水電站壓力管道管材比選及結(jié)構(gòu)設(shè)計范文

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［摘要］恰木薩水電站主要任務(wù)是水力發(fā)電，采用引水式開發(fā)，電站屬于大流量低水頭電站，發(fā)電引用流量358m3/s。壓力管道長455m，因管道規(guī)模較大，對工程的運行安全及投資影響較大，通過對壓力管道管材比選，選擇較優(yōu)的管材形式。

［關(guān)鍵詞］壓力管道；管材比選；結(jié)構(gòu)設(shè)計；恰木薩水電站

1工程概況

恰木薩水電站是葉爾羌河下游河道規(guī)劃梯級開發(fā)中的第2級電站，為徑流式電站，采用引水式開發(fā)，開發(fā)任務(wù)是水力發(fā)電。工程主要由攔河引水樞紐（土石壩、泄洪建筑物、引水閘）、輸水建筑物（輸水渠道）、壓力前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。水庫正常引水位1550.0m，校核洪水位1551.30m，相應(yīng)庫容577萬m3，最大壩高14.5m；主電站發(fā)電流量358.0m3/s，前池正常水位1547.334m，發(fā)電引水系統(tǒng)為引水明渠，全長11.48km，主電站裝機容量200MW；生態(tài)電站發(fā)電流量41.2m3/s，生態(tài)電站裝機容量3MW。多年平均發(fā)電量6.20（5.96+0.24）億kW•h，裝機利用小時數(shù)3054h。電站建成后向南疆四地州電網(wǎng)供電，在電力系統(tǒng)基荷運行。根據(jù)《防洪標準》及《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》，電站裝機容量位于300―50MW之間，由電站裝機容量確定恰木薩水電站工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。主要建筑物為3級建筑物（攔河引水樞紐、引水閘、輸水渠道、前池、壓力管道、廠房及渠道排洪建筑物），次要建筑物為4級建筑物（生態(tài)電站、泄水陡坡、尾水渠等），臨時建筑物為5級建筑物。本工程的特點是大流量低水頭電站，引水渠道引水流量365m3/s（其中發(fā)電引用流量358m3/s），水輪機額定水頭為63.5m，發(fā)電引水系統(tǒng)規(guī)模較大。

2工程地質(zhì)

2.1基本地質(zhì)條件

發(fā)電引水渠道、壓力前池、壓力管道及廠房均位于葉尓羌河左岸沖洪積平原區(qū)，引水線路沿線地形起伏不大，發(fā)育有大小沖溝上百條，切割深度一般5―15m，個別深達25m。引水發(fā)電建筑物區(qū)均為大厚度第四系地層，主要為下更新統(tǒng)西域組礫巖（Q1x）及沖洪積物。（1）第四系下更新統(tǒng)西域組（Q1x）巖性為西域礫巖，局部夾薄層砂巖及砂質(zhì)泥巖透鏡體，層理不明顯，以泥鈣質(zhì)膠結(jié)為主，屬軟巖。（2）第四系堆積物（Q）①第四系中更新統(tǒng)沖積物（Q2al）：巖性為沖積砂卵礫石，具弱-微膠結(jié)，膠結(jié)不均一，局部缺細粒充填，呈架空結(jié)構(gòu)。②第四系上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)沖、洪積物（Q3al+pl）：巖性以砂礫石為主，局部夾薄層低液限粉土及透鏡體，結(jié)構(gòu)密實。③第四系全新統(tǒng)-上更新統(tǒng)洪積物（Q3-4pl）：巖性以含礫（砂）低液限粉土為主，局部夾含土砂礫石及透鏡體，結(jié)構(gòu)中密。④第四系全新統(tǒng)沖積物（Q4al）：分布于現(xiàn)代河床、河漫灘及Ⅰ級階地，巖性為含漂石砂卵礫石層，夾砂層透鏡體。⑤第四系全新統(tǒng)沖洪積物（Q4pl）：主要分布于沖溝底，巖性為含土砂礫石，局部夾厚度約0.5―1.0m含礫（砂）低液限粉土透鏡體。（3）地質(zhì)構(gòu)造發(fā)電引水系統(tǒng)沿線及廠房出露區(qū)為大厚度的第四系地層，工程區(qū)無區(qū)域性斷裂構(gòu)造分布。

2.2壓力管道地質(zhì)條件

壓力管道段地形平坦，地面高程1530―1532m，均為大厚度第四系地層，自上至下可分為三層，上部為含礫（砂）低液限粉土層、中部為含土砂礫石層、下部為砂礫石層。地下位低于設(shè)計底板高程。樁號0+350m以前段大部分處于含礫（砂）低液限粉土層內(nèi)，局部為含土砂礫石層。低液限粉土存在濕陷性、高含鹽、腐蝕性等問題，建議采取相應(yīng)處理措施。樁號0+350m以后段處于砂礫石膠結(jié)層或礫巖層內(nèi)。

2.3地震烈度

根據(jù)GB18306-2015《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(1/400萬)，恰木薩水電站工程區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.2g，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

3壓力管道布置

主電站為四臺等大機組，壓力管道采用正面進水單機單管布置形式，壓力管道前設(shè)有攔污柵、事故檢修閘門，管道從前池沿地面到電站廠房，鋼管垂直進入廠房。因壓力管道較長，采用混凝土管與鋼管結(jié)合的方式，低壓段采用混凝土管，高壓段采用鋼管（斜管段）。由于電站處于寒冷地區(qū)，并處于地震設(shè)計烈度為Ⅷ度的地震區(qū)，綜合考慮壓力鋼管穩(wěn)定及保溫要求，壓力鋼管采用淺埋式鋼內(nèi)襯外包混凝土結(jié)構(gòu)方式。

4壓力管道材質(zhì)比選

4.1方案擬定

本工程發(fā)電引水流量358m3/s，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，基礎(chǔ)濕陷性粉土分布不均勻，無規(guī)律性，壓力管道運行安全對整個電站的安全至關(guān)重要。經(jīng)過研究分析后，對壓力管道管材擬定兩個方案進行比選。方案一：壓力管道由混凝土管和鋼管組成。低壓段采用混凝土管（樁號0+000―0+290m），管道承受內(nèi)壓0.2―0.59MPa（包含甩負荷時水擊壓力升高值）。高壓段采用鋼管（樁號0+290―0+451m），管道承受內(nèi)壓0.59―1.1MPa（包含甩負荷時水擊壓力升高值）。混凝土管長293m、鋼管長162m。混凝土管為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土承擔全部內(nèi)壓，管徑5.4m，襯砌厚度0.6m；鋼管采用鋼內(nèi)襯外包混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管承擔全部內(nèi)壓，管徑5.4m，外包混凝土厚度0.5m。方案二：壓力管道全部采用鋼管，管道承受內(nèi)壓0.2―0.59MPa（包含甩負荷時水擊壓力升高值）。鋼管長455m，鋼管管徑5.4m，外包混凝土厚度0.5m。

4.2方案一

壓力管道布置壓力管道共4根，由混凝土管和鋼管組成，管徑均為5.4m，其中混凝土管長293m、鋼管長162m。進口中心高程為1534.70m，出口中心高程1475.20m，由斜管段、轉(zhuǎn)彎段及下平管段組成，斜管段坡度為1∶5.6、1:40、1:3，每根管道4個豎向轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑均為20m，斜管傾角為10.1°、8.7°、17°、18.4°。樁號0+000―0+290m段為混凝土管段，混凝土管管內(nèi)徑5.4m，襯砌厚度為0.6m。樁號0+290―0+451m段為鋼管段，壓力鋼管采用鋼內(nèi)襯外包混凝土結(jié)構(gòu)，管內(nèi)徑5.4m，外包混凝土厚0.5m，引四條鋼管垂直進副廠房與機組相接。鋼管厚度隨壓力分段變化，鋼管采用Q345C制作，管壁厚度20―24mm。鋼管內(nèi)、外壁表面進行防腐處理；鋼管內(nèi)壁：噴鋅厚度160μm，并在鍍層外噴涂一道環(huán)氧瀝青防銹漆封閉涂料，表面噴涂環(huán)氧瀝青防銹面漆，厚度分別為125、125μm；鋼管外壁：采用無機改性水泥漿防腐，厚度400μm。

4.3方案二

壓力管道布置壓力管道共4根，全部采用鋼管，管徑均為5.4m，管道長455m。管道進口高程、出口高程、轉(zhuǎn)彎段布置及鋼管防腐材料同方案一。鋼管厚度隨壓力分段變化，鋼管采用Q345C制作，樁號0+000―0+290m段為管壁厚度16mm，樁號0+290―0+451m段管壁厚度20―24mm。

4.4工程量及工程投資對比方案

一與方案二樁號0+290―0+451m段均采用鋼管，方案一樁號0+000―0+290m段為混凝土管，方案二樁號0+000―0+290m段為鋼管，因此只針對壓力管道樁號0+000―0+290m段進行工程量及工程投資對比分析。兩個方案壓力管道土石方開挖及填筑量基本接近，工程投資只考慮混凝土、鋼筋、止水、鋼材等主要工程量的直接費，方案一直接費2721萬元，方案二直接費4788萬元。

4.5方案比選分析

針對壓力管道樁號0+000―0+290m段，對混凝土管和鋼管管材比選，從工期、工程投資、運行安全等方面綜合分析比較。（1）從工期考慮，方案一采用混凝土管施工工期較長，施工工藝較復(fù)雜，方案二采用鋼管施工工期較短，施工簡單。（2）從工程量及工程投資上來看，方案一直接費2721萬元，方案二直接費4788萬元，方案一較方案二投資少2066萬元。（3）從工程運行維護方面考慮，方案一和方案二都能滿足安全運行要求。4.5比選結(jié)論方案一和方案二都能滿足設(shè)計及安全運行要求，方案一較方案二投資少2066萬元，方案一工期較方案二長，但壓力管道不是本工程的控制工期，對工程整體工期影響較小，因此推薦方案二為擬定方案。

5壓力管道設(shè)計

壓力管道采用單機單管的單元供水方式，總裝機容量4×50MW，管徑為5.4m，電站額定水頭63.5m。

5.1壓力管道基礎(chǔ)處理

壓力管道基礎(chǔ)濕限性粉土厚度為4―15m，采用換填砂礫石處理。為提高壓力管道基礎(chǔ)的承載力，將壓力管道基礎(chǔ)下的低液限性粉土全部清除，采用砂礫石換填。嚴格控制換填料中粒徑小于0.05mm的土重占總土重的比例不大于6%，以保證換填砂礫料的防凍要求，換填料壓實相對密度Dr≥0.85。

5.2混凝土管設(shè)計

混凝土管管徑5.4m，每10m設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)縫垂直于管道軸線布置。結(jié)構(gòu)縫設(shè)兩道止水，一道采用W型銅片止水，一道采用651型（B-P-300×10）橡膠止水帶。嵌縫材料迎水面至止水之間采用聚氨酯砂漿，止水至襯砌外側(cè)采用聚乙烯閉孔塑料板。混凝土管段基礎(chǔ)低液限性粉土雖已全部換填，但基礎(chǔ)周圍仍然有粉土，且粉土具有腐蝕性，因此混凝土襯砌采用高抗硫酸鹽水泥。混凝土管結(jié)構(gòu)考慮運行期和檢修期兩種工況，計算荷載組合為：運行期：內(nèi)水壓力＋外水壓力＋襯砌自重＋回填土壓力+其他外部荷載（如汽車荷載、行人荷載等）；檢修期：外水壓力＋襯砌自重＋回填土壓力（如汽車荷載、行人荷載等）。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，計算出混凝土管彎矩、軸力、剪力，并進行裂縫寬度控制驗算，根據(jù)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，鋼筋混凝土管處于三類環(huán)境，最大裂縫開展寬度限值為0.3mm。經(jīng)計算，混凝土管管徑5.4m，襯砌厚度0.6m，與縣道公路交叉處襯砌厚度1m。

5.3鋼管設(shè)計

鋼管管徑5.4m，采用鋼內(nèi)襯連續(xù)外包混凝土結(jié)構(gòu)，外包混凝土襯砌厚度0.5m。壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算按照《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》進行，管壁厚度除應(yīng)滿足承載能力的要求外，還應(yīng)根據(jù)制造、運輸、安裝等要求，保證必需的剛度，滿足管壁最小厚度（包括壁厚裕度）的要求。內(nèi)水壓力全部由鋼管承擔，通過對壓力鋼管壁厚計算、管壁及加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定計算，鋼管采用Q345C鋼材，管壁厚度為20―24mm，加勁環(huán)高度200mm，厚度與鋼管壁厚相等，間距2m。

5.4伸縮節(jié)設(shè)計

壓力管道上段基礎(chǔ)為人工換填砂礫石及天然砂礫石，下段基礎(chǔ)為膠結(jié)砂礫石及Q1礫巖，考慮到基礎(chǔ)不均勻沉降，在樁號0+300m處設(shè)伸縮節(jié)。本工程采用波紋管伸縮節(jié)，波紋管伸縮節(jié)應(yīng)保證適應(yīng)沿管軸向位移±30mm、沿管切向位移±50mm、角向位移量±1度要求，承受內(nèi)壓0.65MPa。伸縮節(jié)段沿管軸向長2m（包括連接鋼管），壓力管道管道內(nèi)徑5400mm，與之相連接的鋼管材料與壓力管道管壁材質(zhì)及壁厚相同，采用為Q345C鋼板，壁厚20mm。為滿足運行期檢修條件，根據(jù)吊裝、檢修的所需空間要求，設(shè)伸縮節(jié)檢修井，檢修井底板及邊墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)凈尺寸6.6×8.4×10m（長×寬×高），頂板采用預(yù)制混凝土梁。

5.5其他

為保證壓力管道整體穩(wěn)定性，在水平及豎向轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土管段鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土還應(yīng)承擔內(nèi)水壓力。為滿足防凍要求，壓力管道頂部回填1.5m厚砂礫石，砂礫石回填標準Dr≥0.75。壓力管道永久開挖邊坡與廠房邊坡相連，采用C20預(yù)制網(wǎng)格梁支護。考慮到雨水對基礎(chǔ)的影響，壓力管道兩側(cè)回填坡腳處設(shè)排水溝，并與廠房排水溝相接，將坡面匯水排至尾水渠。考慮到人行方便，在壓力管道左側(cè)坡腳處設(shè)踏步，與廠區(qū)平臺相接。

6結(jié)語

恰木薩水電站發(fā)電引用流量較大，壓力管道規(guī)模較大，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，基礎(chǔ)為濕陷性粉土且分布無規(guī)律性，壓力管道設(shè)計及管材的選取對整個工程的安全及工程投資有較大影響，通過管材比選，選擇采用混凝土管+鋼管的布置形式。

參考文獻：

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作者：陳剛 單位：新疆水利水電勘測設(shè)計研究院