超高水头电站压力管道计算分析及方案选定

王兴云

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 工程概况

南极洛河水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡，是南极洛河与巴东河合并开发的水电站。电站最大设计静水头1087m，设计引用流量9.6m3/s，装机容量86MW(43MW×2)，设计年发电量3.911亿kW·h。工程于2012年8月开工，2015年12月两台机组均投入试运行。目前已安全运行两年半。

电站压力管道采用洞内埋管布置方式。管道直径为1.6～1.2m(高程2253.5m以上直径1.6m，高程2253.5m以下为直径1.5～1.2m渐变)，直径1.2m主管内流速为7.16m/s。从调压井竖井中心线算至岔点水平投影全长1508.49m，桩号G0+000～G1+508.49，管道实际长度1989.41m。调压井后G0+000～G0+012段为12m长为钢筋砼衬砌渐变段。渐变段末端以后为洞内埋钢管，桩号G0+012～G1+508.49。压力管道由8段平洞和7段斜井组成，斜井与水平面夹角45°～50°。7个斜井采用开挖断面为直径3.0～2.8m的圆形断面，8个平洞采用3.0m×3.0城门洞型，钢管安装后钢管与隧洞间用C20砼回填，平洞段洞顶120°范围内进行回填灌浆。

2 专题研究目的

电站地下埋管具有钢管直径小、作用水头超高的特点。专题研究的主要目的在于：根据规范进行强度设计，确定地下埋管各管段的管壁厚度；根据规范对埋藏式压力钢管抗外压稳定性进行分析，提出钢管加劲环断面尺寸和间距以及提高抗外压稳定性的其它措施；为地下埋管的设计提供计算依据和合理化建议，进而选定最终方案。

3 压力钢管计算分析

3.1 基础资料

3.1.1 压力管道布置

压力管道纵剖面如图1—2所示。

3.1.2 钢材

钢材为Q345R和610MPa级高强钢两种。钢材的抗力限值见表1。

表1 主管钢材的抗力限值(允许应力)表

3.1.3 围岩工程地质

压力管道通过的地层以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主，考虑到爆破等因素影响，建议参数：Ⅲ类围岩f=3，k0=25MPa/cm。

3.1.4 内水压力、外水压力

设计内水压力由两台机组同时甩全负荷工况控制。压力钢管末端水击压力按最大静水压力的15%考虑，假定水击压力沿管轴线按直线分布。

根据管线布置和原地下水位线初步拟定引水钢管外水压力值。

3.1.5 初始缝隙

根据规范计算或初步假定施工缝隙Δ0、钢管冷缩缝隙ΔS和围岩冷缩缝隙ΔR，再将三者相加即可得到钢管内半径为800、750、700、650、600mm时地下埋管钢衬、混凝土、岩石之间的总缝隙值分别为0.59、0.57、0.56、0.54、0.52mm。

3.2 计算方法

3.2.1 强度设计

钢管承受内压设计是在已知内水压力、初始缝隙、钢管半径、围岩弹性抗力系数和钢材允许应力的情况下，确定钢衬所需要的厚度t，计算公式为：

(1)

根据式(1)所确定的钢衬厚度t还必须满足管壁最小厚度的要求，即

(2)

根据内压所确定的管壁厚度实际上是式(1)、(2)中的大值。

在地下埋管设计时，如果要考虑钢衬与围岩联合承载，必须保证岩层覆盖厚度满足以下两个条件：

Hr≥6r5

(3)

p2≤γrHrcosα

(4)

式中，Hr—岩层覆盖厚度，m；γr—围岩容重；α—斜井轴线与水平面的夹角；r5—开挖半径；p2—相应于缝隙值最小(本计算取δs2为0)和围岩单位抗力系数取上限值K01时围岩分担的最大内压力值。

如果覆盖厚度满足式(3)要求，而不满足式(4)要求，则令=γrHrcosα，按下式确定管壁厚度t：

(5)

如果钢管覆盖厚度不满足(3)式的要求，则不计岩石抗力，用明管抗力限值(Q345R钢材为188MPa)计算管壁厚度，计算公式如下。

(6)

按式(1)确定管壁厚度，实质上就是考虑了钢管与围岩联合承载，它要求在钢管安装完毕后，进行细致的回填灌浆、接缝灌浆以及固结灌浆。由于固结灌浆工作量大，工期长，而且需要在钢管上开孔，影响钢管质量。尤其对于管径小、水头高的钢管，有时为加快施工进度、避免管壁上开孔而取消固结灌浆，按单独承担全部内水压力进行设计，即在式(1)中令K0=0，但采用埋管的抗力限值。在此条件下，虽然钢材用量有所增加，但由于节省了固结灌浆的费用和工期，有时仍然是经济的。

图1 压力管道纵剖面图1/2

图2 压力管道纵剖面图2/2

3.2.2 抗外压稳定

根据内压确定的管壁厚度按光面管计算临界外压，计算公式如下：

(7)

如光面管不满足要求，再假定加劲环的间距和截面尺寸，分别计算加劲环间管壁的临界外压和加劲环本身的临界外压。加劲环本身的临界外压采用如下公式计算：

(8)

式中，σs—钢材屈服强度，应根据DL/T 5141—2001《水电站压力钢管设计规范》中表6.1.4-1fsk取值。对于Q345R钢材，当钢板厚度为16～36mm时，fsk取325MPa；对于610MPa级高强钢，fsk取410MPa；AR—加劲环有效截面积(包括管壁等效翼缘)；r—钢管内半径；L—加劲环间距，由设计外水压力确定。

在进行光面管的稳定计算时，取抗外压稳定安全系数为2.0；而在进行加劲环间管壁和加劲环本身的稳定计算时，取抗外压稳定安全系数为1.8。

3.3 计算成果及分析

3.3.1 强度计算结果

压力管道各断面按照联合承载和单独承载强度计算结果见表2。表2中仅选取每个平洞末端断面。

3.3.2 设计成果分析

3.3.2.1 钢管与围岩联合承载设计

(1)1#～7#断面采用管壁最小结构厚度8mm，就可以满足承受内压的要求。

表2 压力管道强度设计成果

(2)所有断面钢管上覆盖岩层厚度均能满足式(3)的要求，但许多断面不满足式(4)的要求，仍可以按埋管联合承载进行设计。钢管埋深越大，围岩承担的内水压力也越大。在27#断面之前采用Q345R钢材，管壁厚度可以控制在32mm以内；在27#断面之后采用610MPa级高强钢，管壁厚度可以控制在24mm以内。

(3)经计算，地下埋管3#～10#断面按强度设计确定的钢管壁厚大多不能满足抗外压稳定要求；为此，应适当增加管壁厚度或设置加劲环以满足管壁抗外压稳定要求。

3.3.2.2 钢管单独承载设计

(1)1#～5#断面采用管壁最小结构厚度8mm，就可以满足承受内压的要求。

(2)在27#断面之前采用Q345R钢材，管壁厚度可以控制在34mm以内；在27#断面之后采用610MPa级高强钢钢材，管壁厚度可以控制在28mm以内。

(3)地下埋管4#、5#断面按强度设计确定的钢管壁厚，不能满足抗外压稳定的要求。

4 方案选定

由专题分析计算成果可以得出如下结论，并应用于设计方案选定。

(1)若按钢管和围岩联合承载设计，Q345R钢管段管壁厚度可控制在32mm以内，钢管T/D小于2.13%，高强钢管段管壁厚度可控制在24mm以内，钢管T/D小于2.0%，满足高强钢T/D<2.08%的要求。若按钢管单独承载进行设计，Q345R钢管段管壁厚度可以控制在34mm以内，钢管T/D小于2.27%；高强钢管段管壁厚度可以控制在28mm以内，钢管T/D小于2.33%，略高于高强钢T/D<2.08%的要求。

(2)按钢管单独承载进行设计所需要的钢管厚度大于联合承载设计，一般在2～4mm以内，钢材消耗较大，但有利于钢管加工、简化灌浆工艺、加快施工进度和缩短工期。

(3)即便光面管可满足抗外压稳定要求，但根据规范要求，转弯处仍然需要设加劲环，其他直管段每隔10～20m也要求设一个加劲环，或根据吊运要求设置。

(4)建议在钢管外壁设置排水管等措施，以降低外水压力。

(5)根据专题研究成果，设计单位考虑到超高水头地下埋管不宜开孔接触灌浆，最终选择按钢管单独承载(钢管许用应力按地下埋管)进行设计。设计方案有利于钢管加工、简化灌浆措施、加快施工进度和缩短工期。目前电站已安全运行两年半，实践表明是成功的。

5 结语

对高水头电站，是按联合承载还是钢管单独承载设计，应视钢管水头、围岩特性、工期影响、成本效益等多方面因素进行综合比选。本工程为国内超高水头电站的典型代表，对同类工程具有较好的参考借鉴意义。