哈薩克斯坦瑪依納水電站壓力管道結構設計

程 春，馬 林

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

瑪依納水電站位于哈薩克斯坦共和國東南部阿拉木圖州萊姆別克區的伊犁河左岸一級支流恰倫河上，為一座綜合性水利樞紐，主要任務為發電，其次是灌溉。電站為混合式開發，主要建筑物由首部大壩樞紐、右岸地下引水系統和地面廠區樞紐等建筑物組成。當地材料壩壩高94.0m，水庫總庫容2.38×107m3，引水隧洞全長4 913m，壓力管道主管長4 322m，設計水頭約500m，發電引用流量74.0m3/s。電站裝設2臺沖擊式水輪機，裝機容量300MW(150 MW×2)。

2 工程地質及水文地質條件

2.1 工程地質條件

瑪依納水電站引水發電樞紐區地層主要為石炭系下統克特緬組(C1t-V1kt)火山巖，廠區附近有奧陶系上統(γO3)花崗巖侵入。電站大壩和主要建筑地段場地的地震烈度為MSK-64烈度表的Ⅸ度。

根據瑪依納水電站壓力管道開挖揭示的地層巖性、構造、物理地質現象、地下水活動狀態、巖體結構類型以及垂直埋深等，按照規范確定的圍巖分類標準，壓力管道圍巖物理力學指標值見表1。

2.2 水文地質條件

工程區屬大陸性干旱少雨氣候區，地下水補給源主要為雨季降雨和冬季降雪，大氣降水補給相對較少。壓力管道3號支洞溝至上游豎井段附近洞段(管0+540.00～管0+574.00m)地下水活躍，局部存在涌水，其余部位地下水活動弱，洞段多潮濕～干燥。

3 壓力管道布置設計

引水系統主要由有壓引水隧洞、調壓井和壓力管道等建筑物組成。

鑒于壓力管道區的地質條件較差、管道所承受的內水壓力較大，并結合壓力管道區沿線沖溝發育、溝脊相間起伏較大的地形特點，壓力管道布置設計中根據引水隧洞和廠房的布置盡量抬高管道的底板高程，并設置豎井以減短高壓段的長度，力求降低管道內水壓力，以減薄鋼板厚度和減少鋼材量，縮短支洞的長度節省工期。結合調壓井及廠房的布置，壓力管道在平面上設置了2個轉彎點，在立面上設置了2個轉彎點(即1個豎井)。采用一條主管經一個“Y”形岔管分成兩條支管分別向廠房內2臺機組供水的聯合供水布置方式。壓力管道由上平段、豎井段和下平段以及岔、支管段組成。(管)0+003.620～(管)4+317.686m為主管段，其后為岔支管段；主管內徑4.1m，支管內徑2.6m。

表1 瑪依納水電站地下洞室圍巖分類及巖體力學參數建議值

注：Ⅳ1為Ⅳ類偏好圍巖，Ⅳ2為Ⅳ類偏差圍巖。

引水系統平面及縱剖面布置示意見圖1。

圖1 引水系統平面及縱剖面布置示意

4 壓力管道設計

4.1 設計內壓、襯砌斷面及襯砌材料確定

壓力管道設計內水壓力按調壓室最高涌浪水位及壓力管道水錘升壓分析確定。壓力管道最大水錘內壓為水庫正常蓄水位1 770.00m，為2臺機組滿負荷運行時丟棄全負荷情況。地下埋管壓力波傳播速度取為1 200m/s。經計算，最大水錘為間接水錘中的第一相水錘，其水錘升壓系數ζ=0.21，壓力升高值△H=111.18m，壓力管道末端最大水頭為632.74m，相應水位為1 880.74m，而調壓室最高涌浪水位為1 787.61m，故壓力管道設計內壓按水錘升壓控制。

綜合考慮管道水頭損失、鋼材量等因素，確定主管經濟管徑為4.1m，支管經濟內徑為2.6m。

因本電站的設計水頭較高、管道沿線地質條件較差，經技術經濟比較，壓力管道全線采用了鋼板襯砌。為了節省鋼材用量，針對壓力管道沿線的內外水壓力大小和相應地質條件，分段選用不同材質的鋼板：以(管)0+946.107m為界，其上游管段采用普通16MnR鋼材，下游管段鋼材采用WDB620鋼材(低焊接裂紋敏感性高強度鋼板)。

4.2 結構設計

鑒于壓力管道沿線所承受的內水壓力較大，為1.83～6.33MPa(含水錘壓力)，為控制工況，且管道區巖性復雜，受構造、埋深影響，巖體風化卸荷強烈且破碎，圍巖穩定性總體較差，因此鋼板混凝土襯砌結構設計中主要采取了如下原則：

4.2.1 主管段結構設計

主管按地下埋管且由鋼管單獨承載設計，埋管段管外回填60cm 厚C20素混凝土。鋼管管壁厚度計算公式按DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設計規范》附錄B公式計算：

式中t——鋼管管壁厚度，mm；

P——內水壓力設計值，N/mm2；

r——鋼管內半徑，mm；

σR——鋼材抗力限值，N/mm2；

f——鋼材強度設計值，N/mm2；

γ0——結構重要性系數，取1.0；

ψ——設計狀況(持久狀況，系數ψ=1.0)；

γd——結構系數，見表2；

鋼材的抗力限值σR計算結果見表2。

4.2.2 岔支管段結構設計

受廠區樞紐布置和岔支管運輸安裝通道等因素的影響，靠近廠房部分的岔支管段為明管外包鋼筋混凝土，考慮岔管的受力復雜性和結構重要性，岔支管按明管設計。

將主管和支管的內水壓力設計值P及其它參數代入上述公式進行計算，經計算，管0+003.620～(管)0+946.107m段16MnR采用板厚為18～38mm，經復核在運行狀態下管壁的最大應力為228MPa<σR(231 MPa)；(管)0+946.107～(管)4+317.686 m段WDB620采用板厚為28～48mm，經復核，運行狀態下管壁的最大應力為314MPa<σR(315 MPa)。

4.2.3 鋼管承受外壓的彈性穩定設計

壓力管道基本位于地下水位以下，其中(管)0+000～(管)0+540m以及(管)3+930～(管)4+318.6m洞段地下水活動較弱，洞段潮濕～干燥，沿小斷層附近見季節性滲～滴水；(管)0+540～(管)0+574m地下水活躍，見涌水；(管)0+574～(管)3+930m開挖后見滲水～滴水狀地下水，但很快疏干，雨季及融雪期又見滲～滴水狀地下水活動。

壓力管道埋管段埋深50～310m，覆蓋層厚20～100m。地下水位從巖石弱風化線開始計，并考慮適當的外水壓力折減系數和灌漿壓力，則鋼襯段的外壓按30～180m計。根據壓力管道鋼襯段管壁厚度及外壓大小，主管段鋼管外壁每隔2.0m或3.0m設一道加勁環，加勁環高度150mm，厚度18mm(部分為24mm)。

(1)加勁環間管壁的抗外壓穩定

臨界外壓Pcr按米賽斯公式計算：

式中Pcr——抗外壓穩定臨界壓力計算值，

N/mm2；

ri——鋼管內半徑，mm；

Es——鋼材彈模，取為2.06×105N/mm2；

νs——鋼材的泊松比，取為0.3；

t——鋼管壁厚，mm；

l——加勁環的間距，mm；

n——相應于最小臨界壓力的波數。

(2)加勁環的抗外壓穩定

臨界外壓可采用下式計算：

式中σs——鋼材屈服點，N/mm2；

F——加勁環有效截面，mm2；

R——加勁環有效截面積重心軸半徑，mm。

其余符號意義同前。

經計算，加勁環間管壁的臨界外壓為1.912～10.354 MPa，滿足抗外壓穩定要求；加勁環自身的臨界外壓為0.667～2.013MPa，考慮回填混凝土對加勁環的嵌固作用，其抗外壓穩定滿足要求。

5 灌漿設計

5.1 回填灌漿

為使鋼襯外的回填混凝土與圍巖緊密貼合，以使圍巖承受一部分內水壓力并保證圍巖壓力均勻傳遞于襯砌上，對壓力管道主管(埋管段)頂拱進行了回填灌漿設計。

考慮(管)0+946.107m下游為低焊接裂紋敏感性高強度鋼板(WDB620)，根據DL/T 5141-2001《水電站壓力鋼管設計規范》中條文說明和工程實踐表明，“灌漿孔補強、封孔將引起應力集中或焊接裂紋，尤其對高強鋼，危害更大”，因此為盡量減少對高強鋼管壁母材的傷害，高強鋼板襯砌段未在管壁頂拱開設回填灌漿孔，而是通過有可靠質量保證措施的預埋灌漿管路(進漿管、排氣管和回漿管等)對該段進行頂拱回填灌漿，且每次回填灌漿長度不宜超過20m。

(管)0+946.107m上游為普通16MnR鋼材， 且位于關鍵線路上，考慮工期的需要和材質的不同，在該段的管壁頂拱開設回填灌漿孔，采用1孔或2孔交替布置，1孔時在管頂，2孔時孔中心線夾角為70°，對稱于管中心鉛垂線，排距200cm。

根據現場的生產性灌漿試驗結果，結合加勁環間管壁和加勁環自身的抗外壓能力，為保證灌漿效果，回填灌漿壓力采用0.2～0.5MPa。

5.2 接觸灌漿

為增強回填混凝土與鋼板接觸面間的結合能力，對壓力管道埋管段鋼板襯砌進行了接觸灌漿設計。接觸灌漿孔采用1孔或2孔交替布置，1孔時在管底，2孔時孔中心線夾角為70°，對稱于管中心鉛垂線，排距200cm。

根據現場的生產性灌漿試驗結果，結合加勁環間管壁和加勁環自身的抗外壓能力，為保證灌漿效果，接觸灌漿壓力為0.1～0.2MPa。

回填及接觸灌漿孔布置見圖2。

注：1.頂部回填灌漿孔與底部接觸灌漿孔位于同一立面上；頂部回填灌漿孔每排1孔或2孔，交錯布置(1孔時位于洞頂)；2.當底部接觸灌漿孔為1孔時，頂部回填灌漿孔為2孔；反之，當底部接觸灌漿孔為2孔時，頂部回填灌漿孔為1孔。圖2 壓力管道埋管段回填及接觸灌漿孔布置

6 其 他

(1)在壓力管道開挖期間，采用地質雷達對掌子面前方20～30m范圍內的圍巖進行超前預報，預報準確率達95%，為管道的開挖及支護提供了可靠的依據，確保了開挖施工安全。鋼管安裝、回填混凝土、回填及接觸灌漿完成后，采用沖擊回波法對回填混凝土厚度、混凝土密實度、回填及接觸灌漿情況等進行了檢測，對有缺陷的地方進行了補灌，確保了襯砌質量。

(2)因壓力管道部分洞段取消了位于鋼管頂部的回填灌漿孔，鋼管回填灌漿只能通過在混凝土澆筑前預埋的回填灌漿管進行施工。回填灌漿管在每倉(18m長)混凝土擋頭模板安裝前進行安裝，采用φ25鋼管，并加工成花管；排氣管采用φ25鋼管，每倉混凝土安裝1組回填灌漿管及排氣管于拱頂部位，并盡量靠近基巖面；排氣管位于灌漿管旁10cm處，孔口高于灌漿管10cm并與巖面或臨時支護噴混凝土面緊貼。考慮鋼管頂部未開設回填灌漿孔后期補灌困難，因此在回填混凝土和回填灌漿中添加適當的微膨脹劑，取得良好效果。

7 結 語

(1) 為了及時反映管道的工作狀態，為電站在施工期、充水期和運行期的安全提供依據，在壓力管道圍巖較差的(管)0+565m、(管)1+055m、(管)2+053m和(管)3+992m處襯砌斷面中分別設置了鋼板計，對襯砌結構中的鋼板進行應力監測。通過對觀測資料的整理和觀測數據的分析表明，壓力管道管壁的實際應力均小于設計內壓時的計算鋼板應力。

(2) 瑪依納水電站于2011年12月底對引水系統進行充水并發電，電站運行情況良好。壓力管道最大設計內壓P接近6.5MPa，管徑D為4.1m，管道最大PD值大于2 600，屬高壓管道。監測數據及實際運行表明，在管道上覆巖體厚度增加、圍巖完整性更好和強度更高的前提下，通過采取回填微膨脹混凝土、加強回填灌漿和接觸灌漿等措施，使鋼襯、混凝土和圍巖結合緊密并聯合承載，管壁厚度可適當減薄，可進一步節約投資。

(3) 壓力管道破壞以外壓失穩居多，對埋深大、地下水位高的管段，必須高度重視。經過綜合分析，瑪依納水電站壓力管道加勁環間的管壁抗外壓能力須給予充分保證，而加勁環自身因回填混凝土的嵌固作用，其抗外壓能力得以加強。

致謝：本文得到了成都院水道處教授級高工劉朝清的悉心指導和幫助，在此深表感謝！