加纳布维水电站坝下游面明钢管设计
路前平，费秉宏，廖春武，鹿宁
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065
加纳布维水电站主坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高108m，发电厂房为坝后式地面厂房，电站装机3台，单机容量13.33万kW，总装机容量40万kW。加纳布维水电站由中国电建总承包，其引水钢管采用坝后明钢管，是我国工程设计人员设计的首例大直径的坝后式明钢管。相对坝后背管，坝后明钢管有便于施工及造价低的优势。本文旨在总结、介绍加纳布维水电站压力钢管的设计，对我国钢管的设计有借鉴作用。
1 工程简介
布维水电站工程位于加纳（Ghana）西部的黑沃尔特（Black Volta）河上，距下游的沃尔特湖约150km，坝址以上控制流域面积12.3万km2，坝址处多年平均流量为207m3/s，多年平均年径流量为65.23亿m3，工程主要开发任务为发电。
布维水电站主要包括位于布维峡谷中段的主坝、坝后厂房和位于主坝右岸两个垭口中的1、2号副坝。水库正常蓄水位高程183.00m，正常蓄水位以下库容为125.7亿m3；死水位高程168.00m，极限死水位高程160.00m，极限死水位以下库容为48.5亿m3，调节库容77.20亿m3。
布维水电站工程主坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程185.00m，最大坝高108m，坝顶长492.50m，宽7m。溢洪道位于主坝坝顶中部偏右岸，共分5孔，总溢流宽度75m。电站进水口位于主坝坝顶中部偏左岸，电站采用“一机一管”的供水方式，引水钢管采用坝坡明钢管，钢管直径为6.5m；电站厂房位于主坝左岸，为坝后式地面厂房，厂内装有3台单机容量为133MW的水轮发电机组，总装机容量为400MW。
1号副坝为土质心墙堆石坝，坝顶高程187.00m，最大坝高56m。2号副坝为均质坝，坝顶高程同1号副坝，最大坝高7m。
布维水电站于2008年8月开工，于2013年4月实现第一台机组发电，于2013年12月全部三台机组投产。
2 压力钢管布置及结构设计
2.1 压力钢管布置
布维水电站采用“一机一管”的供水方式，引水压力钢管由上平段、上弯段、斜直段、下弯段和下平段组成，其中斜直段采用坝后管槽内的明钢管型式，详见图1～图3。明管段钢管直径6.5m，最大设计水头78.5m。钢管壁厚22～25mm，加劲环间距3m，支承环间距6m，支座采用滑动支座；明管段伸缩节采用波纹管，设置于压力钢管斜直段顶部。钢管在穿过厂坝缝处采用垫层管，以适应厂坝间的不均匀沉降并减小因此引起的钢管内力。
图1 引水发电系统纵剖面图（单位：m）
图2
图3
2.2 钢管结构设计
布维水电站压力钢管管节根据总承包商运输要求、工地起吊安装能力及节省材料的原则确定，明管段共16节，单节长度2.4m。内水压力按1台机组甩全负荷工况控制，机组甩全负荷时，明钢管斜直段底部断面处最大内水压力为78.5m。明管段抗外压稳定计算安全系数加劲环间管壁及加劲环均取2，坝内埋管加劲环间管壁和加劲环取1.8，抗外压稳定计算只考虑管道放空检修工况，管道放空检修外压按0.1MPa设计。
根据计算结果，压力钢管采用16MnR（Q345R）钢，管壁厚度最终确定为22～25mm，其中计算厚度为19mm及22mm。压力钢管上弯段厚度为22mm，斜直段及下弯段均为25mm。为了保证钢管有足够的刚度，使其在吊装、运输及安装过程中不致于产生过大的变形，在所有管节上都加设了间距3000mm，高200mm，厚25mm的加劲环。经计算，其最大整体膜应力为123MPa，其最大局部膜应力127.94MPa，其最大局部膜应力+弯曲应力为136.37MPa，均小于规范限值。
2.3 伸缩节布置及结构设计
布维水电站伸缩节设置于压力钢管斜直段顶部，距离上弯段末端约3m。伸缩节采用金属波纹管，波纹管伸缩节具有轴向不小于40mm的变形伸缩量，管轴线竖直面内及水平面内能适应不小于0.1°的角变位。
对于坝后式的钢管，伸缩节一般都布置于斜直段的末端，这样的布置，有利于减小压力钢管的应力。由于总承包商考虑到施工安装方便的原因，建议伸缩节位置放在压力钢管斜直段顶部。因此对布维水电站伸缩节的位置做了对比研究。经比较，当伸缩节在压力钢管斜直段顶部时，各种工况下其最大轴向位移量为10.7mm；当伸缩节在压力钢管斜直段底部时，各种工况下其最大轴向位移量为10.79mm，轴向位移相差不大。同时，也对比了伸缩节位置变化对钢管应力的影响，以斜直段末端断面为例，当伸缩节在压力钢管斜直段顶部时，各种工况下其最大Mises应力为161.70MPa；当伸缩节在压力钢管斜直段底部时，各种工况下其最大Mises应力为158.0MPa，两者的应力水平比较接近。因此，从设计角度来说，伸缩节无论放置于顶部还是底部，对钢管应力及轴向位移的影响都是有限的，都是可以接受的。但是将伸缩节置于顶部，极大的方便了施工，缩短了压力钢管安装的工期。
2.4 支承环滑动支座结构设计
布维水电站压力钢管明管段共设置了5个支承环平面滑动支座，支座间距6m。支座大样见图4。
图4 支承环滑动支座（单位：mm）
支承环采用侧支承形式，支承环高200mm，宽300mm。在支座部位采用滑动支承。在支承环支柱底部焊接钢板，在混凝土墩座上预埋钢板，在上下两块钢板间各增设一块不锈钢板，在两块不锈钢板间设置聚四氟乙烯滑板。
支承环滑动支座采用有限元程序进行了计算，支承环最大Mises应力为130.28MPa，支承环支腿最大Mises应力为165.56MPa，支承环及支腿应力均在规范允许范围内。
3 结语
加纳布维水电站压力钢管斜直段采用明钢管设计，明钢管中心线位于坝坡坡面上，金属波纹管式伸缩节布置于斜直段顶部，采用支承环滑动支座支承，这样的设计在布维水电站大直径压力钢管的布置中成功应用，降低了布维水电站压力钢管的施工难度，缩短了工期，同时也减少大量混凝土及钢筋，取得很大的经济效益。