长寨水电站压力钢管设计

杨学宏

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

长寨水电站位于贵州省六枝特区中寨乡长寨办事处的月亮河下游河段，电站装机15 MW，多年平均发电量6 118万kW·h。水电站枢纽工程由混凝土重力坝和引水发电系统组成，电站为无压引水式发电工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》和《防洪标准》的规定，工程等别为Ⅳ等，规模为小（一）型工程，主要建筑物按4级设计，次要建筑物按5级设计。正常蓄水位955 m，调节库容13.3万m3。

2 工程总布置

工程包括大坝、导流排沙洞、引水发电洞、压力前池、压力钢管及电站厂房。

大坝为埋石混凝土重力坝，由挡水坝段、溢流坝段组成，枢纽左岸自上而下布置有发电引水隧洞、导流排沙洞。重力坝坝高32.5 m，长97.4 m，其中溢流坝段长50 m，其余为挡水坝段。坝顶高程962.6 m，坝顶宽度4.0 m。大坝为自由溢流，堰顶高程955.0 m，设3 m×14 m溢流表孔，最大泄量1 373 m3/s。溢流堰闸墩以上设4.8 m宽的交通桥，桥面高程962.7 m。

导流排沙洞布置于左坝肩，位于发电引水隧洞下游，总长124.54 m，为塔式进水口，由引渠段、闸室段、隧洞段和出口扩散段组成，进口底高程943.50 m。

引水发电洞由引水隧洞、压力前池及压力钢管组成。隧洞进口布置于导流排沙洞上游，总长3.839 km，由进口闸室、无压隧洞及出口组成，其中进水闸室长7.4 m，无压引水隧洞长3.832 km。

压力前池总长23.5 m，由渐变段、前室及进水室组成，进水室底高程944.0 m。

压力钢管主管长556 m，内径1.8 m，管坡1∶1.3～1∶3.2；三条支管分别长 10 m，10 m，18 m，内径 0.8 m。

电站主厂房长54 m，宽15 m，总高15.7 m，由主机间和安装间组成，安装间地面高程755.1 m，发电机层地面高程749.3 m。副厂房布于主厂房后右侧，宽6 m，呈折线布置。主变压器及变电站均布置于厂房后右侧的开挖平台上，地面高程均为755.1 m。

3 管坡工程地质

压力管道由前池顺小梁山脊左侧坡至电站，水电站地处贵州高原中西部，属剥蚀溶蚀中低山地貌，区内沟谷深切，山崖陡峻，岩溶发育，地势北西高、南东低，主要出露二叠系、三叠系地层和第四系洪冲积物和残坡积物。压力管道桩号0+000～0+390段，管基为强风化P2β玄武岩，地表局部堆积有残坡积碎石混合土层。1～7号镇墩位于该段，建议镇墩基础设置在5 m以下的风化基岩上。桩号0+390～0+535段，地表岩性为第四系残坡积碎石混合土，其下为P2l灰黑色砂质页岩、炭质页岩及中厚层砂岩和石灰岩。桩号0+445～0+535段管底处于地下水位以下，该段管基位于弱风化基岩中，8～11号镇墩位于该段，主要存在开挖边坡稳定性及施工排水问题。

4 压力钢管设计

4.1 压力管道布置

电站共布3台机组，总装机15 MW，钢管供水方式为一管三机，设计流量9.03 m3/s。管材采用16 Mn，主管内径1.8 m，壁厚分别为14 mm和18 mm两种规格，支、岔管内径0.7 m，壁厚14 mm。

压力前池到水电站厂房高程差约190 m，山梁坡度 18°～37°，平均 24°，适合布置明管。明管管路自然边坡布置，平面上布置为直线，纵断面上设置8个转折，分别由镇墩连接。前池进口处压力管道中心线高程944.9 m，水电站厂房进口高程748.10 m，钢管全长556 m，沿线按地形地质条件分为9段，倾角（从上至下） 依次为 28.99°，17.55°，28.71°，38.15°，23.11°，35.44°，0°，28.67°，0°。管道全线设伸缩节 9 个，一般位于镇墩下游侧，沿管线设3个φ600人孔。管线均处于地下水位之上，出露地层主要为P2β玄武岩及砂质页岩。

管坡开挖宽度由支墩宽度确定。根据管坡地形特点，在管坡右侧设排水沟宽0.4 m，深0.3 m，排水沟内侧设1.2 m宽人行道，管坡总宽度为4.72 m。管槽底部距钢管底部 0.8 m，管槽基岩 1∶0.75，覆盖层 1∶1.0。

4.2 管径确定

电站设计引用流量9.03 m3/s，水头202.5 m，管线较长，故管径对工程造价有较大影响。根据水头损失，结合水机要求和工程造价等综合因素分析，确定主引水管管径为1.8 m，相应的管内流速为3.55 m/s，在规定的经济流速范围内。

4.3 钢管壁厚

管壁厚度按管壁承受内水压力的箍拉力公式计算，钢管采用16 Mn，管壁厚度及其分段见表1。

表1 压力钢管钢种及管壁厚度统计表

4.4 水力计算

压力钢管水力计算包括水头损失和水锤压力计算两部分。水头损失包括从压力前池进水室至水轮机球阀的局部损失和沿程损失。

4.5 镇墩和支墩

镇墩为重力式结构，按构造要求初步确定尺寸，再校核沿底面滑动的稳定性，并计算基础应力分布。为防止开裂，镇墩内层（管壁外侧）和外层适当配筋。镇墩内钢管设止推环，并配置锚筋。为保证基础稳定可靠，镇墩底部均置于原位岩层上。

主管镇墩共设8个，间距41.78～122 m，平面最大尺寸7.2 m×5.6 m，岔管及支管镇墩分别为3个。支墩采用鞍型，滚动支座，间距10 m，平面尺寸1.10 m×2.62 m，共设42个。

钢管首部镇墩为压力前池压力墙，按镇墩进行计算；尾部镇墩与电站厂房连接，其稳定性和基础应力以厂房计算控制。

镇墩抗滑稳定安全系数采用抗剪公式计算，摩擦系数0.5，计算工况按温升、温降两种工况控制，计算成果见表2，表中数值为两种工况条件下的控制工况计算值。

表2 镇墩稳定计算成果

规范允许的镇墩抗滑稳定安全系数为1.5，由表中数据可知，镇墩的抗滑稳定性全部满足规范要求；压力墙、1—7号镇墩基础为P2β玄武岩，地基承载力0.8 MPa；8—11号基岩为砂质页岩，地基承载力0.5 MPa，基地应力满足地基承载力要求。

5 结语

压力钢管作为引水式电站的一个重要组成部分，钢管尺寸的选取对电站造价影响很大，因此压力钢管的设计至关重要。目前长寨水电站工程已全部施工，投入运行，压力钢管运行良好。