高落差明敷供水管路支架系統(tǒng)探討

李勝兵，陳丁力，曹春建，方 丹

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站裝機(jī)容量16 000 MW，是世界在建最大的水電站，裝機(jī)容量僅次于三峽水電站。樞紐橫跨四川、云南兩省，運(yùn)行期供水范圍廣，包括了左/右岸、壩址上/下游的生活、消防、綠化用水以及部分機(jī)組發(fā)電生產(chǎn)用水。

為了提高水輪發(fā)電機(jī)組主軸密封供水，地下廠房內(nèi)的深井泵潤滑供水以及中壓空壓機(jī)冷卻供水的可靠性，擬定由運(yùn)行期水廠為兩岸地下廠房各提供一路水源，該路水源同時(shí)提供地下廠房所需要的消防用水與少量生活用水；另一路水源則取自兩岸地下廠房內(nèi)的技術(shù)供水系統(tǒng)，經(jīng)多級(jí)過濾后使用。

1.1 問題的來歷

在選擇供水管線路徑時(shí)，由于本電站樞紐布置特點(diǎn)，兩岸進(jìn)廠交通洞洞口位于壩址下游，距離運(yùn)行期水廠較遠(yuǎn)，若通過進(jìn)廠交通洞為地下廠房供水，則兩岸各需要增加約4.8 km和6.3 km的供水管線；同時(shí)增加沿程水力損失較多，增加了設(shè)施投資和運(yùn)行費(fèi)用。所以最終選擇了以兩岸出線豎井水平段的交通洞作為引入點(diǎn)，通過上段和下段豎井分別向出線場和地下廠房供水的供水管線路徑方案，如圖1所示。

圖1 地下廠房和出線場供水管線路徑示意

出線豎井內(nèi)壁混凝土厚度約為1 m，初擬按照埋入混凝土井壁的方式進(jìn)行供水管道敷設(shè)。由于后期出線豎井采用了滑膜施工[1]的方案，在井壁內(nèi)埋設(shè)立管的施工非常困難，施工質(zhì)量也難以保證。最終本工程改為明管敷設(shè)的方案，如圖2所示。

圖2 出線豎井典型平面示意

該供水管線路徑和敷設(shè)方式節(jié)約了投資、減少了運(yùn)行費(fèi)用，但給豎井內(nèi)管道布置和敷設(shè)帶來了挑戰(zhàn)。在左岸下段豎井、右岸上段豎井和下段豎井中，以右岸上段豎井內(nèi)直線垂直布置的管道最高，達(dá)到約300 m，施工條件最為苛刻。

1.2 豎井內(nèi)垂直敷設(shè)明管應(yīng)用概況

在水電行業(yè)中，泰安抽水蓄能電站220 kV出線井中敷設(shè)的高差217 m的消防管為最高的垂直敷設(shè)明管。在民用行業(yè)，超過100 m的建筑一般都會(huì)在避難層設(shè)置中轉(zhuǎn)，即垂直敷設(shè)明管一般不超過100 m；經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在其他工業(yè)行業(yè)內(nèi)，沒有達(dá)到300 m級(jí)的垂直敷設(shè)明管的報(bào)道。調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 直線垂直明敷供水管路調(diào)研結(jié)果 m

2 主要技術(shù)問題

據(jù)了解，某水電站一處豎井內(nèi)的垂直明敷管道發(fā)生滲水，滲水量呈現(xiàn)季節(jié)性變化。由于對(duì)這樣超大敷設(shè)高差的明管缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為避免出現(xiàn)上述滲水問題，有必要開展針對(duì)性的理論分析和計(jì)算工作。本工程著重從以下幾個(gè)方向開展工作。

(1)如果設(shè)置中轉(zhuǎn)層，則會(huì)增加投資和增加土建施工的困難，舍棄該方案；又由于出線豎井內(nèi)狹小的布置空間限制，無法進(jìn)行“蛇形”的管道敷設(shè)布置，舍棄該方案。因此，豎井內(nèi)的明管按照“垂直敷設(shè)、無中轉(zhuǎn)”考慮。

(2)對(duì)于垂直敷設(shè)的明管，管道的固定方式和溫度補(bǔ)償方式是核心內(nèi)容，關(guān)乎方案的成敗。固定方式有兩端固定和單端固定，溫度補(bǔ)償方式有補(bǔ)償器補(bǔ)償和U形彎補(bǔ)償。

(3)進(jìn)行管道和支座受力的理論分析和計(jì)算。

(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果和布置的可行性，最終選擇出線豎井內(nèi)的垂直敷設(shè)明管方案。

3 理論分析和計(jì)算結(jié)果

右岸出線場供水管在上段豎井內(nèi)846.9 m高程折彎向上垂直布置，在井口1 145.3 m高程轉(zhuǎn)回水平布置，垂直敷設(shè)高度約298 m，為出線豎井垂直敷設(shè)明管中最大高差的管段，見圖3；管道直徑為100 mm，管道最大溫差按照20℃考慮，水平抗震動(dòng)參數(shù)值為0.25g，垂直抗震動(dòng)參數(shù)值為0.125g。豎井內(nèi)部空間局促，管道在豎井內(nèi)呈直線垂直布置。限于篇幅，下文以該管段為例，分析以下幾種布置方式(狀態(tài))的受力狀態(tài)。

圖3 出線豎井內(nèi)管道布置剖面示意(單位：m)

3.1 兩端固定管道

兩端設(shè)置固定支座如圖4所示，由于在管道長(高)度方向無法自由伸縮，故在管道溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)有溫變應(yīng)力產(chǎn)生。由于管道底部支座同時(shí)承受重力作用，所以，以底部固定支座為例，計(jì)算結(jié)果見表2。其中:①管道重力包括管道和法蘭連接件2個(gè)部分，按照2個(gè)固定支座分擔(dān)考慮；②管道地震載荷考慮管道和水體的質(zhì)量，按照垂直載荷2個(gè)固定支座分擔(dān)，水平載荷滑動(dòng)支座分擔(dān)考慮；③在不考慮法蘭連接件影響的情況下，計(jì)算溫度變化產(chǎn)生的溫變應(yīng)力，管道和管道支座受力。

圖4 兩端固定管道受力示意

表2 兩端固定管道受力計(jì)算結(jié)果

3.2 單端固定管道

單端設(shè)置固定支座如圖5所示，由于在管道長(高)度方向可以伸縮，故在管道溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的溫變應(yīng)力很小。以底部固定支座為例，計(jì)算結(jié)果參見表3。其中：①管道重力包括管道和法蘭連接件兩個(gè)部分，按照1個(gè)固定支座獨(dú)立承擔(dān)考慮；②管道地震載荷考慮管道和水體的質(zhì)量，按照垂直載荷1個(gè)固定支座承擔(dān)，水平載荷滑動(dòng)支座分擔(dān)考慮；③在不考慮法蘭連接件和補(bǔ)償器影響的情況下，計(jì)算溫度變化產(chǎn)生的溫變長度、管道和管道支座受力。

表3 單端固定管道受力計(jì)算結(jié)果

圖5 單端固定管道受力簡圖示意

3.3 滑動(dòng)支座水平力計(jì)算

在理想狀態(tài)下，垂直敷設(shè)的管道滑動(dòng)支座僅承受水平地震載荷。但管道安裝必然存在著偏差，在GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》[2]中規(guī)定立管安裝的鉛垂度需要滿足0.5%L的要求，在GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》[3]中規(guī)定立管安裝的鉛垂度需要滿足0.2%L的要求。參照上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)0.2%L和其中最大允許偏差的2倍(1.0%L)2種情況進(jìn)行了受力計(jì)算，結(jié)果見表4。其中：①水平地震載荷按照不均勻系數(shù)為3考慮；②垂直方向載荷考慮分擔(dān)垂直方向地震載荷、溫變應(yīng)力載荷和重力載荷。

表4 滑動(dòng)支座水平力

3.4 計(jì)算結(jié)果比較分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用兩端固定支座時(shí)，由于溫變產(chǎn)生的垂直方受力遠(yuǎn)大于單端固定支座，所以，其水平分量比率也大很多，滑動(dòng)支座最大水平總載荷為1.7 kN；當(dāng)采用單端固定支座時(shí)，滑動(dòng)支座的水平總載荷主要為地震載荷，最大水平總載荷為0.52 kN?？傮w而言，滑動(dòng)支座所承受的水平載荷水平不高。但管道設(shè)計(jì)和施工過程中需要注意“滑動(dòng)支座”需要能夠“滑”。

當(dāng)采用兩端固定支座(或多個(gè)固定支座)時(shí)，管道溫變應(yīng)力達(dá)到68 MPa，底部固定支座因溫變產(chǎn)生的垂直方向受力達(dá)到120 kN，垂直方向總受力達(dá)到170 kN，對(duì)于管道和固定支座的影響非常大。初步分析某電站豎井內(nèi)管道在冬季發(fā)生滲水，正是因?yàn)橛捎跍刈儜?yīng)力[4]引發(fā)法蘭連接處變形造成密封破壞。而對(duì)于單端設(shè)置固定支座的管道，底部固定支座垂直方向總受力僅為76 kN(未考慮補(bǔ)償器產(chǎn)生的推力)。所以，從支座受力和管道應(yīng)力來看，選擇單端設(shè)置固定支座為宜。在自由狀態(tài)下，管道溫變伸長量達(dá)到了101 mm；同時(shí)，管道溫變應(yīng)力大，也不宜采用分散受力的管道支座系統(tǒng)。

綜合以上計(jì)算分析結(jié)果，選擇單端固定支座系統(tǒng)為宜。

4 混凝土鎮(zhèn)墩

根據(jù)300 m級(jí)豎井內(nèi)供水管路垂直明敷的特點(diǎn)，通過方案比較，采用單端固定支座系統(tǒng)對(duì)于供水管道手里情況更優(yōu)，這對(duì)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的要求。由于鎮(zhèn)墩需要垂直固定在豎井井壁襯砌混凝土上，并要求能夠穩(wěn)定有效的為管路提供反力，這與一般的水平鎮(zhèn)墩完全不同。

根據(jù)豎井混凝土滑模施工與垂直式鎮(zhèn)墩的特點(diǎn)，本文提出采用鋼-混組合式鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)，見圖6。在第1階段井壁混凝土滑模施工時(shí)，預(yù)埋鋼板制作鋼牛腿形成混凝土鎮(zhèn)墩施工的基座，同時(shí)為保證混凝土鎮(zhèn)墩與井壁混凝土緊密結(jié)合，在滑模施工時(shí)在井壁預(yù)留插筋；在第2階段供水管路敷設(shè)時(shí)，在鋼牛腿上架設(shè)工字鋼作為鎮(zhèn)墩底模，并隨著管路的敷設(shè)澆筑鎮(zhèn)墩；第3階段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，與鋼牛腿形成鋼-混組合式鎮(zhèn)墩，共同為管路提供固定約束。鋼-混組合式鎮(zhèn)墩是在現(xiàn)場施工組織方式的基礎(chǔ)上，充分考慮超高豎井管路明敷荷載特點(diǎn)提出的一種創(chuàng)新型鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)，既可以滿足現(xiàn)場施工安裝要求，且能夠持久有效的確保管路的運(yùn)行安全。

圖6 鋼-混組合式鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)示意

5 方案選擇

選擇單端固定支座系統(tǒng)，需要對(duì)管道的溫變伸長(縮短)量進(jìn)行補(bǔ)償。由于豎井內(nèi)布置空間的限制，采用伸縮節(jié)進(jìn)行溫變補(bǔ)償；又由于井口和井底管道布置條件限制和需要增加伸縮節(jié)數(shù)量，未采用水平段角補(bǔ)償?shù)姆绞剑捎昧嗽诖怪倍芜M(jìn)行軸向補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

300 m級(jí)的直線垂直敷設(shè)供水管道，無論從設(shè)計(jì)、安裝施工來講都缺少以往經(jīng)驗(yàn)的依托，為了確保管道敷設(shè)的安全性，采取了以下工程措施：①采用頂部懸吊方式，以降低管道失穩(wěn)的可能性[5]；②為了減小單個(gè)伸縮節(jié)的補(bǔ)償量和進(jìn)一步減小管道失穩(wěn)的可能性，參照《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]相關(guān)規(guī)定，每隔約60 m設(shè)置了一個(gè)固定支座；③由于豎井采用了滑膜施工，不宜埋設(shè)支座的基礎(chǔ)板；④滑動(dòng)支座受力較小，采用后置式安裝方式，即采用錨栓固定于井壁；⑤固定支座受力大，采用了后期施工的混凝土支座。豎井底部設(shè)有防水淹報(bào)警系統(tǒng)，信號(hào)傳輸至全廠中控室，可對(duì)管道非正常滲漏工況及時(shí)預(yù)警。

6 結(jié) 論

白鶴灘水電站單段豎井最高達(dá)約300 m，由于在豎井中垂直敷設(shè)的明管缺少工程經(jīng)驗(yàn)，故本文分析研究高落差明敷供水管道設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過本文的分析，確定了“單端固定管道、滑動(dòng)支座伸縮節(jié)補(bǔ)償”的基本設(shè)計(jì)思路，為了減小工程風(fēng)險(xiǎn)，確定了頂部懸吊和分段實(shí)施的施工方案。分析可知，對(duì)于溫度變化大的管道，溫變應(yīng)力是不可以被忽略的，宜在進(jìn)行管道敷設(shè)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮給與溫度變形量的補(bǔ)償。根據(jù)現(xiàn)有補(bǔ)償器產(chǎn)品的性能參數(shù)，理論上可以對(duì)300 m的水電站供水管道進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但對(duì)于滑動(dòng)支座設(shè)計(jì)和制作、管道安裝施工的要求較高。