長(zhǎng)寨水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)

楊學(xué)宏

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

長(zhǎng)寨水電站位于貴州省六枝特區(qū)中寨鄉(xiāng)長(zhǎng)寨辦事處的月亮河下游河段，電站裝機(jī)15 MW，多年平均發(fā)電量6 118萬(wàn)kW·h。水電站樞紐工程由混凝土重力壩和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，電站為無(wú)壓引水式發(fā)電工程。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，工程等別為Ⅳ等，規(guī)模為小（一）型工程，主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。正常蓄水位955 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容13.3萬(wàn)m3。

2 工程總布置

工程包括大壩、導(dǎo)流排沙洞、引水發(fā)電洞、壓力前池、壓力鋼管及電站廠房。

大壩為埋石混凝土重力壩，由擋水壩段、溢流壩段組成，樞紐左岸自上而下布置有發(fā)電引水隧洞、導(dǎo)流排沙洞。重力壩壩高32.5 m，長(zhǎng)97.4 m，其中溢流壩段長(zhǎng)50 m，其余為擋水壩段。壩頂高程962.6 m，壩頂寬度4.0 m。大壩為自由溢流，堰頂高程955.0 m，設(shè)3 m×14 m溢流表孔，最大泄量1 373 m3/s。溢流堰閘墩以上設(shè)4.8 m寬的交通橋，橋面高程962.7 m。

導(dǎo)流排沙洞布置于左壩肩，位于發(fā)電引水隧洞下游，總長(zhǎng)124.54 m，為塔式進(jìn)水口，由引渠段、閘室段、隧洞段和出口擴(kuò)散段組成，進(jìn)口底高程943.50 m。

引水發(fā)電洞由引水隧洞、壓力前池及壓力鋼管組成。隧洞進(jìn)口布置于導(dǎo)流排沙洞上游，總長(zhǎng)3.839 km，由進(jìn)口閘室、無(wú)壓隧洞及出口組成，其中進(jìn)水閘室長(zhǎng)7.4 m，無(wú)壓引水隧洞長(zhǎng)3.832 km。

壓力前池總長(zhǎng)23.5 m，由漸變段、前室及進(jìn)水室組成，進(jìn)水室底高程944.0 m。

壓力鋼管主管長(zhǎng)556 m，內(nèi)徑1.8 m，管坡1∶1.3～1∶3.2；三條支管分別長(zhǎng) 10 m，10 m，18 m，內(nèi)徑 0.8 m。

電站主廠房長(zhǎng)54 m，寬15 m，總高15.7 m，由主機(jī)間和安裝間組成，安裝間地面高程755.1 m，發(fā)電機(jī)層地面高程749.3 m。副廠房布于主廠房后右側(cè)，寬6 m，呈折線布置。主變壓器及變電站均布置于廠房后右側(cè)的開(kāi)挖平臺(tái)上，地面高程均為755.1 m。

3 管坡工程地質(zhì)

壓力管道由前池順小梁山脊左側(cè)坡至電站，水電站地處貴州高原中西部，屬剝蝕溶蝕中低山地貌，區(qū)內(nèi)溝谷深切，山崖陡峻，巖溶發(fā)育，地勢(shì)北西高、南東低，主要出露二疊系、三疊系地層和第四系洪沖積物和殘坡積物。壓力管道樁號(hào)0+000～0+390段，管基為強(qiáng)風(fēng)化P2β玄武巖，地表局部堆積有殘坡積碎石混合土層。1～7號(hào)鎮(zhèn)墩位于該段，建議鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)設(shè)置在5 m以下的風(fēng)化基巖上。樁號(hào)0+390～0+535段，地表巖性為第四系殘坡積碎石混合土，其下為P2l灰黑色砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及中厚層砂巖和石灰?guī)r。樁號(hào)0+445～0+535段管底處于地下水位以下，該段管基位于弱風(fēng)化基巖中，8～11號(hào)鎮(zhèn)墩位于該段，主要存在開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性及施工排水問(wèn)題。

4 壓力鋼管設(shè)計(jì)

4.1 壓力管道布置

電站共布3臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)15 MW，鋼管供水方式為一管三機(jī)，設(shè)計(jì)流量9.03 m3/s。管材采用16 Mn，主管內(nèi)徑1.8 m，壁厚分別為14 mm和18 mm兩種規(guī)格，支、岔管內(nèi)徑0.7 m，壁厚14 mm。

壓力前池到水電站廠房高程差約190 m，山梁坡度 18°～37°，平均 24°，適合布置明管。明管管路自然邊坡布置，平面上布置為直線，縱斷面上設(shè)置8個(gè)轉(zhuǎn)折，分別由鎮(zhèn)墩連接。前池進(jìn)口處壓力管道中心線高程944.9 m，水電站廠房進(jìn)口高程748.10 m，鋼管全長(zhǎng)556 m，沿線按地形地質(zhì)條件分為9段，傾角（從上至下） 依次為 28.99°，17.55°，28.71°，38.15°，23.11°，35.44°，0°，28.67°，0°。管道全線設(shè)伸縮節(jié) 9 個(gè)，一般位于鎮(zhèn)墩下游側(cè)，沿管線設(shè)3個(gè)φ600人孔。管線均處于地下水位之上，出露地層主要為P2β玄武巖及砂質(zhì)頁(yè)巖。

管坡開(kāi)挖寬度由支墩寬度確定。根據(jù)管坡地形特點(diǎn)，在管坡右側(cè)設(shè)排水溝寬0.4 m，深0.3 m，排水溝內(nèi)側(cè)設(shè)1.2 m寬人行道，管坡總寬度為4.72 m。管槽底部距鋼管底部 0.8 m，管槽基巖 1∶0.75，覆蓋層 1∶1.0。

4.2 管徑確定

電站設(shè)計(jì)引用流量9.03 m3/s，水頭202.5 m，管線較長(zhǎng)，故管徑對(duì)工程造價(jià)有較大影響。根據(jù)水頭損失，結(jié)合水機(jī)要求和工程造價(jià)等綜合因素分析，確定主引水管管徑為1.8 m，相應(yīng)的管內(nèi)流速為3.55 m/s，在規(guī)定的經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)。

4.3 鋼管壁厚

管壁厚度按管壁承受內(nèi)水壓力的箍拉力公式計(jì)算，鋼管采用16 Mn，管壁厚度及其分段見(jiàn)表1。

表1 壓力鋼管鋼種及管壁厚度統(tǒng)計(jì)表

4.4 水力計(jì)算

壓力鋼管水力計(jì)算包括水頭損失和水錘壓力計(jì)算兩部分。水頭損失包括從壓力前池進(jìn)水室至水輪機(jī)球閥的局部損失和沿程損失。

4.5 鎮(zhèn)墩和支墩

鎮(zhèn)墩為重力式結(jié)構(gòu)，按構(gòu)造要求初步確定尺寸，再校核沿底面滑動(dòng)的穩(wěn)定性，并計(jì)算基礎(chǔ)應(yīng)力分布。為防止開(kāi)裂，鎮(zhèn)墩內(nèi)層（管壁外側(cè)）和外層適當(dāng)配筋。鎮(zhèn)墩內(nèi)鋼管設(shè)止推環(huán)，并配置錨筋。為保證基礎(chǔ)穩(wěn)定可靠，鎮(zhèn)墩底部均置于原位巖層上。

主管鎮(zhèn)墩共設(shè)8個(gè)，間距41.78～122 m，平面最大尺寸7.2 m×5.6 m，岔管及支管鎮(zhèn)墩分別為3個(gè)。支墩采用鞍型，滾動(dòng)支座，間距10 m，平面尺寸1.10 m×2.62 m，共設(shè)42個(gè)。

鋼管首部鎮(zhèn)墩為壓力前池壓力墻，按鎮(zhèn)墩進(jìn)行計(jì)算；尾部鎮(zhèn)墩與電站廠房連接，其穩(wěn)定性和基礎(chǔ)應(yīng)力以廠房計(jì)算控制。

鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用抗剪公式計(jì)算，摩擦系數(shù)0.5，計(jì)算工況按溫升、溫降兩種工況控制，計(jì)算成果見(jiàn)表2，表中數(shù)值為兩種工況條件下的控制工況計(jì)算值。

表2 鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算成果

規(guī)范允許的鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5，由表中數(shù)據(jù)可知，鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定性全部滿足規(guī)范要求；壓力墻、1—7號(hào)鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)為P2β玄武巖，地基承載力0.8 MPa；8—11號(hào)基巖為砂質(zhì)頁(yè)巖，地基承載力0.5 MPa，基地應(yīng)力滿足地基承載力要求。

5 結(jié)語(yǔ)

壓力鋼管作為引水式電站的一個(gè)重要組成部分，鋼管尺寸的選取對(duì)電站造價(jià)影響很大，因此壓力鋼管的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前長(zhǎng)寨水電站工程已全部施工，投入運(yùn)行，壓力鋼管運(yùn)行良好。