驮英水库坝后河道电站钢岔管设计

苏宏宽

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

驮英水库位于广西宁明县那堪乡垌中村上游约6 km 的珠江流域西江水系明江支流公安河上游河段，坝址下游距那堪乡28 km，距宁明县城约115 km，是一座以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合利用的大（2）型水库，为广西左江治旱驮英水库及灌区工程的龙头供水水库，水库正常蓄水位226.5 m，总库容2.28 亿m3，有效库容1.512 亿m3。坝后河道电站发电引水隧洞包括进水塔、引水主洞两部分。工程布置从上至下为首部枢纽、引水系统、发电厂、变电站，属中水头引水式电站。电站设计引用流量30.25 m3/s，设计水头60 m，电站总装机容量2×5700 kW+1×1600 kW，年平均发电量3835万kW·h。

根据驮英水库坝后河道电站发电引水隧洞及水电站厂房布置的特点，其钢岔管布置于洞外，采用非对称Y型，材料为16 MnR容器钢。该水电站发电供水方式为1 管3 机斜向供水，另外在1#机组跟2#机组之间设有环境基流管，主管末端总共引接4条支管。主管内径为2.8 m，1#支管及2#支管内径为1.8 m，3#支管内径为1.2 m，4#支管内径为1.0 m。主管与支管之间通过岔管连接，设1#～3#共3 个卜型钢岔管。受现场地形条件及厂房结构布置的等因素的制约，1#～2#支管与主管轴线交角为63.06°，3#支管与主管轴线交角为90°，4#支管由主管变径直接引出，其结构布置如图1所示。

图1 坝后河道电站钢岔管结构布置图

2 岔管设计

2.1 岔管结构选型

根据结构构造和加工方式的不同，目前国内钢岔管主要有内加强月牙肋岔管、三梁岔管、球型岔管和贴边岔管等型式。

（1）月牙肋岔管采用内加强梁，肋梁结构受力较为均匀，可以很好地利用材料强度，一般用于大中型电站，但月牙肋插入较深，在不对称流态下岔管处水头损失较大。

（2）三梁岔管是国内普遍使用的成熟管型，水流条件好，加强梁的承载力有一定的安全储备，焊接工作在管外进行，较适用于中小型岔管。

（3）球型岔管是国外采用较多的管型，结构简单，适用范围广，在国内也逐步推广，支管可以指向任意方向，受力较为均匀，但水头损失较大，往往需设置内导流板，制作安装不便。

（4）贴边岔管一般来用于小直径、低水头、主支管直径相差大的卜型岔管，但这种岔管受力状态复杂，当承受的内水压力较高时，分岔区管壳受到的不平衡内水压力的传递情况和结构应力状况不明确，目前有缺乏可靠的理论计算方法来确定补强尺寸。

本工程最大净水头为60 m，为中水头电站，岔管段管径较小（3.2～1.0 m），经过技术经济多方面比较，结合承包商加工能力及水平，认为三梁岔管技术成熟，水流条件好，制作安装比较方便，利于节省工期，虽加强梁耗钢量相对较大，但考虑本工程工期短、施工强度大等特点，三梁岔管优势较为明显，故予以采用。

根据驮英水库坝后河道电站发电系统的布置，总共设置3 个岔管，其中1#岔管最大管径为3200 mm，2#岔管最大管径为2400 mm，3#岔管最大管径为1000 mm，以下仅用1#岔管作为典型进行分析，其结构布置如图2所示。

图2 1#岔管结构布置图

2.2 岔管壁厚计算

2.2.1 抗内压稳定分析

钢岔管处镇墩为素混凝土结构，仅在表面设置抗裂钢筋，计算过程中不考虑钢筋混凝土与钢衬联合受力，所有内压由钢衬独自承担，按明钢岔管设计。根据《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中7.3.4章节所列的公式计算钢管壁厚t。

钢岔管膜应力区和局部应力区的管壁厚度分别按式（1）和式（2）计算：

式中：K1、K2为计算系数，K1可取1.0～1.1，K2可取1.5～2.0；P为内水压力；r为钢管最大半径；[σ]1、[σ]2为容许应力，取值见《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）表7.2.2；φ为焊缝系数，取值见《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）表6.1.2；α为钢管的半锥顶角。

经计算，钢岔管膜应力区基本组合、特殊组合管壁厚度分别为7、8 mm，钢岔管局部应力区基本组合、特殊组合管壁厚度分别为10、12 mm。按《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中8.1.1 章节的构造要求，钢管最小壁厚应不小于8 mm（不含锈蚀余度2 mm）。从钢管抗内压分析结果来看，钢管壁厚取值为14 mm（含2 mm锈蚀余度）。

2.2.2 抗外压稳定分析

钢岔管按明管设计，钢管壁厚初取14 mm，最大外水压力为0.15 N/mm2，放空负压为0.1 N/mm2，根据《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中6.1.4章节的要求，钢管抗外压稳定安全系数不小于2。

（2）设加劲环时，管壁抗外压稳定分析。加劲环间距一般为管壁厚度的60～240倍，参考类似工程经验，加劲环高取250 mm，厚度20 mm（同主管）。根据布置，1#钢岔管加劲环最大间距2400 mm。根据《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）附录A，设有加劲环的明管，加劲环间管壁的临界外压Pcr可采用米赛斯公式计算，即：

外压除了考虑放空负压外，还考虑下游发生校核洪水时的外水压力，在计算过程中发现在考虑现场施工荷载的条件下除了加设加劲环还要适当增加钢管壁厚才能满足钢管的抗外压稳定要求，经试算钢管最终壁厚调整为18 mm（不含2 mm 锈蚀余度）。加设加劲环条件下钢岔管管壁临界外压Pcr为1.20 MPa，抗外压稳定安全系数为4.02，满足规范要求。因此，本工程钢岔管采用的壁厚为20 mm（含2 mm锈蚀余度）。

2.3 加强梁设计

驮英水库坝后河道电站钢岔管为三梁岔管，其加强梁为1根U梁，两根腰梁（腰梁A、腰梁B），U梁设在两根支管的相贯线位置，腰梁设在主管与支管相贯线位置，U 梁及腰梁在相交位置通过Φ100 mm立柱相连形成加强系统。参考国内其他工程设计经验，本工程U 梁厚度为60 mm，采用变截面结构，截面高度为450～1200 mm；腰梁厚度为60 mm，采用等截面结构，截面高度450 mm。曲面梁内外边缘的应力按《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）附录E中的E2.6-2及E2.6-3进行计算，公式如下：

经计算，钢岔管腰梁A、腰梁B、U梁最大应力分别为62.8、76.8、101.4 MPa，加强构件容许应力控制值[σ]=0.67σs=0.67×325=217.8 MPa。加强梁的最大应力均小于钢材的容许应力，因此，加强梁的强度满足规范要求。

3 结语

在驮英水库坝后河道电站钢岔管设计的过程中，充分考虑了钢岔管的制造安装等因素，并结合电站布置的特点，选择了适合于本工程的钢岔管型式。经结构分析计算，钢岔管结构选型满足其安全性和耐久性的要求，同时管壳及加强梁结构也有一定的安全裕度，可以满足工程运行安全的需要。