèi)。

4.回填土石內(nèi)部排水及地表排水設(shè)計(jì)

壓力鋼管埋設(shè)于山脊頂部，自然降雨時(shí)，水流主要流向兩側(cè)，回填區(qū)表面以下50 cm處鋪設(shè)一層防水土工布，以阻隔地表雨水垂直下滲，管槽內(nèi)部水主要來自于兩側(cè)邊坡側(cè)向滲水，因而回填區(qū)受雨水影響較小，不會(huì)在底部管槽中形成流水；此外，淺埋式回填管施工后，并未明顯改變?cè)匦蔚刭|(zhì)條件及地下水環(huán)境，且回填土石、砂壤土碾壓密實(shí)，各管段下部均設(shè)有鎮(zhèn)墩等結(jié)構(gòu)阻隔，管槽縱向坡度較緩、滲透比降較小，即使發(fā)生滲水，也不會(huì)發(fā)生沿鋼管軸線方向的滲透破壞。管槽底部設(shè)有混凝土墊層，可防止?jié)B水向山體內(nèi)滲透，保證了砂壤土基礎(chǔ)不被滲水淘松。

部分地表雨水順坡而下，在管槽沿線每隔80 m以及各鎮(zhèn)墩上下游10 m處均設(shè)有擋水坎及排水溝，將回填管區(qū)域表面來水排至兩側(cè)山坡，盡量減少地表水滲漏，從而保證鋼管運(yùn)行安全。

5.埋設(shè)深度設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)貢円箿夭钶^大，最低氣溫-23.9°，最大凍土深度101 cm，壓力鋼管上部應(yīng)保證一定覆蓋厚度以避開凍土層，減少受外界溫差的影響。但鋼管埋置深度太大可能導(dǎo)致鋼管變形，從而引起鋼管振動(dòng)，且引起開挖及回填量的增加。

本工程未進(jìn)行地溫觀測，根據(jù)漫灣、小灣、糯扎渡等水電站的多處地溫觀測資料形成的經(jīng)驗(yàn)，鋼管埋深1.6 m以內(nèi)，地溫隨氣溫變化較大；1.6 m埋深以下，地溫隨地表氣溫變化較小。綜合上述因素，管頂最小埋深2 m，為防止車輛、設(shè)備碾壓導(dǎo)致鋼管變形，在回填土石碾壓過程中，管內(nèi)支撐不得撤走。

五、壓力鋼管整體有限元計(jì)算

為進(jìn)一步復(fù)核德羅電站引水壓力鋼管設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)一步驗(yàn)證壓力鋼管結(jié)構(gòu)、變形均滿足設(shè)計(jì)要求，本節(jié)選取了典型鋼管段進(jìn)行三維有限元計(jì)算。

1.計(jì)算條件

圖4 水擊工況鋼管Mises應(yīng)力（單位：MPa）

選取樁號(hào)Y0+010.50～Y0+328.87之間的#1～1-#1鎮(zhèn)墩間淺埋式回填壓力鋼管建立三維有限元模型，采用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析。采用接觸單元模擬鋼管與鎮(zhèn)墩混凝土、外圍回填土之間的滑移，鋼管與混凝土間摩擦系數(shù)取0.6，鋼管與回填土間摩擦系數(shù)取0.15。

邊界條件：模型的上、下游端面和右側(cè)及底部施加法向約束，模型左側(cè)施加對(duì)稱約束，模型頂面按力邊界或自由邊界考慮。計(jì)算模型如圖3，材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

本節(jié)選取水擊工況（最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓）作為典型工況進(jìn)行分析，主要考慮結(jié)構(gòu)自重及內(nèi)水壓力，對(duì)鋼管整體穩(wěn)定性進(jìn)行有限元計(jì)算，水擊壓力最大值為0.6 MPa。

2.計(jì)算結(jié)果

計(jì)算整理了鋼管的Mises應(yīng)力如圖4所示。該工況下鋼管的應(yīng)力主要受內(nèi)水壓力控制，鋼管環(huán)向應(yīng)力整體呈現(xiàn)受拉應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在斜直段下游末端，由于該管段內(nèi)水壓力數(shù)值較小，鋼管Mises應(yīng)力最大值為68.76MPa。

由于引水鋼管和鎮(zhèn)墩位于碎塊石土之上，結(jié)構(gòu)受自重作用影響在鉛直方向上位移較大，引水鋼管斜直段大部分區(qū)域鉛直向位移在13 mm左右，鎮(zhèn)墩位置鉛直向沉降量最大值為20.93mm，整體結(jié)構(gòu)合位移如圖5所示。

圖5 水擊工況結(jié)構(gòu)合位移（單位：m）

考察伸縮節(jié)室受力變形情況，整理#1鎮(zhèn)墩與1-#1鎮(zhèn)墩之間兩個(gè)伸縮節(jié)室的鉛直向位移和軸向位移，詳見表2。可以看出：該管段范圍內(nèi)上游鎮(zhèn)墩區(qū)域鉛直向相對(duì)位移為2.484 mm，軸向相對(duì)位移為0.114 mm，下游鎮(zhèn)墩區(qū)域鉛直向相對(duì)位移為0.185 mm，軸向相對(duì)位移為0.104 mm，均在伸縮節(jié)可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)#1～1-#1鎮(zhèn)墩間管段的有限元計(jì)算分析，可以看出：在結(jié)構(gòu)自重和水擊壓力作用下，壓力鋼管應(yīng)力水平小于70 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。伸縮節(jié)的設(shè)置有效吸收了鎮(zhèn)墩和鋼管的不均勻沉降變形，伸縮節(jié)最大鉛直向相對(duì)位移小于2.5 mm，軸向最大相對(duì)位移小于1.4 mm，滿足伸縮節(jié)設(shè)計(jì)允許位移值。

六、結(jié) 語

拉洛水利樞紐工程地處西藏高海拔地區(qū)，環(huán)境、地質(zhì)條件復(fù)雜，在德羅電站淺埋式引水壓力鋼管設(shè)計(jì)中，充分考慮了氣象、地質(zhì)、施工、投資等多項(xiàng)因素，從方案、材料、結(jié)構(gòu)安全、排水、回填等要求方面做了較為精細(xì)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，鋼管強(qiáng)度及沉降位移差均滿足設(shè)計(jì)要求，各結(jié)構(gòu)均安全穩(wěn)定，能保證壓力鋼管長期穩(wěn)定運(yùn)行。

Design of semi-embedded penstock for water diversion in Deluo Hydropower Station

Li Kun，Chen Rui，Zhou Yafeng，Zhou Shaolong

Restrained by local environment and geological conditions,semi-embedded penstock was adopted for water diversion in Deluo Hydropower Station,so as to keep temperature of penstock stable under cold weather and consolidate foundation in soft base area.The design not only accelerates construction speed and reduces abandon wastes but also lowers the construction cost.After backfilling,the landscape can be restored to its original topography.

Laluo;Deluo Hydropower Station;high head;penstock;semi-embedded;design

TV6+TV7

B

1000-1123（2016）20-0048-03

2016-10-18

李坤，工程師。