馱英水庫(kù)壩后河道電站鋼岔管設(shè)計(jì)

蘇宏寬

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

馱英水庫(kù)位于廣西寧明縣那堪鄉(xiāng)垌中村上游約6 km 的珠江流域西江水系明江支流公安河上游河段，壩址下游距那堪鄉(xiāng)28 km，距寧明縣城約115 km，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大（2）型水庫(kù)，為廣西左江治旱馱英水庫(kù)及灌區(qū)工程的龍頭供水水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位226.5 m，總庫(kù)容2.28 億m3，有效庫(kù)容1.512 億m3。壩后河道電站發(fā)電引水隧洞包括進(jìn)水塔、引水主洞兩部分。工程布置從上至下為首部樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠、變電站，屬中水頭引水式電站。電站設(shè)計(jì)引用流量30.25 m3/s，設(shè)計(jì)水頭60 m，電站總裝機(jī)容量2×5700 kW+1×1600 kW，年平均發(fā)電量3835萬(wàn)kW·h。

根據(jù)馱英水庫(kù)壩后河道電站發(fā)電引水隧洞及水電站廠房布置的特點(diǎn)，其鋼岔管布置于洞外，采用非對(duì)稱Y型，材料為16 MnR容器鋼。該水電站發(fā)電供水方式為1 管3 機(jī)斜向供水，另外在1#機(jī)組跟2#機(jī)組之間設(shè)有環(huán)境基流管，主管末端總共引接4條支管。主管內(nèi)徑為2.8 m，1#支管及2#支管內(nèi)徑為1.8 m，3#支管內(nèi)徑為1.2 m，4#支管內(nèi)徑為1.0 m。主管與支管之間通過(guò)岔管連接，設(shè)1#～3#共3 個(gè)卜型鋼岔管。受現(xiàn)場(chǎng)地形條件及廠房結(jié)構(gòu)布置的等因素的制約，1#～2#支管與主管軸線交角為63.06°，3#支管與主管軸線交角為90°，4#支管由主管變徑直接引出，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 壩后河道電站鋼岔管結(jié)構(gòu)布置圖

2 岔管設(shè)計(jì)

2.1 岔管結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和加工方式的不同，目前國(guó)內(nèi)鋼岔管主要有內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管、三梁岔管、球型岔管和貼邊岔管等型式。

（1）月牙肋岔管采用內(nèi)加強(qiáng)梁，肋梁結(jié)構(gòu)受力較為均勻，可以很好地利用材料強(qiáng)度，一般用于大中型電站，但月牙肋插入較深，在不對(duì)稱流態(tài)下岔管處水頭損失較大。

（2）三梁岔管是國(guó)內(nèi)普遍使用的成熟管型，水流條件好，加強(qiáng)梁的承載力有一定的安全儲(chǔ)備，焊接工作在管外進(jìn)行，較適用于中小型岔管。

（3）球型岔管是國(guó)外采用較多的管型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，在國(guó)內(nèi)也逐步推廣，支管可以指向任意方向，受力較為均勻，但水頭損失較大，往往需設(shè)置內(nèi)導(dǎo)流板，制作安裝不便。

（4）貼邊岔管一般來(lái)用于小直徑、低水頭、主支管直徑相差大的卜型岔管，但這種岔管受力狀態(tài)復(fù)雜，當(dāng)承受的內(nèi)水壓力較高時(shí)，分岔區(qū)管殼受到的不平衡內(nèi)水壓力的傳遞情況和結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況不明確，目前有缺乏可靠的理論計(jì)算方法來(lái)確定補(bǔ)強(qiáng)尺寸。

本工程最大凈水頭為60 m，為中水頭電站，岔管段管徑較?。?.2～1.0 m），經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)多方面比較，結(jié)合承包商加工能力及水平，認(rèn)為三梁岔管技術(shù)成熟，水流條件好，制作安裝比較方便，利于節(jié)省工期，雖加強(qiáng)梁耗鋼量相對(duì)較大，但考慮本工程工期短、施工強(qiáng)度大等特點(diǎn)，三梁岔管優(yōu)勢(shì)較為明顯，故予以采用。

根據(jù)馱英水庫(kù)壩后河道電站發(fā)電系統(tǒng)的布置，總共設(shè)置3 個(gè)岔管，其中1#岔管最大管徑為3200 mm，2#岔管最大管徑為2400 mm，3#岔管最大管徑為1000 mm，以下僅用1#岔管作為典型進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 1#岔管結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 岔管壁厚計(jì)算

2.2.1 抗內(nèi)壓穩(wěn)定分析

鋼岔管處鎮(zhèn)墩為素混凝土結(jié)構(gòu)，僅在表面設(shè)置抗裂鋼筋，計(jì)算過(guò)程中不考慮鋼筋混凝土與鋼襯聯(lián)合受力，所有內(nèi)壓由鋼襯獨(dú)自承擔(dān)，按明鋼岔管設(shè)計(jì)。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）中7.3.4章節(jié)所列的公式計(jì)算鋼管壁厚t。

鋼岔管膜應(yīng)力區(qū)和局部應(yīng)力區(qū)的管壁厚度分別按式（1）和式（2）計(jì)算：

式中：K1、K2為計(jì)算系數(shù)，K1可取1.0～1.1，K2可取1.5～2.0；P為內(nèi)水壓力；r為鋼管最大半徑；[σ]1、[σ]2為容許應(yīng)力，取值見(jiàn)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）表7.2.2；φ為焊縫系數(shù)，取值見(jiàn)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）表6.1.2；α為鋼管的半錐頂角。

經(jīng)計(jì)算，鋼岔管膜應(yīng)力區(qū)基本組合、特殊組合管壁厚度分別為7、8 mm，鋼岔管局部應(yīng)力區(qū)基本組合、特殊組合管壁厚度分別為10、12 mm。按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）中8.1.1 章節(jié)的構(gòu)造要求，鋼管最小壁厚應(yīng)不小于8 mm（不含銹蝕余度2 mm）。從鋼管抗內(nèi)壓分析結(jié)果來(lái)看，鋼管壁厚取值為14 mm（含2 mm銹蝕余度）。

2.2.2 抗外壓穩(wěn)定分析

鋼岔管按明管設(shè)計(jì)，鋼管壁厚初取14 mm，最大外水壓力為0.15 N/mm2，放空負(fù)壓為0.1 N/mm2，根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）中6.1.4章節(jié)的要求，鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)不小于2。

（2）設(shè)加勁環(huán)時(shí)，管壁抗外壓穩(wěn)定分析。加勁環(huán)間距一般為管壁厚度的60～240倍，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，加勁環(huán)高取250 mm，厚度20 mm（同主管）。根據(jù)布置，1#鋼岔管加勁環(huán)最大間距2400 mm。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）附錄A，設(shè)有加勁環(huán)的明管，加勁環(huán)間管壁的臨界外壓Pcr可采用米賽斯公式計(jì)算，即：

外壓除了考慮放空負(fù)壓外，還考慮下游發(fā)生校核洪水時(shí)的外水壓力，在計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在考慮現(xiàn)場(chǎng)施工荷載的條件下除了加設(shè)加勁環(huán)還要適當(dāng)增加鋼管壁厚才能滿足鋼管的抗外壓穩(wěn)定要求，經(jīng)試算鋼管最終壁厚調(diào)整為18 mm（不含2 mm 銹蝕余度）。加設(shè)加勁環(huán)條件下鋼岔管管壁臨界外壓Pcr為1.20 MPa，抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)為4.02，滿足規(guī)范要求。因此，本工程鋼岔管采用的壁厚為20 mm（含2 mm銹蝕余度）。

2.3 加強(qiáng)梁設(shè)計(jì)

馱英水庫(kù)壩后河道電站鋼岔管為三梁岔管，其加強(qiáng)梁為1根U梁，兩根腰梁（腰梁A、腰梁B），U梁設(shè)在兩根支管的相貫線位置，腰梁設(shè)在主管與支管相貫線位置，U 梁及腰梁在相交位置通過(guò)Φ100 mm立柱相連形成加強(qiáng)系統(tǒng)。參考國(guó)內(nèi)其他工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程U 梁厚度為60 mm，采用變截面結(jié)構(gòu)，截面高度為450～1200 mm；腰梁厚度為60 mm，采用等截面結(jié)構(gòu)，截面高度450 mm。曲面梁內(nèi)外邊緣的應(yīng)力按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）附錄E中的E2.6-2及E2.6-3進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

經(jīng)計(jì)算，鋼岔管腰梁A、腰梁B、U梁最大應(yīng)力分別為62.8、76.8、101.4 MPa，加強(qiáng)構(gòu)件容許應(yīng)力控制值[σ]=0.67σs=0.67×325=217.8 MPa。加強(qiáng)梁的最大應(yīng)力均小于鋼材的容許應(yīng)力，因此，加強(qiáng)梁的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

在馱英水庫(kù)壩后河道電站鋼岔管設(shè)計(jì)的過(guò)程中，充分考慮了鋼岔管的制造安裝等因素，并結(jié)合電站布置的特點(diǎn)，選擇了適合于本工程的鋼岔管型式。經(jīng)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，鋼岔管結(jié)構(gòu)選型滿足其安全性和耐久性的要求，同時(shí)管殼及加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)也有一定的安全裕度，可以滿足工程運(yùn)行安全的需要。