烏東德水電站超大型地下埋管內(nèi)支撐優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

焦雄 鄧朝

摘要：烏東德水電站引水壓力鋼管具有直徑大、鋼板厚、制作及安裝質(zhì)量要求高等特點。為了保證其安裝質(zhì)量和施工安全，達(dá)到節(jié)省施工資源投入，加快施工進(jìn)度的目的。采用有限元軟件，對壓力鋼管管節(jié)不同吊點、外包混凝土澆筑進(jìn)行變形分析，結(jié)果顯示壓力鋼管優(yōu)化內(nèi)支撐的施工方案是可行的，該方案在烏東德水電站超大型地下埋管施工中得到了成功應(yīng)用，是水利水電工程壓力鋼管安裝技術(shù)的一次大膽創(chuàng)新，值得類似工程借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：烏東德水電站? 地下埋管? 內(nèi)支撐? 優(yōu)化設(shè)計? 應(yīng)用

Optimization Design and Application of Super Large Underground Buried Pipes Support in Wudongde Hydropower Station

JIAO Xiong1? DENG Zhao2

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xi’an， Shaanxi Province， 710010 China; 2.China Three Gorges Construction Engineering （Group） Co.， Ltd.， Sichuan Province， 610094 China）

Abstract： The penstock pipe joints of Wudongde Hydropower Station has the characteristics of large diameter， thick steel plate and high requirements for manufacturing and installation quality. In order to ensure the installation quality and construction safety， achieve the purpose of saving construction resources and speeding up construction progress， the finite element software is used to analyze the deformation of penstock pipe joints at different lifting points and wrapped concrete pouring.The results show that the construction scheme of optimized internal support of penstock is feasible， the scheme has been successfully applied in the construction of super large underground buried pipe of Wudongde Hydropower Station， pressure pipe installation technology of water resources and hydropower engineering of a bold innovation， worthy reference in similar engineerings.

Key Words： Wudongde Hydropower Station; Underground buried pipes; Inner support; Optimization design; Application

1概述

烏東德水電站為地下電站，左右岸地下電站各安裝6臺850MW水輪機組。引水隧洞采用一洞一機布置型式，平行布置。壓力鋼管布置在下平段，自灌漿帷幕處起始，灌漿帷幕下游設(shè)排水設(shè)施。鋼管經(jīng)下平段、錐管段、連接段至水輪機蝸殼端口[1]。左岸1#～6#機壓力鋼管直徑Φ13.5m，經(jīng)錐管段漸縮為Φ11.5m，由連接段與蝸殼進(jìn)口端連接，6條壓力鋼管長度均為55.2m。右岸7#～12#機壓力鋼管直徑Φ12.5m，經(jīng)錐管段漸縮為Φ11.5m，由連接段與蝸殼進(jìn)口端連接。7#機灌漿帷幕布置在下彎段部位，8#～12#機灌漿帷幕布置在下平段部位，7#機組引水壓力鋼管長為57.734m，8#～12#機組引水壓力鋼管長均為55.2m。12條壓力鋼管總長664.934m，總重量約為13227.316t[2]。

壓力鋼管采用800MPa級高強鋼板制造，經(jīng)計算，鋼管壁厚為56～60mm（含銹蝕厚度）。鋼管外布置加勁環(huán)，加勁環(huán)斷面為矩形，間距2～3m，材質(zhì)為Q345C，壁厚為34mm。

設(shè)計水位975m，水輪機安裝高程為803m，單機引用流量700余m3/s，經(jīng)調(diào)保計算，壓力鋼管的設(shè)計壓力H（包括水錘升壓值）為245.5m，HD值為3069m2，屬于超大型地下埋管。

2相關(guān)技術(shù)背景

2.1壓力鋼管內(nèi)支撐

大型壓力鋼管的制造和存放的過程中，由于制造誤差和鋼管時效變形（特別是安裝后長時間未進(jìn)行固定及焊接），壓力鋼管的圓度會發(fā)生變化會影響結(jié)構(gòu)受力和水流發(fā)電效率[3]。因此水利水電工程壓力鋼管相關(guān)設(shè)計和安裝規(guī)范提出了要求，通常在壓力鋼管內(nèi)部布設(shè)有內(nèi)支撐，以防止壓力鋼管在運輸及澆筑過程中受外力影響產(chǎn)生變形。

2.2烏東德壓力鋼管特點

烏東德壓力鋼管采用800MPa級高強鋼板制造，在洞外分三個瓦片制造，壓力鋼管主要采用以瓦片進(jìn)洞、隧洞內(nèi)組圓為主，少量在安裝間組圓的施工方案，布置1臺組圓臺車，設(shè)備周轉(zhuǎn)逐條隧洞安裝，大部分壓力鋼管進(jìn)行鋼管立式組圓[4]。

壓力鋼管立式組圓安裝迅速，從組圓到最終澆筑混凝土施工間隔短，壓力鋼管時效變形風(fēng)險小;加之每節(jié)鋼管設(shè)置兩道加勁環(huán)，在運輸、澆筑過程中壓力鋼管抵抗外力變形的能力強。

2.3優(yōu)化課題的提出

查閱國內(nèi)外壓力鋼管施工資料，錦屏二級水電站壓力鋼管（600MPa級高強鋼板制造，直徑6.5m）通過實際驗證，取消了該電站下平段壓力鋼管內(nèi)支撐，取得了成功經(jīng)驗[5]。

為減少內(nèi)支撐制作、安裝過程中施工資源投入，避免內(nèi)支撐拆除過程中的安全風(fēng)險，以期達(dá)到節(jié)約施工成本的目的，烏東德工程提出了優(yōu)化壓力鋼管內(nèi)支撐的施工方案。

3可行性分析計算

為研究在鋼管不設(shè)內(nèi)支撐的可行性，重點通過對壓力鋼管施工質(zhì)量影響最大的、最具有代表性的管節(jié)吊運、外包混凝土澆筑工序壓力鋼管變形量，通過有限元計算進(jìn)行研究分析。

3.1管節(jié)吊裝變形分析計算

3.1.1管節(jié)結(jié)構(gòu)及吊點布置

根據(jù)壓力鋼管分節(jié)制造安裝施工現(xiàn)場實際情況，計劃對管節(jié)結(jié)構(gòu)最多、最具有代表性外形尺寸為11.5m×3m×0.06m（直徑×高度×壁厚）的管節(jié)進(jìn)行分析計算，該管節(jié)吊裝重量為57.7噸，吊點設(shè)在鋼管外壁的加勁環(huán)上。

3.1.2 不同吊點距離變形分析

通過對5m、6m、8m吊點距離，管節(jié)吊裝過程進(jìn)行有限元分析，其變形情況如圖1所示，其應(yīng)力分布情況如圖2所示，變形分析過程如下[6]：

（1）當(dāng)管節(jié)上中心吊點間距按照5m布置吊運時，管節(jié)上、下中心直徑增大33.8mm。從應(yīng)力云圖可見，這時的管節(jié)最大等效應(yīng)力為168.47MPa，發(fā)生在吊耳與加勁環(huán)的連接處。

（2）當(dāng)管節(jié)上中心吊點間距6m布置吊運時，管節(jié)上、下中心直徑增大30.0mm。從應(yīng)力云圖可見，這時的管節(jié)最大等效應(yīng)力為150.3MPa，發(fā)生在吊耳與加勁環(huán)的連接處。

（3）當(dāng)管節(jié)上中心吊點間距8m布置吊運時，管節(jié)上、下中心直徑增大19.1mm。從應(yīng)力云圖可見，這時的管節(jié)最大等效應(yīng)力為122.9MPa，發(fā)生在吊耳與加勁環(huán)的連接處。

3.1.3 分析結(jié)果

11.5m×3m×0.06m管節(jié)上中心吊點距離為5m時，上下中心處直徑增大了33.8mm，但吊點距離調(diào)整到6m時，上下中心處直徑增大由33.8mm減小到了30mm，當(dāng)再調(diào)整到8m時，上下中心處直徑增加明顯減少到了19.1mm。說明吊距變化在5～6m時，對改善該管節(jié)的吊裝變形不明顯，但吊距在8m時，效果非常明顯。

通過以上分析表明，無論采用哪種吊距吊運，管節(jié)的應(yīng)力水平均不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管節(jié)材料的屈服限（25mm），說明管節(jié)處于彈性變形范圍內(nèi)。

3.2混凝土澆筑變形分析

3.2.1混凝土施工條件

壓力鋼管安裝完畢后，在鋼管外壁每道加勁環(huán)周向均布設(shè)置8根150型槽鋼外支撐與洞壁錨桿連接，以約束外包混凝土澆筑過程中對鋼管產(chǎn)生的變形。同時根據(jù)壓力鋼管外包混凝土澆筑倉面設(shè)計，每倉澆筑長度9m（3個管節(jié)），分4～5層澆筑，混凝土上升速度按照50～80cm/h控制，壓力鋼管兩側(cè)對稱布置兩臺混凝土泵，混凝土初凝時間按照4h計算。

3.2.2 外包混凝土澆筑鋼管變形分析

（1）荷載

混凝土容重2.4t/m3、自重荷載1760kN（11.5×3-9m、壁厚60mm）;

第1層荷載：按照液態(tài)混凝土產(chǎn)生柱壓力和側(cè)向壓力7.2kN/m2計;

中間層荷載：按側(cè)向壓力7.2kN/m2計;

頂層荷載：按側(cè)向壓力62.88kN/m2（11.5m×3-9m）和頂部混凝土重量荷載計。

（2）約束條件

對壓力鋼管外壁每道加勁環(huán)一周均布8根型鋼支撐端部約束模擬其與洞壁錨桿錨桿連接;每層澆筑時，對已澆筑層的型鋼支撐約束解除替換為對應(yīng)管壁進(jìn)行約束。

（3）通過對11.5×3-9m壓力鋼管安裝單元各分層混凝土澆筑鋼管變形及支撐桿受力分析，澆筑變形云圖如圖3所示，具體分析過程如下：

第1層混凝土澆筑時，管壁變形部位約在下中心左右30°線上加勁環(huán)之間，最大變形量為1.123mm。下中撐桿平均單根受力7.88t、下中左右45°撐桿平均單根受力19.2t。

第2層混凝土澆筑時，管壁變形部位約在左右中心以下15°線上加勁環(huán)之間，最大變形量為0.882mm。左右中心撐桿平均單根受力9.6t。

第3層混凝土澆筑時，管壁變形部位約在左右中心以上22.5°線上加勁環(huán)之間，最大變形量為1.672mm。上中左右45°撐桿平均單根受力4.43t。

第4層混凝土澆筑時，管壁變形部位約在上中心左右30°線上加勁環(huán)之間，最大變形量為0.349mm。上中撐桿平均單根受力6.97t、上中左右45°撐桿平均單根受力9.33t。

3.2.3 分析結(jié)果

如果鋼管外壁按照8點均布設(shè)置外支撐、土建按照9m一個單元分倉、高度按照4～5層，并且在鋼管左右對稱兩個方向進(jìn)行混凝土澆筑施工，則鋼管管壁局部變形量最小。即使鋼管外壁支撐不起抗拉作用，但如果9m單元上下游管口處進(jìn)行了可靠的約束，管壁在混凝土澆筑過程中的變形也最小，其變形量均在壓力鋼管安裝施工驗收規(guī)范允許偏差范圍內(nèi)，所以鋼管安裝完畢后，其內(nèi)部不需要另外增設(shè)“米”字內(nèi)支撐，實際當(dāng)中若發(fā)現(xiàn)局部點超標(biāo)，可增加局部撐桿。土建混凝土施工必須嚴(yán)格按照分倉分層、左右對稱填筑工藝施工。

4確定方案

通過對壓力鋼管吊裝過程和外包混凝土澆筑過程的有限元分析，經(jīng)過參建各方共同研究討論，最終確定了烏東德水電站壓力鋼管優(yōu)化內(nèi)支撐的施工方案，但必須滿足以下要求：

（1）壓力鋼管吊運吊點距離按照8m設(shè)置。

（2）壓力鋼管外壁外支撐采用150型槽鋼，并按照均布不少于8點設(shè)置，且應(yīng)保證外支撐件與加勁環(huán)、洞壁錨桿焊接加固牢固。

（3）外包混凝土澆筑按照9m分倉、4～5層左右對稱澆筑，混凝土上升速度按照50～80cm/h控制，同時，澆筑期間須對壓力鋼管變形情況進(jìn)行實時監(jiān)測，壓力鋼管發(fā)生較大變形或位移，應(yīng)及時調(diào)整混凝土澆筑速度、澆筑方位，甚至?xí)和；炷翝仓┕?，采取管?jié)加固措施。

5應(yīng)用效果

5.1質(zhì)量可靠

由于烏東德水電站壓力鋼管采用800Mpa級高強鋼板制造，按照規(guī)范和其焊接工藝要求，管壁嚴(yán)禁隨意焊接工卡具或其它構(gòu)件，以防止對母材造成損傷，影響壓力鋼管使用壽命。通常內(nèi)支撐安拆過程中會損傷壓力鋼管管壁母材（受環(huán)境及施工手段影響，補充防腐的質(zhì)量明顯低于制造防腐），優(yōu)化內(nèi)支撐后，有效避免了相關(guān)質(zhì)量風(fēng)險，使壓力鋼管整體防腐質(zhì)量大幅提高。

烏東德水電站12條壓力鋼管安裝完成后，經(jīng)過對壓力鋼管管口中心、圓度、環(huán)縫對口間隙及徑向錯臺等安裝尺寸整體復(fù)測后，其安裝質(zhì)量滿足設(shè)計和規(guī)范質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，施工質(zhì)量控制良好，優(yōu)化內(nèi)支撐不影響壓力鋼管整體安裝質(zhì)量。

5.2安全風(fēng)險降低

若按照傳統(tǒng)施工工藝安裝內(nèi)支撐，考慮到避免在管壁焊接構(gòu)件損傷母材的質(zhì)量風(fēng)險，內(nèi)支撐須制作專用夾具將其與壓力鋼管管壁進(jìn)行機械連接。由于管節(jié)直徑大，在吊運過程中存在柔性變形，容易引起周向設(shè)置的夾具脫落，導(dǎo)致內(nèi)支撐整體失穩(wěn)掉落的安全隱患。對此，壓力鋼管內(nèi)支撐優(yōu)化后，避免了壓力鋼管管節(jié)吊運過程中內(nèi)支撐掉落的安全隱患（在三峽、溪洛渡工程都發(fā)生過類似事故）。同時烏東德水電站壓力鋼管為直徑為Φ13.5～11.5m的超大型地下埋管，優(yōu)化內(nèi)支撐后，避免了在壓力鋼管施工完成后作業(yè)人員高空拆除內(nèi)支撐及上下交叉作業(yè) 的安全隱患，施工安全得到了大幅度提高。

5.3節(jié)約投資

5.3.1鋼材用量計算

按照設(shè)計文件烏東德壓力共分245個管節(jié)，每個管節(jié)按照設(shè)置一道“米”字形內(nèi)支撐計算，每道內(nèi)支撐由4根長13.5～11.5m，Φ219×6鋼管與板厚為30mm，8塊250mm×250mm、Φ600鋼板焊接而成。經(jīng)過計算內(nèi)支撐鋼材用量約為406噸，計算過程如下：

W={4×12.5×31.52/1000+〔（3.14×0.32+0.25×0.25）×0.03〕×7.85}×245 =406噸

Φ219鋼管每米重量——31.52kg

鋼板密度——7.85t/m3

注：內(nèi)支撐單根鋼管均按照12.5m計算。

5.3.2投資計算

參照《水利水電設(shè)備安裝工程預(yù)算定額》，壓力鋼管內(nèi)支撐制作、安裝及拆除預(yù)算投入8465.32元/噸，其單價分析詳見表1。

綜上，壓力鋼管內(nèi)支撐優(yōu)化后，可節(jié)約投資共計343.69萬元。

5.4節(jié)省工期

優(yōu)化內(nèi)支撐的施工方案與傳統(tǒng)設(shè)置內(nèi)支撐的壓力鋼管安裝施工方案相比較，節(jié)省了內(nèi)支撐安裝、拆除期間與地下廠房土建施工、機電設(shè)備安裝相互干擾的直線工期，縮短總工期約10天，為左右廠房機組按期投產(chǎn)發(fā)電發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

6結(jié)論

通過理論計算和實際實驗，并且在制造、安裝及澆筑過程中注重細(xì)節(jié)控制;烏東德工程首次在采用800Mpa級高強鋼板制造的超大型壓力鋼管施工中，采用壓力鋼管內(nèi)支撐的優(yōu)化方案，達(dá)到了節(jié)省施工資源投入、加快施工進(jìn)度的目的，安裝施工質(zhì)量良好，完成了水電工程壓力鋼管安裝技術(shù)的一次大膽創(chuàng)新，值得類似工程借鑒和參考。

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中圖分類號：TV672 .2 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2108-5640-2186 第一作者：焦雄，（1982—），男，大學(xué)本科， 工程師

焦雄（1982-），男，漢族，陜西西安人，本科，工程師，只要從事水利水電工程建設(shè)管理。