玻璃鋼夾砂管道在往子溝水電站引水道中的應用

王 剛

(四川省內江水利電力建筑勘察設計研究院，四川 內江 641000)

1 工程簡述

1.1 工程概況

東義河是水洛河右岸一級支流，金沙江二級支流。往子溝為東義河下游右岸支流，位于甘孜州稻城縣俄牙同鄉境內，河道全長26.9 km，流域面積130 km2。

往子溝水電站位于往子溝下游，采用引水式開發。取水樞紐采用底格欄柵壩取水，無調節能力。引水系統布置在往子溝右岸，設計引用流量2.86 m3/s。廠區樞紐為地面式廠房。電站額定水頭307 m，裝機2×3.7 MW，多年平均年發電量3 334萬kWh，裝機年利用小時4 505 h。工程開發任務為發電，兼顧下游生態環境用水要求。

電站已于2010年8月開始動工建設。

1.2 引水道布置

往子溝電站采用右岸有壓引水，引水道為隧洞。隧洞自沉沙池取水后進洞，沿往子溝右岸山體傍山布置，至電站廠區樞紐后山體出洞后接調壓塔，全長3 496 m。

1.3 工程地質條件

工程區位于稻城縣與木里縣交界處的高山峽谷區，廠址距稻城縣城191km，有鄉村公路相通，交通條件較好。

往子溝流域位于“川滇菱形”斷塊內部，屬松潘—甘孜地槽褶皺系的次一級構造單元玉樹—義敦優地槽褶皺帶。處于由甘孜—理塘斷裂帶、理塘德巫斷裂帶、金沙江斷裂帶、麗江斷裂帶和鹽源弧形斷裂帶所圍限的斷塊內，構造格架以南北向和北西向為主。工程區位于浪都北西向構造帶內，地震基本烈度為Ⅶ度。

引水道通過巖層主要為三疊系上統曲嘎寺組和圖姆溝組板巖偶夾鈣質粉砂巖，板巖偶夾灰巖，板巖夾砂巖，火山角礫巖與灰黑色板巖和灰色灰巖不等厚互層，圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，其中Ⅲ類圍巖段長2 835 m，約占81.1%；Ⅳ類圍巖段長555 m，約占15.9%；Ⅴ類圍巖段長106 m，約占3.0%。

2 引水道襯砌方案

2.1 襯砌方案確定

本電站設計引水流量2.86 m3/s，隧洞橫斷面尺寸按施工斷面控制。由于引水道水頭不高，洞身采用便于施工的圓拱直墻形斷面。隧洞開挖斷面底寬2.4 m，直墻高1.4 m，拱高1.2 m，總高2.6 m。目前隧洞已貫通。

對于引水道的襯砌，設計最初考慮了隧洞常規襯砌方案。Ⅲ類圍巖段隧洞邊墻及拱圈采用掛鋼筋網噴0.12 m厚的C20砼襯護，底板采用0.2 m厚的C20現澆砼襯砌，襯砌后隧洞底寬2.16 m，直墻高1.2 m，拱半徑1.08 m，總高2.28 m；Ⅳ、Ⅴ類圍巖段隧洞全斷面采用0.3 m厚的C25鋼筋砼襯砌，襯砌后隧洞底寬1.8 m，直墻高1.1 m，拱半徑0.9 m，總高2.0 m。

由于建設征地及移民等諸多方面的原因，可研階段選擇的砼粗、細骨料場無法開采為本工程所用；加之質量及場地等方面的因素，隧洞洞渣料也無法加工為人工骨料，砼粗、細骨料只能外購。由于當地亞三公路東義段建設對砼粗、細骨料的需求量大，導致價格上漲，供應不足，購買及運輸成本顯著增加。

為加快施工進度，降低工程投資，減少施工干擾，提出了引水道隧洞不再進行永久襯砌，采用在隧洞內敷設玻璃鋼夾砂管道引水的方案。

2.2 玻璃鋼夾砂管道設計

2.2.1 管徑選擇

本水電站裝機2×3.7 MW，選用2臺沖擊式水輪機組，額定水頭307 m，額定流量1.43 m3/s，額定轉速600 r/min。目前機組已生產完成。

玻璃鋼夾砂管道管徑的選擇應使其水頭損失與原隧洞水頭損失基本一致，以符合機型要求。由于隧洞凈空斷面尺寸僅為2.4×2.6 m(寬×高)，為保證隧洞內管道安裝及運輸的要求，選擇玻璃鋼夾砂管道管徑為1.4 m。玻璃鋼夾砂管糙率為0.0084，考慮到彎道及接頭的影響，設計糙率取0.009。根據計算，玻璃鋼夾砂管道水頭損失為3.96 m，較隧洞原襯砌方案水頭 損 失 增 加2.17 m，滿足機型要求。

2.2.2 壓力選擇

玻璃鋼夾砂管道設計內壓按管道正常運行時承受的內水壓力確定，為留有一定的富余，設計內壓值取0.4 MPa。為滿足管道抗外壓穩定要求，管道剛度等級取為5 000 N/m2。

2.2.3 管道布置

玻璃鋼夾砂管道沿隧洞右側敷設，管道中心線距地面0.8 m，管底設0.3 m厚的砂卵石墊層。單根玻璃鋼夾砂管道長6.0 m，每3.0 m設一道鍍鋅扁鐵抱箍。隧洞左側留有0.9 m寬的交通通道。

2.2.4 隧洞支護

隧洞開挖斷面底寬2.4 m，直墻高1.4 m，拱半徑1.2 m，總高2.6 m。Ⅴ類圍巖段及局部Ⅳ類圍巖段隧洞已采用鋼支撐及掛鋼筋網噴砼進行臨時支護；Ⅳ類圍巖段及局部Ⅲ類圍巖段隧洞已采用掛鋼筋網噴砼或噴素砼進行臨時支護。

Ⅲ、Ⅳ類圍巖段隧洞不再進行整體襯砌，對于局部破碎、易垮塌洞段設Φ22系統錨桿，同時采用掛鋼筋網噴0.1 m厚細石砼封閉。Ⅴ類圍巖段隧洞采用0.2 m厚現澆C20砼襯砌，隧洞拱頂120°范圍內須進行回填灌漿處理。Ⅴ類圍巖段及不同巖層接觸帶、圍巖破碎段進行固結灌漿處理。

3 玻璃鋼夾砂管道優越性

玻璃鋼即玻璃纖維增強塑料，一般是指用玻璃纖維增強不飽和聚脂、環氧樹脂與酚醛樹脂為基體，以玻璃纖維或其制品作增強材料的增強塑料。玻璃鋼夾砂管是以樹脂為基體材料，玻璃纖維及其制品為增強材料，石英砂為填充材料而制成的新型復合材料，結構上分內襯層、結構層及外保護層三部分，由計算機控制以連續纏繞和離心澆鑄兩種方法成型, 具有一系列優良的特性。

3.1 強度高

玻璃鋼夾砂管是以樹脂為基體材料，玻璃纖維及其制品為增強材料，石英砂為填充材料而制成的新型復合材料。管道軸向拉伸強度可達300 MPa，近似合金鋼，其比強度(強度與容重之比)大約是鋼管的3倍，球墨鑄鐵管的10倍，混凝土管的25倍。

3.2 光潔度好，糙率低

玻璃鋼夾砂管內壁直接與模具接觸，表面非常光滑，無毛刺，糙率≤0.0084，遠小于鋼管。玻璃鋼夾砂管水力流體特性好，在輸水過程中與其它的管材相比可以大大減少壓頭損失。

3.3 耐腐蝕性強

玻璃鋼夾砂管選用耐腐蝕極強的樹脂，擁有極佳的機械性質與加工特性，能夠抵大部分酸、堿、鹽、未處理的污水、地下水及眾多化學物質的侵蝕。

3.4 耐磨性強

玻璃鋼夾砂管的耐磨性能是非常好的。根據資料，把含有大量泥漿、沙石的水裝入不同管材的管道進行旋轉磨損影響對比試驗，經30萬轉旋轉后檢測管內壁的磨損深度，發現用焦油和瓷油涂層的鋼管為0.53 mm；用表面硬化處理的鋼管為0.48 mm；玻璃鋼夾砂管為0.21 mm，由此可見玻璃鋼夾砂管相當耐磨。

3.5 耐熱、耐寒性能好

玻璃鋼夾砂管可在-20℃～100 ℃長期使用而不變形，在-30 ℃狀態下，仍具有良好的韌性和極高的強度，采用特殊配方的樹脂還可110 ℃時使用。

3.6 抗震性能好

玻璃鋼夾砂管本身具有自振頻率低、阻尼特性好、彈性模量低等特點，再配以柔性接頭，能低御外界重壓和基礎沉降所引起的破壞，在地震或其他振動災害發生時，其抗破壞性能明顯優于其它傳統管材。

3.7 自重輕，運輸、安裝方便

采用纖維纏繞生產的玻璃鋼夾砂管，其相對密度為1.65～2.0，只有鋼管的1/4，混凝土的1/5，運輸、安裝十分方便。玻璃鋼夾砂管采用承插式的連接方式，接頭處采用雙O型橡膠圈，適應熱脹冷縮。

3.8 使用壽命長、運行維護費用低

玻璃鋼夾砂管使用壽命長，根據資料，一般給、排水玻璃鋼夾砂管道的壽命可達50年以上，是鋼管和混凝土管的2倍。由于玻璃鋼夾砂管自身具有很好的耐腐蝕性，不需要進行專門的防銹、防污、絕緣、保溫等處理措施，可節約大量維護費用。

4 結 語

玻璃鋼夾砂管道自上世紀40年代問世以來，在歐美發達國家發展很快。我國于上世紀80年代引進了玻璃鋼夾砂管道的生產技術，目前，玻璃鋼夾砂管道已在石油、化工、市政供水等工程中被推廣應用, 尤其是在市政給排水領域的應用得到迅速發展，近年來在中小型水電站中也開始逐步使用。從玻璃鋼夾砂管道在往子溝水電站壓力引水道中的應用看到，玻璃鋼夾砂管道能適應三州地區氣候環境惡劣、地質條件復雜等外部環境，能顯著加快施工進度，降低工程造價。

參考文獻：

[1] 孟玉生。玻璃鋼夾砂管在小型水電站工程的研究與應用。水利水電技術，2010年第2期。

[2] 左向利。玻璃鋼夾砂管道的技術特點及水力學性能分析。科技信息，2013年21期。