高落差明敷供水管路支架系统探讨

李胜兵，陈丁力，曹春建，方 丹

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概况

白鹤滩水电站装机容量16 000 MW，是世界在建最大的水电站，装机容量仅次于三峡水电站。枢纽横跨四川、云南两省，运行期供水范围广，包括了左/右岸、坝址上/下游的生活、消防、绿化用水以及部分机组发电生产用水。

为了提高水轮发电机组主轴密封供水，地下厂房内的深井泵润滑供水以及中压空压机冷却供水的可靠性，拟定由运行期水厂为两岸地下厂房各提供一路水源，该路水源同时提供地下厂房所需要的消防用水与少量生活用水；另一路水源则取自两岸地下厂房内的技术供水系统，经多级过滤后使用。

1.1 问题的来历

在选择供水管线路径时，由于本电站枢纽布置特点，两岸进厂交通洞洞口位于坝址下游，距离运行期水厂较远，若通过进厂交通洞为地下厂房供水，则两岸各需要增加约4.8 km和6.3 km的供水管线；同时增加沿程水力损失较多，增加了设施投资和运行费用。所以最终选择了以两岸出线竖井水平段的交通洞作为引入点，通过上段和下段竖井分别向出线场和地下厂房供水的供水管线路径方案，如图1所示。

图1 地下厂房和出线场供水管线路径示意

出线竖井内壁混凝土厚度约为1 m，初拟按照埋入混凝土井壁的方式进行供水管道敷设。由于后期出线竖井采用了滑膜施工[1]的方案，在井壁内埋设立管的施工非常困难，施工质量也难以保证。最终本工程改为明管敷设的方案，如图2所示。

图2 出线竖井典型平面示意

该供水管线路径和敷设方式节约了投资、减少了运行费用，但给竖井内管道布置和敷设带来了挑战。在左岸下段竖井、右岸上段竖井和下段竖井中，以右岸上段竖井内直线垂直布置的管道最高，达到约300 m，施工条件最为苛刻。

1.2 竖井内垂直敷设明管应用概况

在水电行业中，泰安抽水蓄能电站220 kV出线井中敷设的高差217 m的消防管为最高的垂直敷设明管。在民用行业，超过100 m的建筑一般都会在避难层设置中转，即垂直敷设明管一般不超过100 m；经查阅相关文献，在其他工业行业内，没有达到300 m级的垂直敷设明管的报道。调研结果如表1所示。

表1 直线垂直明敷供水管路调研结果 m

2 主要技术问题

据了解，某水电站一处竖井内的垂直明敷管道发生渗水，渗水量呈现季节性变化。由于对这样超大敷设高差的明管缺少实践经验，为避免出现上述渗水问题，有必要开展针对性的理论分析和计算工作。本工程着重从以下几个方向开展工作。

(1)如果设置中转层，则会增加投资和增加土建施工的困难，舍弃该方案；又由于出线竖井内狭小的布置空间限制，无法进行“蛇形”的管道敷设布置，舍弃该方案。因此，竖井内的明管按照“垂直敷设、无中转”考虑。

(2)对于垂直敷设的明管，管道的固定方式和温度补偿方式是核心内容，关乎方案的成败。固定方式有两端固定和单端固定，温度补偿方式有补偿器补偿和U形弯补偿。

(3)进行管道和支座受力的理论分析和计算。

(4)根据计算结果和布置的可行性，最终选择出线竖井内的垂直敷设明管方案。

3 理论分析和计算结果

右岸出线场供水管在上段竖井内846.9 m高程折弯向上垂直布置，在井口1 145.3 m高程转回水平布置，垂直敷设高度约298 m，为出线竖井垂直敷设明管中最大高差的管段，见图3；管道直径为100 mm，管道最大温差按照20℃考虑，水平抗震动参数值为0.25g，垂直抗震动参数值为0.125g。竖井内部空间局促，管道在竖井内呈直线垂直布置。限于篇幅，下文以该管段为例，分析以下几种布置方式(状态)的受力状态。

图3 出线竖井内管道布置剖面示意(单位：m)

3.1 两端固定管道

两端设置固定支座如图4所示，由于在管道长(高)度方向无法自由伸缩，故在管道温度发生变化时，会有温变应力产生。由于管道底部支座同时承受重力作用，所以，以底部固定支座为例，计算结果见表2。其中:①管道重力包括管道和法兰连接件2个部分，按照2个固定支座分担考虑；②管道地震载荷考虑管道和水体的质量，按照垂直载荷2个固定支座分担，水平载荷滑动支座分担考虑；③在不考虑法兰连接件影响的情况下，计算温度变化产生的温变应力，管道和管道支座受力。

图4 两端固定管道受力示意

表2 两端固定管道受力计算结果

3.2 单端固定管道

单端设置固定支座如图5所示，由于在管道长(高)度方向可以伸缩，故在管道温度发生变化时，产生的温变应力很小。以底部固定支座为例，计算结果参见表3。其中：①管道重力包括管道和法兰连接件两个部分，按照1个固定支座独立承担考虑；②管道地震载荷考虑管道和水体的质量，按照垂直载荷1个固定支座承担，水平载荷滑动支座分担考虑；③在不考虑法兰连接件和补偿器影响的情况下，计算温度变化产生的温变长度、管道和管道支座受力。

表3 单端固定管道受力计算结果

图5 单端固定管道受力简图示意

3.3 滑动支座水平力计算

在理想状态下，垂直敷设的管道滑动支座仅承受水平地震载荷。但管道安装必然存在着偏差，在GB 50235—2010《工业金属管道工程施工规范》[2]中规定立管安装的铅垂度需要满足0.5%L的要求，在GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》[3]中规定立管安装的铅垂度需要满足0.2%L的要求。参照上述标准，对0.2%L和其中最大允许偏差的2倍(1.0%L)2种情况进行了受力计算，结果见表4。其中：①水平地震载荷按照不均匀系数为3考虑；②垂直方向载荷考虑分担垂直方向地震载荷、温变应力载荷和重力载荷。

表4 滑动支座水平力

3.4 计算结果比较分析

由上述计算结果可知，当采用两端固定支座时，由于温变产生的垂直方受力远大于单端固定支座，所以，其水平分量比率也大很多，滑动支座最大水平总载荷为1.7 kN；当采用单端固定支座时，滑动支座的水平总载荷主要为地震载荷，最大水平总载荷为0.52 kN。总体而言，滑动支座所承受的水平载荷水平不高。但管道设计和施工过程中需要注意“滑动支座”需要能够“滑”。

当采用两端固定支座(或多个固定支座)时，管道温变应力达到68 MPa，底部固定支座因温变产生的垂直方向受力达到120 kN，垂直方向总受力达到170 kN，对于管道和固定支座的影响非常大。初步分析某电站竖井内管道在冬季发生渗水，正是因为由于温变应力[4]引发法兰连接处变形造成密封破坏。而对于单端设置固定支座的管道，底部固定支座垂直方向总受力仅为76 kN(未考虑补偿器产生的推力)。所以，从支座受力和管道应力来看，选择单端设置固定支座为宜。在自由状态下，管道温变伸长量达到了101 mm；同时，管道温变应力大，也不宜采用分散受力的管道支座系统。

综合以上计算分析结果，选择单端固定支座系统为宜。

4 混凝土镇墩

根据300 m级竖井内供水管路垂直明敷的特点，通过方案比较，采用单端固定支座系统对于供水管道手里情况更优，这对镇墩结构设计提出了严苛的要求。由于镇墩需要垂直固定在竖井井壁衬砌混凝土上，并要求能够稳定有效的为管路提供反力，这与一般的水平镇墩完全不同。

根据竖井混凝土滑模施工与垂直式镇墩的特点，本文提出采用钢-混组合式镇墩结构，见图6。在第1阶段井壁混凝土滑模施工时，预埋钢板制作钢牛腿形成混凝土镇墩施工的基座，同时为保证混凝土镇墩与井壁混凝土紧密结合，在滑模施工时在井壁预留插筋；在第2阶段供水管路敷设时，在钢牛腿上架设工字钢作为镇墩底模，并随着管路的敷设浇筑镇墩；第3阶段混凝土达到设计强度后，与钢牛腿形成钢-混组合式镇墩，共同为管路提供固定约束。钢-混组合式镇墩是在现场施工组织方式的基础上，充分考虑超高竖井管路明敷荷载特点提出的一种创新型镇墩结构，既可以满足现场施工安装要求，且能够持久有效的确保管路的运行安全。

图6 钢-混组合式镇墩结构示意

5 方案选择

选择单端固定支座系统，需要对管道的温变伸长(缩短)量进行补偿。由于竖井内布置空间的限制，采用伸缩节进行温变补偿；又由于井口和井底管道布置条件限制和需要增加伸缩节数量，未采用水平段角补偿的方式，而采用了在垂直段进行轴向补偿的方式。

300 m级的直线垂直敷设供水管道，无论从设计、安装施工来讲都缺少以往经验的依托，为了确保管道敷设的安全性，采取了以下工程措施：①采用顶部悬吊方式，以降低管道失稳的可能性[5]；②为了减小单个伸缩节的补偿量和进一步减小管道失稳的可能性，参照《给水排水设计手册》[6]相关规定，每隔约60 m设置了一个固定支座；③由于竖井采用了滑膜施工，不宜埋设支座的基础板；④滑动支座受力较小，采用后置式安装方式，即采用锚栓固定于井壁；⑤固定支座受力大，采用了后期施工的混凝土支座。竖井底部设有防水淹报警系统，信号传输至全厂中控室，可对管道非正常渗漏工况及时预警。

6 结 论

白鹤滩水电站单段竖井最高达约300 m，由于在竖井中垂直敷设的明管缺少工程经验，故本文分析研究高落差明敷供水管道设计方案。经过本文的分析，确定了“单端固定管道、滑动支座伸缩节补偿”的基本设计思路，为了减小工程风险，确定了顶部悬吊和分段实施的施工方案。分析可知，对于温度变化大的管道，温变应力是不可以被忽略的，宜在进行管道敷设方案设计时考虑给与温度变形量的补偿。根据现有补偿器产品的性能参数，理论上可以对300 m的水电站供水管道进行温度补偿，但对于滑动支座设计和制作、管道安装施工的要求较高。