錦屏二級水電站壓力鋼管取消內支撐可行性分析

張遠望

（中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610091）

1 工程概況

雅礱江錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的錦屏干流錦屏大河彎上，電站利用雅礱江下游河段150km長大河彎的天然落差，通過長約16.67km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭310m，發電機單機容量600MW，總裝機容量4800MW。錦屏二級水電站廠區樞紐設計布置有八條高壓管道，每條高壓管道原下平段布置有40節壓力鋼管，總長度為118m。壓力鋼管最大直徑6500mm，最小直徑6050mm，單節最大長度為3000mm，最小長度為2200mm。其中壓力鋼管下水平段第1節～第10節為600MPa級B610CF高強鋼，板厚分別為56、52、48、44和40mm共5種規格，每節壓力鋼管外布置2層加勁環，環距1.5m；第11節～第40節為Q345R鋼，板厚38mm，每節鋼管外壁布置3層加勁環，環距1.0m。加勁環材質均為Q345R，板厚38mm，壓力鋼管結構布置圖見圖1。

表1

為防止壓力鋼管在運輸及澆筑過程中受外力影響產生變形，業主要求在每節鋼管內部布置兩組內支撐。施工單位根據《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》DL/T5017-2008中5.2.10“鋼管宜采用活動內支撐……”要求，設計了活動內支撐，內支撐結構見下圖2。該內支撐每組重量為462kg，8條高壓管道下平段320節鋼管共需布置內支撐640組，內支撐總重量約29.57噸。

圖1 壓力鋼管結構布置圖

2 存在問題

錦屏二級水電站高壓管道壓力鋼管設計的加勁環布置較密，內支撐數量較多，同時設計要求在高強鋼段采用活動內支撐，內支撐部分構件需要機械加工制成，導致內支撐制作成本較高。在施工過程中，由于下平段壓力鋼管安裝時蝸殼、下彎段壓力鋼管已安裝完成，下平段壓力鋼管二期混凝土澆筑完成后，內支撐拆除只能采用火焰切割分解成小段從蝸殼進人門運出，導致內支撐無法循環使用，且內支撐安裝及拆除工作量非常大，拆除之后處理及防腐工作量也是相當大，使用成本非常大，安裝、拆除危險系數高。

考慮到錦屏二級水電站下平段壓力鋼管管壁較厚（最薄壁厚38mm），高強鋼段每節鋼管布置2道加勁環，其余管節每節上布置3道加勁環，加勁環間距小。在壓力鋼管吊裝翻身過程中及混凝土澆筑過程中，壓力鋼管抵抗外壓能力相對較強，只要正確使用吊裝手段，適當控制混凝土的澆筑速度，管節不會發生變形，具備取消內支撐的條件。因此，我們建議取消下平段壓力鋼管內支撐，以減少工作量、加快施工進度、降低施工成本及施工風險。

4 可行性分析

為驗證建議的合理性，施工單位進行了理論計算和實際試驗過程監測。

4.1 理論計算

（1）鋼管管壁抗外壓穩定性分析

按照《水電站壓力鋼管設計規范》對鋼管進行抗外壓穩定分析，鋼管承受均布外壓荷載（混凝土回填壓力），其抗外壓穩定可按下式進行驗算：

KcP0k≤Pcr

Kc——抗外壓穩定安全系數，取1.8；

P0k——徑向均布外壓力標準值（N/mm2）；

Pcr——抗外壓穩定臨界壓力計算值（N/mm2）。

為此，施工單位采用米賽斯公式和短柱公式分別對管壁進行抗外壓能力計算，并取兩式中的小值。

（3）短柱公式:

AR=ha+t（a+1.56rt）

選取38mm壁厚、加勁環38mm的鋼管進行驗算。列表計算如表1所述。

取兩者最小值，即為P0k=1.56MPa。

（4）壓力鋼管吊裝翻身后受力分析

選取長度為3m，內徑為6.5m，壁厚為38mm，重量為22.19t的管節進行受力分析。鋼管翻身后，承受鋼管自重，管體下側承受的重量最大，取22.19t，受力面積為：π×（6500+38）×3/（2×1000）=30.81（m2），則管體下側受力為：

2 2.19 ×104/30.81=7202（N/m2）=0.0072（MPa）< P0k=1.56 MPa

因此，鋼管在翻身后，管體不會發生變形。

（5）承受均布外壓荷載（混凝土回填壓力）計算

高壓管道下彎段及下平段開挖截面直徑為8.7m，按以下公式計算混凝土作用于鋼管四周的最大側壓力：

F=γcH kN/m2

其中H=8.7m，γc=25kN/m3

則：F=γcH=25×8.7=217.5 kN/m2=0.22 MPa

因此，在進行混凝土回填時鋼管四周不會因為混凝土的側壓力作用而失穩。

4.2 實際試驗

為驗證壓力鋼管在實際安裝過程中，起吊翻身和砼澆筑這兩個環節對鋼管的質量不會產生不良影響，施工單位在現場選取一節鋼管未安裝內支撐進行試驗，經過吊裝翻身后對鋼管管口圓度進行測量，同時該管節安裝后進行二期砼澆筑，澆筑后對該鋼管管口圓度進行了復檢，兩次檢測管口所有圓度檢測數據均在3mm及以下，滿足設計和規范《DL/T5017-2007》（圓度≤3D/1000=19.5mm）要求，且達到水利水電工程驗收評定優良標準。

結語

通過理論計算和實際試驗對錦屏二級水電站下平段壓力鋼管取消內支撐進行可行性分析，認為在壓力鋼管吊裝翻身及二期混凝土澆筑過程中不會對下平段壓力鋼管產生不良影響，施工單位取消下平段壓力鋼管安裝內支撐的建議得到了設計、業主單位的認可。目前該工程壓力鋼管安裝、澆筑全部完成，安裝質量符合設計、規范要求，并全部達到優良標準。通過取消壓力鋼管內支撐，為施工單位了減少了施工成本，同時加快了施工進度、降低了施工風險。

[1]萬天明，馬耀芳，徐紹波等.水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范[S].中國電力出版社，2007.

[2]王鵬飛，陳美娟，王既民等.水電站壓力鋼管設計規范[S].中國水利水電出版社，2003.