黃登水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)

楊海紅，官忠瑞，鄧擁軍

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開發(fā)，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段水電梯級(jí)開發(fā)方案的第六級(jí)水電站，以發(fā)電為主。水庫(kù)正常蓄水位為1 619.00 m，其相應(yīng)庫(kù)容為15.49×108m3，校核洪水位為1 622.73 m，其相應(yīng)庫(kù)容為16.70×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為8.28×108m3，水庫(kù)具有季調(diào)節(jié)性能。該工程總裝機(jī)容量1 900 MW(4×475 MW)，為一等大(1)型，其主要建筑物大壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電建筑物為1級(jí)建筑物，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)；下游防沖及其它次要建筑物屬3級(jí)建筑物，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)。臨時(shí)性水工建筑物為4級(jí)建筑物。

2 引水系統(tǒng)布置和襯砌型式選擇簡(jiǎn)介

工程引水發(fā)電壓力管道為地下埋藏式，靜水頭約163 m，初步擬定內(nèi)徑10 m，最大引用流量409.6 m3/s，管內(nèi)最大流速約6.16 m/s，屬于巨型壓力管道。由于流量大，路線短，故采用單機(jī)單管的供水方式，共計(jì)4條壓力管道。受進(jìn)水口至地下廠房間距離的限制，壓力管道采用豎井式布置。

圖1 黃登水電站壓力管道平面布置(尺寸：m)

圖2 黃登水電站1號(hào)壓力管道縱剖面(尺寸：m)

4條壓力管道進(jìn)口高程均為15 60.00 m，上平段“引0+000.000～0+015.000”段軸線方向均為SW204°30′00″，中心線間距均為25 m。自“引0+015.000”樁號(hào)開始向下游方向，4條壓力管道軸線方向呈平面擴(kuò)散狀布置，如圖1所示。

4條壓力管道豎井分別以上、下彎段與上、下平段銜接，在下平段4條壓力管道平行布置，軸線方向均為SW204°30′00″，軸線間距35 m，末端與水輪機(jī)組蝸殼銜接，如圖2所示。

表1 壓力鋼管管壁厚度計(jì)算對(duì)比表

注：表中鋼管道管壁厚度計(jì)算值已包含2 mm防銹蝕富裕厚度。

但由于進(jìn)水口和廠房布置所限，壓力管道只能采取因地制宜進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。受進(jìn)水口布置及壩肩邊坡開挖影響，各條壓力管道上平段埋深均有不滿足規(guī)范要求的洞段，因此，必須對(duì)壓力管道的襯砌型式進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的論證分析。

按挪威準(zhǔn)則、雪山準(zhǔn)則和垂直向準(zhǔn)則計(jì)算，1、2、3、4號(hào)壓力管道均有洞段未滿足規(guī)范要求，為避免內(nèi)水外滲的危害，采用鋼管形式以滿足相關(guān)要求。洞段采用鋼襯鋼筋混凝土襯砌形式。

根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力和科研反演地應(yīng)力計(jì)算抗劈安全系數(shù)，巖石抗擊水力劈裂的安全儲(chǔ)備滿足相關(guān)要求，巖石不會(huì)發(fā)生水力劈裂。

綜上所述，引水管道上平段由于巖石覆蓋厚度不足采用鋼板襯砌。壓力管道下平段考慮廠房開挖后巖體松弛的影響，為保證廠房安全，考慮廠房開挖后巖體松弛的影響，下彎段、下平段采用鋼板襯砌，其余采用鋼筋混凝土襯砌，同時(shí)需加強(qiáng)固結(jié)灌漿以保證結(jié)構(gòu)和圍巖安全。

3 壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 布置及地形地質(zhì)條件分析

引水隧洞地質(zhì)大部分圍巖均為Ⅲ、Ⅳ類及以上巖體，隧洞地段分布的地層主要為T3xd8變質(zhì)火山角礫巖、細(xì)變質(zhì)火山細(xì)礫巖夾變質(zhì)凝灰?guī)r和T3xd7變質(zhì)火山細(xì)礫巖及變質(zhì)凝灰?guī)r。

根據(jù)圍巖覆蓋厚度的分析結(jié)果，為保證安全，圍巖覆蓋厚度不滿足要求的洞段設(shè)置鋼襯。1～4號(hào)壓力管道進(jìn)口漸變段(長(zhǎng)15 m)均設(shè)置鋼襯，斷面尺寸7 m×11.5 m(寬×高)～D=10 m。1～4號(hào)壓力管道上平段(上彎段)標(biāo)準(zhǔn)圓形洞段內(nèi)徑D=10 m，設(shè)置鋼襯洞段分別為“引1號(hào)0+015.000～引1號(hào)0+032.636”、“引2號(hào)0+015.000～引2號(hào)0+055.705”、“引3號(hào)0+015.000～引3號(hào)0+070.351”、“引4號(hào)0+015.000～引1號(hào)0+108.570”(其中0+069.30～0+108.570為上彎段)，鋼襯總長(zhǎng)度分別為17.636、40.705、55.351、93.57 m。

壓力管道下平段考慮廠房開挖后巖體松弛的影響，為保證廠房安全，下平段采用鋼襯，單管鋼襯段總長(zhǎng)54 m，前24 m段內(nèi)徑D=9.2 m，混凝土襯砌厚度0.75 m；后接10 m圓形漸縮段，內(nèi)徑D=9.2～8.6 m，混凝土襯砌厚度0.75～1.75 m；廠前最后10 m段內(nèi)徑D=8.6 m，混凝土襯砌厚度1.75 m。

3.2 鋼管強(qiáng)度計(jì)算

壓力鋼管道上平段相對(duì)下平段來說，水頭壓力不是很高，在滿足工程安全的前提下，為節(jié)省工程造價(jià)，鋼襯管壁鋼材選用Q345R鋼材(屈服點(diǎn)335 MPa，抗拉強(qiáng)度470 MPa)。下平段為地下埋管，內(nèi)徑9.2～8.6 m，考慮到下平段鋼管承受的內(nèi)、外水壓力較高(最大靜水頭為163 m，最大水擊壓力取36 m，外水壓力計(jì)算水頭取172.65 m，折減系數(shù)0.6)、管徑較大等實(shí)際情況，為減小鋼管壁厚并方便施工，鋼材選用610級(jí)高強(qiáng)鋼板(屈服點(diǎn)490 MPa，抗拉強(qiáng)度610 MPa)。根據(jù)DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)壓力鋼管分別按明管、洞內(nèi)明管、埋管三種方式計(jì)算管壁厚度，計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)以上估算結(jié)果，結(jié)合壓力鋼管布置情況、施工便利及施工保障可靠性等綜合考慮，壓力鋼管按洞內(nèi)明管進(jìn)行設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)單根長(zhǎng)度2.0 m，上平段加勁環(huán)加勁環(huán)間距1.0 m，下平段為2.0 m。

綜合考慮不同厚度鋼襯之間的過渡、加勁環(huán)設(shè)置、抗外壓穩(wěn)定計(jì)算分析等，最終確定的鋼襯設(shè)計(jì)成果見表2。

表2 壓力鋼管道鋼襯設(shè)計(jì)成果

為有效降低庫(kù)水順壓力鋼管外壁和混凝土間接合面的滲漏，避免鋼管承受過大外壓，上平段及下平段在距壓力鋼管起始端100 mm處管壁外開始連續(xù)設(shè)三道阻水環(huán)，阻水環(huán)間距為250 mm，三道阻水環(huán)高度分別為300、250、250 mm，阻水環(huán)采用Q345C鋼板，上平段阻水環(huán)厚度28 mm，下平段阻水環(huán)厚度38 mm。

3.3 抗外壓穩(wěn)定計(jì)算

抗外壓穩(wěn)定計(jì)算按DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

取管壁實(shí)際厚度，環(huán)間管壁穩(wěn)定的臨界壓力按米賽斯公式計(jì)算，即

(1)

式中，Pcr為臨界外壓力，MPa；Es為鋼材彈性模量，MPa；t為管壁厚度，mm；νs為鋼材泊松比；n為最小臨界壓力波數(shù)；l為加勁環(huán)間距，mm。

加勁環(huán)穩(wěn)定的臨界外壓計(jì)算公式為

Pk=σs·AR/(r·l)

(2)

(3)

式中，σs表示鋼材屈服強(qiáng)度，MPa;r為鋼管內(nèi)半徑；AR為加勁環(huán)有效面積；h為加勁環(huán)高度；a為加勁環(huán)厚度。

考慮加勁環(huán)的作用后，鋼管抗外壓穩(wěn)定明顯加強(qiáng)，此時(shí)抗外壓穩(wěn)定受控于加勁環(huán)自身的穩(wěn)定性。

根據(jù)鋼管道布置縱剖面地質(zhì)情況分析，上平段按45 m外水水頭，下平段按103.6 m外水水頭復(fù)核抗外壓穩(wěn)定。因鋼管道較短，為了安裝施工方便，簡(jiǎn)化計(jì)算，將整個(gè)鋼管道按半徑和外水水頭共分為四部分進(jìn)行復(fù)核。加勁環(huán)標(biāo)準(zhǔn)管段上平段間距1 m，環(huán)高200 mm，壁厚28 mm，下平段間距2 m，環(huán)高250 mm，壁厚38 mm，采用Q345鋼板。

各鋼管段管壁及加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定計(jì)算成果見表3。

表3 壓力鋼管道抗外壓穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表中計(jì)算成果可以看出，鋼管段為滿足抗外壓穩(wěn)定，需設(shè)置加勁環(huán)。鋼管管壁及加勁環(huán)臨界外壓均大于外水壓力，管壁及加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定滿足要求。

3.4 鋼管鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算

考慮鋼管的重要性，確保鋼管安全穩(wěn)定運(yùn)行，鋼管外回填混凝土予以配筋。配筋按鋼襯及鋼筋聯(lián)合受力進(jìn)行計(jì)算。鋼板、鋼筋、混凝土各強(qiáng)度指標(biāo)按規(guī)范執(zhí)行，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最終采用的配筋如下：上平段及上彎段，進(jìn)口漸變段鋼襯外側(cè)配雙層Ⅲ級(jí)鋼筋2Φ32@200；塔體混凝土內(nèi)埋管段(標(biāo)準(zhǔn)圓形斷面，D=10 m)鋼襯外側(cè)配單層Ⅲ級(jí)鋼筋Φ32@200；其余地下埋管段(標(biāo)準(zhǔn)圓形斷面，D=10 m)鋼襯外側(cè)配雙層Ⅲ級(jí)鋼筋Φ32@200。

下平段內(nèi)徑D=9.2 m鋼管段，鋼襯外側(cè)配雙層Ⅲ級(jí)鋼筋2Φ32@150 ；內(nèi)徑D=9.2 ～8.6 m鋼管段，鋼襯外側(cè)配雙層Ⅲ級(jí)鋼筋2Φ32@150；D=8.6 m鋼管段，鋼襯外側(cè)配雙層Ⅲ級(jí)鋼筋2Φ32@150。

4 鋼管外排水設(shè)計(jì)

壓力鋼管道外與圍巖之間回填C25混凝土，底拱180°范圍內(nèi)采用高流態(tài)自密實(shí)混凝土。為降低檢修工況時(shí)的地下水位，防止鋼管受外壓失穩(wěn)，在回填混凝土與圍巖之間、回填混凝土與鋼管之間均設(shè)有排水系統(tǒng)：沿壓力管道軸線每隔4 m在壓力鋼管外壁設(shè)一道環(huán)向排水輕型槽鋼[10；回填混凝土和巖面之間設(shè)一道MF7環(huán)向塑料盲溝管(外包200 g/m2土工布并固定牢靠)；阻水環(huán)處鋼管外壁環(huán)向排水管采用等邊角鋼(∠100 mm×8 mm)。

表4 壓力鋼管鋼襯鋼筋結(jié)構(gòu)配筋應(yīng)力計(jì)算成果

注：鋼襯Q345R鋼，抗力限值209.790 MPa；610高強(qiáng)鋼抗力限值286.713 MPa；Ⅲ級(jí)鋼筋抗力限值272.727 MPa。

壓力鋼管外的排水系統(tǒng)按與帷幕灌漿環(huán)的距離由近及遠(yuǎn)，分為各自相對(duì)獨(dú)立的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)布置。各區(qū)排水系統(tǒng)中的環(huán)向排水管匯集壓力鋼管周圍的地下水，經(jīng)由設(shè)在壓力鋼管底部分別對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)環(huán)向排水系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序排水支管(DN50鋼管)、主管(DN100)引排至廠區(qū)第三層排水平洞內(nèi)，以免近帷幕灌漿環(huán)處的高壓外水通過排水管路直接向下游近廠房側(cè)傳遞。排水主管及支管均采用能承受1.5MPa水壓的不銹鋼管(材料OCr13Ni9)。

引至廠房第三層排水平洞的所有排水主管的末端均設(shè)高壓水閥：壓力鋼管在運(yùn)行期間閥門關(guān)閉；壓力鋼管在放空檢修時(shí)，開啟閥門排水，降低外水壓力。

5 灌漿設(shè)計(jì)

壓力鋼管道回填混凝土與巖面間頂拱60°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，灌漿壓力為0.3 MPa。為避免在鋼管壁上開設(shè)灌漿孔，消除對(duì)高壓鋼管的損傷，加快施工進(jìn)度，回填灌漿采用在頂拱開挖面上預(yù)埋HDPE管方式進(jìn)行。為了減小鋼板開孔對(duì)鋼板材質(zhì)的損傷，減少開孔封堵焊接引起的敏感性裂紋，采用鋼襯鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)，對(duì)壓力鋼管和回填混凝土之間不再進(jìn)行接觸灌漿。洞壁圍巖開挖支護(hù)完成時(shí)進(jìn)行裸巖無蓋重固結(jié)灌漿。

整個(gè)廠區(qū)樞紐的防滲結(jié)合壩體防滲帷幕綜合考慮，引水發(fā)電系統(tǒng)僅考慮壓力管道下平段上游端頭的輔助帷幕設(shè)計(jì)。為有效降低庫(kù)水順壓力鋼管外壁和混凝土間接合面的滲漏，避免鋼管承受過大外壓，除在距壓力鋼管起始端100 mm處管壁外開始連續(xù)設(shè)三道阻水環(huán)外，同時(shí)壓力管道下彎段結(jié)束部位、下平段鋼襯始端前布置壓力管道輔助帷幕。

壓力管道輔助帷幕灌漿環(huán)采用單排灌漿孔，以管道斷面中心為中心點(diǎn)，360°范圍內(nèi)徑向輻射狀打設(shè)，孔徑50 mm，相鄰鉆孔中心方位夾角為15°。相鄰管道間腰線60°范圍為淺孔區(qū)域，鉆孔入巖深度15 m；其余范圍為深孔區(qū)域，鉆孔入巖深度20 m。每個(gè)灌漿環(huán)布設(shè)24個(gè)鉆孔，帷幕灌漿總長(zhǎng)1 830 m。

帷幕灌漿壓力按大于等于1.5倍最大水壓力考慮，取2.0～2.5 MPa，帷幕灌漿在回填灌漿和固結(jié)灌漿完成后進(jìn)行。

6 結(jié) 語(yǔ)

黃登水電站壓力管道采用單機(jī)單管正向供水方式，一共4臺(tái)機(jī)，單機(jī)最大引用流量409.6 m3/s，大流量、大管徑。由于進(jìn)水口和廠房布置所限，及受壩肩邊坡開挖影響，引水管道上平段和下平段采用鋼襯鋼筋混凝土襯砌型式。

根據(jù)地形地質(zhì)條件，對(duì)壓力鋼管結(jié)構(gòu)按洞內(nèi)明管設(shè)計(jì)和抗外壓穩(wěn)定設(shè)計(jì)，為確保壓力鋼管安全可靠運(yùn)行，避免鋼管開孔灌漿削弱鋼管強(qiáng)度，對(duì)管外混凝土按鋼襯鋼筋聯(lián)合受力進(jìn)行配筋計(jì)算，同時(shí)對(duì)鋼管外進(jìn)行排水設(shè)計(jì)及灌漿設(shè)計(jì)。目前黃登水電站已投產(chǎn)發(fā)電，運(yùn)行狀況良好。