涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程樞紐電站岔管水壓試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

余愛(ài)武

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 概 述

涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程位于永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。是一座以灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大型水利水電工程。水庫(kù)防洪庫(kù)容2.5 億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容9.92 億m3，水庫(kù)總庫(kù)容15.1 億m3，工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

水庫(kù)樞紐電站裝機(jī)4 臺(tái)，采用一管多機(jī)引水，引水隧洞后段至機(jī)組蝶閥采用壓力鋼管結(jié)構(gòu)，管中心高程為EL215 m，設(shè)計(jì)水頭為140.2 m（含水錘），主管段為洞內(nèi)鋼襯。出洞后布置4 個(gè)岔管，將水引入4 臺(tái)機(jī)組以及生態(tài)基流管，岔管和支管段按明管設(shè)計(jì)，承受100%的內(nèi)水壓力，壓力鋼管材料采用Q345C，岔管材料采用WDB620 高強(qiáng)度鋼。鋼管主管內(nèi)徑為Φ9.5 m，壁厚選用36 mm。4 臺(tái)機(jī)組的支管內(nèi)徑均為Φ4.1 m，鋼管壁厚采用25 mm。岔管均采用月牙形內(nèi)加強(qiáng)肋型式，岔管為“卜”形，分岔角60°，岔管群布置如圖1 所示。

圖1 岔管群布置圖

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5141-2001），岔管制作后應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)壓力為P=1.76 MPa（岔管最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓1.402 MPa 的1.25 倍）。

2 水壓試驗(yàn)的安排

岔管的水壓試驗(yàn)根據(jù)工程總體進(jìn)度安排，分為兩組岔管組分別分兩期進(jìn)行。2#岔管和3#岔管組成一組為第一期，1#岔管和4#岔管組成一組為第二期，兩組岔管共需8 個(gè)悶頭及相應(yīng)的連接管，連接管節(jié)在試驗(yàn)切割以后留不小于600 mm 無(wú)損鋼管作永久使用，兩組試驗(yàn)組的悶頭允許重復(fù)使用。本文僅以第一期2#、3#岔管水壓試驗(yàn)為例。

3 水壓試驗(yàn)的目的

1）岔管水壓試驗(yàn)以超載內(nèi)壓暴露結(jié)構(gòu)缺陷、檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)整體安全度，為岔管的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供可靠保證。

2）通過(guò)水壓試驗(yàn)可以削減焊接殘余應(yīng)力及不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力。

3）通過(guò)水壓試驗(yàn)，在緩慢加載條件下缺陷尖端發(fā)生塑性變形，使缺陷尖端鈍化，卸載后產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

4 水壓試驗(yàn)基本原則

水壓試驗(yàn)及悶頭的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5141-2001）、《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL 5017-2007）等相關(guān)規(guī)程規(guī)范實(shí)施。悶頭的相關(guān)設(shè)計(jì)還可參照壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范GB 150-2011 實(shí)施。

由于施工工期較緊，本次試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)不專(zhuān)注于理論研究復(fù)核，不進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)及有限元計(jì)算結(jié)果分析，僅針對(duì)岔管運(yùn)行安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，故只對(duì)岔管變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 水壓試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

1）2#、3#岔管及中間管段安裝完畢并通過(guò)驗(yàn)收。

2）在岔管組的對(duì)外連接管段末端裝設(shè)悶頭并通過(guò)驗(yàn)收。

3）在試驗(yàn)組的對(duì)外連接管段上各設(shè)置必要的壓力表、補(bǔ)排氣閥、排水管、大流量低壓充水泵接管及高壓截止閥，高壓打壓泵接管及逆止閥。同時(shí)，岔管水壓試驗(yàn)的觀(guān)測(cè)設(shè)備及位移測(cè)試裝置安裝和調(diào)試完畢并通過(guò)驗(yàn)收。

4）岔管組各部位有可靠的支撐加固并通過(guò)驗(yàn)收，且加固方式不應(yīng)強(qiáng)制約束岔管水壓試驗(yàn)中試驗(yàn)引起的變形。

5）岔管各部位及監(jiān)測(cè)設(shè)備、壓力表安排專(zhuān)人監(jiān)視、記錄，并配有照明設(shè)施。

6 水壓試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，水壓試驗(yàn)進(jìn)行分級(jí)加載，緩慢增壓，現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)最高壓力為1.76 MPa，壓力等級(jí)為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.05 MPa、1.40 MPa、1.76 MPa，水壓試驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 水壓試驗(yàn)流程圖

7 試驗(yàn)結(jié)果

7.1 位移檢測(cè)

測(cè)試設(shè)備：LH-08 位移傳感器；5G103 位移傳感器。

測(cè)試方法：用位移傳感器測(cè)量各個(gè)壓力等級(jí)下岔管各測(cè)點(diǎn)的位移，并監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的變形的異常，防止發(fā)生試驗(yàn)危險(xiǎn)。

測(cè)點(diǎn)布置：在2#和3#岔管的頂、底、腰及月牙肋腰等部位布置位移傳感器，具體布置如圖3 所示。

圖3 位移傳感器布置位置圖

7.2 岔管體積變形測(cè)試

測(cè)試設(shè)備：電子秤。

測(cè)試方法：用電子秤計(jì)量各個(gè)壓力等級(jí)下的進(jìn)水量，然后按1 000 kg/m3換算成體積。

測(cè)試目的：用進(jìn)水量來(lái)測(cè)量岔管群內(nèi)部體積變化規(guī)律。

8 結(jié)果分析

1）水壓試驗(yàn)岔管位移變形分析。水壓試驗(yàn)過(guò)程中，在各個(gè)壓力等級(jí)下，測(cè)試部位位移與壓力等級(jí)成線(xiàn)性關(guān)系，2#岔管管外底部A2 位移與壓力等級(jí)線(xiàn)性關(guān)系如圖4 所示。

2）水壓試驗(yàn)岔管體積變形分析。水壓試驗(yàn)過(guò)程中，在各個(gè)壓力等級(jí)下，進(jìn)水量與壓力等級(jí)成良好的線(xiàn)形關(guān)系。水壓試驗(yàn)進(jìn)水量與壓力等級(jí)關(guān)系如圖5 所示。

3）水壓試驗(yàn)過(guò)程中，岔管本體未發(fā)生異響及異常變形，未發(fā)生滲水和滲漏情況，從位移檢測(cè)及進(jìn)水量檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)的位移量及岔管整體變形量均與試驗(yàn)壓力近似成線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明鋼岔管主體結(jié)構(gòu)在水壓試驗(yàn)時(shí)在彈性變形范圍內(nèi)，故鋼岔管能滿(mǎn)足工程運(yùn)行安全要求。

圖4 2#岔管管外底部A2 位移與壓力等級(jí)線(xiàn)性關(guān)系圖

圖5 水壓試驗(yàn)進(jìn)水量與壓力等級(jí)關(guān)系圖

9 結(jié) 語(yǔ)

本次水壓試驗(yàn)采用位移檢測(cè)及進(jìn)水量檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證岔管安全性，從結(jié)果上來(lái)看是成功的，水庫(kù)樞紐電站自2018 年運(yùn)行以來(lái)，從原型觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，鋼岔管運(yùn)行正常。本次水壓試驗(yàn)的檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，耗時(shí)短的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。