吉牛水电站压力管道结构设计

曾海钊，杨斌，陈子海

1 引言

吉牛水电站位于四川省丹巴县境内的革什扎河上，是革什扎河规划中的第四个梯级，为低闸引水式电站。水库正常蓄水位2378.00m，总库容 197.5万m³，具有日调节性能。引水线路全长22.377km，额定引用流量60.28m³/s。电站装机2台，总装机容量240MW，为单一发电工程，无灌溉、防洪等要求。

2 压力管道布置

2.1 地质条件

压力管道布置于微风化—新鲜岩体中，围岩为志留系第四岩组（Smx⁴）薄—中层二云英片岩、二云片岩夹石英岩，岩石软硬相间，岩层产状N40°～60°W/NE∠50°～70°（与压力管道小角度相交），以Ⅳ类围岩为主（断层破碎带属Ⅴ类）。覆盖层深度约12m，坡度较抖，垂直向夹角约45°。压力管道采用埋藏式，钢板衬砌。

2.2 压力管道布置

引水系统主要由有压引水隧洞、调压井、蝶阀室和压力管道等建筑物组成。

鉴于压力管道区的地质条件较差、管道所承受的内水压力较大，压力管道布置设计中设置三个斜段减短高压段的长度，力求降低管道内水压力，以减薄钢板厚度和减少钢材量，缩短支洞的长度节省工期。结合调压井及厂房的布置，压力管道在平面上设置了2 个转弯点，在立面上设置了6个转弯点（即3个斜井）。采用一条主管经一个Y形岔管分成两条支管分别向厂房内2 台机组供水的联合供水布置方式。压力管道由上平段、上斜井段、上中平段、中斜井段、下中平段、下斜井段和下平段以及岔、支管段组成。（管）0+003.400～（管）1+049.2139为主管段，其后为岔支管段；主管内径3.8m，支管内径2m。

压力管道纵剖面布置见图1。

3 压力管道结构设计

3.1 水锤计算

压力管道设计内水压力按调压室最高涌浪水位及压力管道水锤升压分析确定。压力管道最大水锤升压出现在运行工况为库水位2378.00m，两台机满负荷运行时，突然丢弃全部负荷的情况，此时导叶有效关闭时间T_s=130s，取压力波传播速度为c=1200m/s，经计算最大水锤升压为第一相水锤，其水锤升压系数ζ小于0.1，水锤升压系数ζ按0.1取值，最大升压水头ΔH=50.725m，压力管道承受最大内压为5.58MPa。

压力管道最大水锤降压出现在运行工况为库水位2375.00m，第一台机满负荷运行、第二台机组负荷由Q=0增至满负荷运行的情况，此时导叶开启时间按T_s=130s计算，取压力波传播速度为c=1200m/s，经计算最大水锤降压为第一相水锤，其水锤降压系数η小于0.1，水锤降压系数η按0.1取值，最大降压水头ΔH=50.425m，结合调压室最底涌浪，压力管道上平段末端压力为0.072MPa。

3.2 结构设计

综合考虑管道水头损失、钢材量等因素，确定主管经济管径为3.8m，支管经济内径为2m。因该电站的设计水头较高、管道沿线地质条件较差，经技术经济比较，压力管道全线采用了钢板衬砌。为了节省钢材用量，针对压力管道沿线的内外水压力大小和相应地质条件，分段选用不同材质的钢板：以（管）0+426.00m为界，其上游管段采用Q345R 钢材，下游管段钢材采用600MPa级高强钢。

鉴于压力管道沿线所承受的内水压力较大，为0.07～5.58MPa（含水锤压力），具体分布见表1。由于内水压力为控制工况，且管道区岩性复杂，受构造、埋深影响，岩体风化卸荷强烈且破碎，围岩稳定性总体较差，因此钢板混凝土衬砌结构设计中主要采取了如下原则。

3.2.1 主管段结构设计

主管按地下埋管且由钢管单独承载设计，埋管段管外回填60cm 厚C20 素混凝土。钢管管壁厚度计算公式按《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）附录B公式，即

式中 t——钢管管壁厚度，mm；

P——内水压力设计值，N/mm²；

r——钢管内半径，mm；

σ_R——钢材抗力限值，N/mm²；

f——钢材强度设计值，N/mm²；

γ₀——结构重要性系数，取1.0；

ψ——设计状况（持久状况取1.0）；

γ_d——结构系数，见表2。

钢材的抗力限值σ_R计算结果见表2。

3.2.2 岔支管段结构设计

受厂区枢纽布置和岔支管运输安装通道等因素的影响，靠近厂房部分的岔支管段为明管外包钢筋混凝土，考虑岔管的受力复杂性和结构重要性，岔支管按明管设计。

将主管和支管的内水压力设计值P及其他参数代入上述公式进行计算，经计算，管0+003.400～（管）0+426.000m段Q345R采用板厚为14～28mm，经复核在运行状态下管壁的最大应力为222MPa＜σ_R（231MPa/242MPa）；（管）0+426.000～（管）1+049.214m段600MPa级高强钢采用板厚为24～40mm，经复核，运行状态下管壁的最大应力为312MPa＜σ_R（315MPa）。

3.2.3 钢管承受外压的弹性稳定设计

压力管道施工期无外水，进行承受外压的弹性稳定计算时，外水压力按弱风化下限的0.6倍考虑，钢管外壁在每间隔1.5m设置了一个高15cm加劲环，加劲环间管壁临界抗外压稳定P_cr按米赛斯公式计算。

（1）加劲环间管壁的抗外压稳定。

临界外压P_cr按米赛斯公式：

式中 P_cr——抗外压稳定临界压力计算值，N/mm²；

E_s——钢材弹模，取为2.06×10⁵N/mm²；

μ_s——钢材的泊松比，取为0.3；

t——钢管厚度，mm；

l——加劲环间距，mm；

n——相应于最小临界压力的波数。

（2）加劲环的抗外压稳定。

临界外压可采用下式计算

A_R=ha+t［a+1.56（rt）^1/2］

式中 σ_s——钢材屈服点，N/mm²；

A_R——加劲环有效截面面积，mm²；

h——加劲环高度，mm；

a——加劲环厚度，mm；

其余符号意义同前。

经计算，加劲环间管壁的临界外压为1.238～4.538MPa，满足抗外压稳定要求；加劲环自身的临界外压为1.30～1.49MPa，考虑回填混凝土对加劲环的嵌固作用，其抗外压稳定满足要求。

4 灌浆设计

4.1 回填灌浆

为使钢衬外的回填混凝土与围岩紧密贴合，以使围岩承受一部分内水压力并保证围岩压力均匀传递于衬砌上，对压力管道主管顶拱进行了回填灌浆设计。

在压力管道管壁顶拱开设回填灌浆孔，采用1 孔或2孔交替布置，1孔时在管顶，2孔时孔中心线夹角为70°，对称于管中心铅垂线，排距1.5m。

根据现场的生产性灌浆试验结果，结合加劲环间管壁和加劲环自身的抗外压能力，为保证灌浆效果，回填灌浆压力采用0.2～0.5MPa。

4.2 接触灌浆

为增强回填混凝土与钢板接触面间的结合能力，对压力管道埋管段钢板衬砌进行了接触灌浆设计。接触灌浆孔采用1 孔或2 孔交替布置，1 孔时在管底，2孔时孔中心线夹角为70°，对称于管中心铅垂线，排距200cm。根据现场的生产性灌浆试验结果，结合加劲环间管壁和加劲环自身的抗外压能力，为保证灌浆效果，接触灌浆压力为0.1～0.2MPa。回填及接触灌浆孔布置见图2。

5 结语

吉牛水电站于2013 年12 月底对引水系统进行充水并发电，水电站运行情况良好。

参考文献

［1］DL/T 5141—2001水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2002.