白山水電站一期工程壓力鋼管設計復核

呂宏飛,李眾望,孫 利,寧衛(wèi)琦

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

白山水電站一期工程壓力鋼管設計復核

呂宏飛,李眾望,孫 利,寧衛(wèi)琦

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

文中在根據(jù)內(nèi)水壓力確定鋼襯厚度的基礎上,對鋼管進行抗外壓穩(wěn)定驗算,確定加勁環(huán)的布置.光面管鋼管抗外壓失穩(wěn)安全系數(shù)大于2.0,加勁環(huán)間管壁與加勁環(huán)抗外壓失穩(wěn)安全系數(shù)大于1.8.在內(nèi)水壓力作用時,鋼管按明管設計,采用光面管型式,通過光面管抗外壓穩(wěn)定計算管壁抗外壓穩(wěn)定及承載力,均滿足要求.

白山水電站;壓力鋼管;復核計算

1 概述

白山水電站位于吉林省東部山區(qū)樺甸市與靖宇縣交界的第二松花江上游,距下游紅石水電站39 km,豐滿水電站250 km.

白山水電站是一座以發(fā)電為主、兼有防洪等綜合利用效益的大型水電站,具有不完全多年調(diào)節(jié)性能.壩址控制流域面積19 000 km2,正常蓄水位413 m,死水位380 m,壩頂高程為423.5 m,總庫容65X108m3.電站總裝機容量1 500 MW,單機容量300 MW,一期工程的地下廠房裝機3臺,容量為900 MW,二期工程的地面廠房裝機2臺,容量為600 MW,共同擔負著東北電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務.

白山一期三條引水隧洞下水平段長度1號、2號均為55 m,3號為107.5 m(包括廠房內(nèi)5 m),內(nèi)徑為7.5 m.廠房前45 m范圍采用鋼板襯砌,鋼管中心線高程為286.0 m,其上游端與相同直徑的混凝土襯砌段連接,其下游端與相同直徑的金屬蝸殼進口連接.三條壓力鋼管相互平行,方位角NW334°,進廠前16.42 m處通過水平轉(zhuǎn)彎19°轉(zhuǎn)為NW315°,與廠房縱軸線垂直,鋼管間距24 m.

2 復核情況說明

白山水電站一期工程建于上世紀七、八十年代,水電行業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展,壓力鋼管設計規(guī)范由原SD144-85到DL/T5141-2001,再到現(xiàn)行的NB/T 35056-2015,其中的設計假定、結(jié)構(gòu)系數(shù)、安全系數(shù)等取值均有所變化,為保障壓力鋼管的安全穩(wěn)定運行,按現(xiàn)行規(guī)范標準對其進行設計復核.

這次壓力鋼管復核,圍巖參數(shù)按照開挖施工時實際揭露的地質(zhì)條件參數(shù)選取,承受的內(nèi)水壓力按照機組參數(shù)選定后過渡過程計算成果選取,外水壓力按照實際地下水位線選取,計算按照(NB/T 35056-2015)《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》進行復核計算.

3 復核計算

3.1 基本資料

3.1.1 建筑物等級、洪水標準及相關系數(shù)

白山一期水電站廠房內(nèi)安裝3臺300 MW豎軸混流式水輪發(fā)電機組,每臺機組設一個進水口和一條壓力引水隧洞,每條引水隧洞包括上平段、斜管段和下平段,單機設計引用流量為307 m3/s,設計靜水頭為126 m.根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,引水隧洞確定為I級建筑物,壓力鋼管安全級別為Ⅰ級.

鋼管的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.1,設計狀況系數(shù)ψ按持久狀況取1.0,結(jié)構(gòu)系數(shù)γd(φ=0.95時)地下埋管取1.25,明管取1.6,主廠房內(nèi)明管取1.76.

3.1.2 圍巖條件

根據(jù)圍巖分類和現(xiàn)場實際開挖的地質(zhì)條件,采用地質(zhì)專業(yè)提供的圍巖單位抗力等參數(shù)進行計算,詳見表1.

3.1.3 鋼板力學性能參數(shù)

鋼板的屈服強度、抗拉強度以及抗拉、抗壓、抗彎強度設計值等力學性能參數(shù)按GB/T1591-2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》及NB/T 35056-2015《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》選取.

該工程采用16Mn(Q345)鋼材.鋼板彈性模量2.06X105MPa,泊松比0.3,線膨脹系數(shù)1.2X10-5/℃,重度78.5 kN/m3.

鋼板主要力學性能參數(shù)見表2.

表1 壓力鋼管圍巖類別及單位抗力

表2 鋼板主要力學性能參數(shù)表N/mm2

3.2 技術標準

1)DL5208-2005《抽水蓄能電站設計導則》.

2)GB50201-2014《防洪標準》.

3)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》.

4)DL 5077-1997《水工建筑物荷載設計規(guī)范》.

5)NB/T 35056-2015《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》.

6)GB/T1591-2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》.

3.3 計算原則及假定

1)內(nèi)水壓力由鋼板、混凝土、圍巖三者共同承擔.管道內(nèi)各部位的設計內(nèi)水壓力由靜水壓力與水擊壓力組成.

2)鋼襯與圍巖之間的混凝土,存在徑向裂縫,不承擔環(huán)向拉應力,僅將部分內(nèi)壓從鋼襯傳給圍巖,同時自身產(chǎn)生壓縮.所有都在彈性階段工作,圍巖為各向同性材料且在開挖后已充分變形.

3)全部外壓由鋼管承擔.圍巖的滲透水壓力、施工時流態(tài)混凝土的壓力、灌漿壓力三者不疊加,取大者進行計算.

4)不計鋼管自重、管內(nèi)水重、地震力等.

5)受廠房開挖影響洞段及廠內(nèi)鋼管段按明管設計.

3.4 計算荷載

壓力鋼管最大設計內(nèi)水壓力:經(jīng)過渡過程計算,壓力鋼管最大內(nèi)水壓力為1.76 MPa.

壓力鋼管最大設計外水壓力:上游端部外水壓力考慮鋼筋混凝土襯砌開裂滲漏影響,并按照0.8的系數(shù)進行折減,確定用最大靜水壓力0.984 MPa.廠房上游邊墻處采用實測外水壓力0.294 MPa.

3.5 計算方法

3.5.1 內(nèi)水壓力作用下復核計算

1)引水壓力鋼管埋管、引水下平段斷層處理局部鋼襯.該工程引水壓力鋼管埋管段的圍巖覆蓋厚度和縫隙判別條件均滿足要求,埋管壁厚按式(1)進行計算,并不小于式(2)表示的管道最小壁厚構(gòu)造要求,且計算結(jié)果中應考慮2 mm的壁厚裕量.相應鋼管的最大的環(huán)向正應力按(3)計算.

式中考慮鋼管銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差,管壁厚度增加2 mm.

2)引水壓力鋼管廠前明管、漸變管、廠內(nèi)明管.該工程引水壓力鋼管廠前明管、漸變管、廠內(nèi)明管按明管設計,壁厚按式(4)進行計算,σR按明管取值,并且不小于式(2)表示的管道最小壁厚構(gòu)造要求,且計算結(jié)果中應考慮2 mm的壁厚裕量.相應鋼管的最大的環(huán)向應力按(5)計算.

3.5.2 抗外壓穩(wěn)定計算

1)光面管抗外壓穩(wěn)定復核計算.對本工程采用阿姆斯圖茲公式和光面管經(jīng)驗公式計算臨界外壓Pcr,計算公式如下:

①光面管經(jīng)驗公式:

②光面管阿姆斯圖茲公式:

σK用試算法由下式求得:

2)加勁環(huán)式鋼管抗外壓穩(wěn)定計算.加勁環(huán)式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算分為加勁環(huán)間管壁和加勁環(huán)的穩(wěn)定計算.

①加勁環(huán)間管壁的穩(wěn)定.加勁環(huán)間管壁的穩(wěn)定采用米賽斯公式計算臨界外壓Pcr,計算公式如下:

②加勁環(huán)的穩(wěn)定.加勁環(huán)的穩(wěn)定計算公式如下:

3)鋼管抗外壓管壁環(huán)向應力.鋼管抗外壓管壁環(huán)向應力計算公式如下:

3.6 復核結(jié)果

3.6.1 引水壓力鋼管復核結(jié)果

根據(jù)NB/T 35056-2015《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》,按同時滿足縫隙判別條件和覆蓋圍巖厚度條件,計算鋼管承受內(nèi)水壓力時的鋼襯厚度,鋼襯厚度以運行最大內(nèi)水壓力作用為控制條件,并考慮2 mm的銹蝕厚度最終確定.在根據(jù)內(nèi)水壓力確定鋼襯厚度的基礎上,對鋼管進行抗外壓穩(wěn)定驗算,確定加勁環(huán)的布置.光面管鋼管抗外壓失穩(wěn)安全系數(shù)大于2.0,加勁環(huán)間管壁與加勁環(huán)抗外壓失穩(wěn)安全系數(shù)大于1.8.

壓力鋼管各部位鋼板厚度、加勁環(huán)尺寸及鋼種見表3.壓力鋼管采用16 Mn鋼板.設置表3中的加勁環(huán)后,加勁環(huán)及加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定和抗外壓承載力均滿足規(guī)范要求.靠廠房前15m鋼管考慮大跨度地下廠房開挖影響,在內(nèi)水壓力作用時,鋼管按明管設計,采用光面管型式,通過光面管抗外壓穩(wěn)定計算管壁抗外壓穩(wěn)定及承載力均滿足要求.

3.6.2 壓力鋼管復核計算成果匯總

壓力鋼管復核計算成果匯總表見表3.

表3 壓力鋼管鋼板厚度、加勁環(huán)尺寸及鋼種表

3.7 復核計算安全評價

1)壓力鋼管廠內(nèi)明管段受內(nèi)水壓力鋼管應力超出鋼管抗力限值,需采取加強措施.

2)其他壓力鋼管段設計滿足規(guī)范要求.壓力鋼管經(jīng)結(jié)構(gòu)計算,滿足強度要求及抗外壓穩(wěn)定要求,結(jié)構(gòu)安全.壓力鋼管中間段原設計采用的是加勁錨鉤,現(xiàn)行規(guī)范已不允許采用,采用原規(guī)范對其復核后,仍滿足要求.

3)引水壓力鋼管外側(cè)設置環(huán)向和縱向軟式排水管,可以有效降低作用于鋼管外壁的外水壓力,滿足壓力鋼管放空期的抗外壓安全穩(wěn)定要求.

4)通過水道系統(tǒng)過渡過程計算、試驗驗證以及電站運行過程中的監(jiān)測,壓力鋼管運行滿足過渡過程穩(wěn)定要求.

5)各監(jiān)測儀器監(jiān)測結(jié)果說明,壓力鋼管圍巖變形趨于穩(wěn)定.電站運行過程中,隨管道內(nèi)充水、排水以及后期運行,各監(jiān)測儀器測值均發(fā)生一定變化,但在合理范圍內(nèi).壓力鋼管鋼板應力及外水壓力均小于設計允許值,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

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1002-0624(2017)11-0001-03

2017-07-04