丰满水电站压力钢管布置研究
刘锋
中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021
贾晶岩
黑龙江西沟水电站 黑龙江 黑河市 161400
树立
中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021
丰满水电站发电引水建筑物由进水口和压力钢管两部分组成。进水口为坝式进水口，压力钢管采用单机单管布置，后接坝后式厂房。由于压力钢管直径较大，钢管结构受力复杂，直接影响了坝体的应力分布。同时，进水口下部的重力坝采用碾压混凝土结构，钢管布置型式对施工方案、施工工期亦有较大影响。因此需要对压力钢管布置型式进行比选研究，分析各方案的利弊，确定最合理的压力钢管布置型式。根据压力钢管埋置于坝体内的深度，设计时拟定了坝后背管、垫层式浅埋管和坝内埋管3种布置方案进行比选。最后，综合考虑各种利弊，本工程推荐采用了垫层式浅埋管方案。
1 概述
丰满水电站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上，控制流域面积为42500km2。水电站枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、左岸泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、过鱼设施及利用的原三期水电站组成。丰满工程为一等工程，工程规模为大（1）型。水库正常蓄水位263.50m，死水位242.00m，校核洪水位268.50m，总库容103.77亿m3。新建水电站安装6台单机容量为200MW的水轮发电机组，利用三期2台单机容量140MW的机组，总装机容量1480MW，多年平均发电量17.09亿kW·h。
丰满水电站引水建筑物布置在20～25号坝段，由进水口和压力管道两部分组成。进水口底板高程222.00m，沿水流方向依次布置拦污栅、检修闸门和事故闸门。电站采用单机单管引水形式，压力钢管直径8.8m，单机引用流量390.23m3/s，管内流速6.42m/s。压力钢管采用垫层式浅埋管，钢管斜管段与坝面平行，管顶外包混凝土最小厚度1.5m。大坝施工时采用预留钢管槽方案，预留槽宽度和深度均为11.8m，采用C30F200混凝土回填，管顶混凝土外缘与大坝下游面齐平。厂房采用坝后式厂房，机组安装高程190.04m。
2 方案拟定
由于该工程压力钢管直径较大，钢管结构受力复杂，直接影响了坝体的应力分布。同时，进水口下部的重力坝采用碾压混凝土结构，钢管布置型式对施工方案、施工工期亦有较大的影响。因此，根据压力钢管埋置于坝体内深度，设计时拟定了3种布置方案进行比选。
方案1：坝后背管方案，压力钢管1/4埋入坝体内。
方案2：垫层式浅埋管方案，压力钢管全部埋入坝体内，外包混凝土最小厚度为1.5m，在斜管段和厂坝分缝处管道周围设置软垫层。
方案3：坝内埋管方案，压力钢管全部埋入坝体内，外围混凝土最小厚度大于钢管直径。
3 方案布置
各方案引水建筑物布置基本相同，根据压力钢管埋置于坝体内深度的不同，各方案进水口及引水坝段混凝土浇筑方式稍有差别，其主要差别见表1。
表1 压力钢管布置型式比选进水口及引水坝段主要差别
各方案压力钢管布置如下。
3.1 方案1（坝后背管方案）
坝后背管采用浅埋管的结构布置型式，钢管下部埋入下游坝坡面1/4的钢管直径，为2.2m。坝体施工时，坝坡面上预留3.7m深的钢管槽。
压力管道全长88.32m，由上平段、上弯段、斜管段、下弯段、下平段组成。上平段长6.85m，管道中心线高程226.40m；上弯段和下弯段长均为16.32m，转弯角度53.1°，转弯半径17.60m；斜管段长27.85m；下平段长度20.98m，管道中心线高程190.04m。下平段钢管四周均设置软垫层。
方案1布置如图1所示。
3.2 方案2（垫层式浅埋管方案）
垫层式浅埋管方案钢管全部埋入坝体，钢管顶部与下游坝坡面之间混凝土厚度1.5m。坝体施工时，坝坡面上预留11.8m深的钢管槽。
图1 坝后背管方案压力钢管布置图（单位：m）
压力管道全长76.06m，由上斜段、上弯段、斜管段、下弯段、下平段组成。上斜段长2.34m，与水平向夹角为15°；上弯段长11.71m，转弯角度38.1°，转弯半径17.60m；斜管段长24.59m；下弯段长16.32m，转弯角度53.1°，转弯半径17.60m；下平段长21.10m，管道中心线高程190.04m。上弯段和斜管段，钢管顶部外包220°软垫层。下平段钢管四周均设置软垫层。
方案2布置如图2所示。
图2 垫层式浅埋管方案压力钢管布置图（单位：m）
3.3 方案3（坝内埋管方案）
坝内埋管方案钢管全部埋入坝体，钢管顶部与下游坝坡面之间混凝土最小厚度为8.94m。
压力管道全长71.3m，由上弯段、斜管段、下弯段、下平段组成。上弯段长11.71m，转弯角度38.1°，转弯半径17.6m；斜管段长12.86m；下弯段长16.32m，转弯角度53.1°，转弯半径17.6m；下平段长30.41m，管道中心线高程190.04m。下平段钢管四周均设置软垫层。
方案3布置如图3所示。
图3 坝内埋管方案压力钢管布置图（单位：m）
4 方案比选
4.1 对坝体结构影响
方案3的管道全部埋于坝体内，由钢管与坝体共同承担内水压力，钢管周围混凝土配有受力钢筋，这种管道构造简单，在管径和内水压力不大时安全可靠。但该工程压力管道直径为8.8m，额定水头为57m，坝内开孔削弱了坝体，对坝体应力分布影响较大；同时采用预留钢管槽浇筑坝体时，预留槽尺寸较大，又会影响坝体应力和初期蓄水。
方案1、方案2压力钢管仅上平段穿过坝体，主体部分均沿坝下游面铺设，避免或缓解了坝体开孔引起的坝体应力恶化，有利于保证坝体安全。
4.2 钢管结构构造处理
方案1、方案2的上弯段结构受力条件复杂，管坝接缝面需做特殊处理，要设置键槽和大量的过缝钢筋。方案3由于上弯段和管坝接缝位置均在坝内，无需特殊处理。
4.3 施工方案
方案1、方案2压力钢管施工方案基本相同（仅方案2大坝预留槽较深），均在坝体碾压混凝土施工时预留钢管槽。钢管设有两个始装节，靠近下弯段的一节作为第一始装节，靠近上弯管的一节斜管作为第二始装节。引水坝段碾压混凝土浇筑到高程200.00m后，先进行下游侧第一始装节的安装。待引水坝段混凝土浇筑到高程218.00m后，进行第二始装节的安装。钢管吊运采用布置在大坝上游高程215.00m的SDTQ1800/60型门机和布置在厂、坝之间高程206.25m的SDTQ1260/60型门机完成。
方案3压力钢管施工与坝体混凝土施工交替进行。下弯管的第一节作为始装节，钢管吊运采用布置在厂、坝之间的栈桥门机完成，栈桥高程208.00m。
从施工方案上看，方案1、方案2施工程序简单，施工干扰小，有利于尽早形成坝体度汛面貌，钢管吊运设备布置简单；而方案3坝体需同时进行常态混凝土、碾压混凝土浇筑及压力钢管的安装，施工程序复杂，施工干扰大，坝体上升速度受到制约，不利于尽早形成坝体度汛面貌，钢管吊运设备布置相对困难。
4.4 施工工期
方案1、方案2坝体各年度汛面貌及施工工期基本相同，在完成压力钢管上平段安装后即可进行上部坝体混凝土施工，上部坝体基本可做到全断面均匀上升。方案3压力钢管安装与坝体混凝土浇筑施工需同步均匀上升，施工工序复杂、施工干扰大，发电引水坝段上升速度较慢，施工净工期较长。为满足第4、5年溢流坝段过流度汛要求，需控制溢流坝段浇筑速度。压力钢管布置型式比选各方案施工度汛面貌及施工工期见表2。
表2 压力钢管布置型式比选各方案度汛面貌及施工工期
续表
由于方案3引水坝段施工不能满足第4年新坝缺口度汛的要求，限制了预留坝体缺口高程，影响了大坝的上升，使得首台机组发电推迟，总工期较前两个方案增长了10个月。
4.5 工程直接费用
压力管道布置型式比选各方案工程直接费用为：方案1为92613万元，方案2为89554万元，方案3为91382万元。
5 比选结论
综上所述，3个方案均适用于该工程，各有优缺点。从对坝体结构影响、施工方案、施工工期看，方案1、方案2优于方案3。从钢管结构构造处理看，方案3优于方案1、方案2。从投资上看，方案2工程直接费用与方案1、方案3相比，分别节省了3059万元和1828万元。综合考虑各种利弊，该工程推荐采用方案2，即垫层式浅埋管方案。