黃登水電站壓力鋼管設計

楊海紅，官忠瑞，鄧擁軍

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內，采用堤壩式開發，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段水電梯級開發方案的第六級水電站，以發電為主。水庫正常蓄水位為1 619.00 m，其相應庫容為15.49×108m3，校核洪水位為1 622.73 m，其相應庫容為16.70×108m3，調節庫容為8.28×108m3，水庫具有季調節性能。該工程總裝機容量1 900 MW(4×475 MW)，為一等大(1)型，其主要建筑物大壩、泄洪建筑物和引水發電建筑物為1級建筑物，結構安全級別為Ⅰ級；下游防沖及其它次要建筑物屬3級建筑物，結構安全級別為Ⅱ級。臨時性水工建筑物為4級建筑物。

2 引水系統布置和襯砌型式選擇簡介

工程引水發電壓力管道為地下埋藏式，靜水頭約163 m，初步擬定內徑10 m，最大引用流量409.6 m3/s，管內最大流速約6.16 m/s，屬于巨型壓力管道。由于流量大，路線短，故采用單機單管的供水方式，共計4條壓力管道。受進水口至地下廠房間距離的限制，壓力管道采用豎井式布置。

圖1 黃登水電站壓力管道平面布置(尺寸：m)

圖2 黃登水電站1號壓力管道縱剖面(尺寸：m)

4條壓力管道進口高程均為15 60.00 m，上平段“引0+000.000～0+015.000”段軸線方向均為SW204°30′00″，中心線間距均為25 m。自“引0+015.000”樁號開始向下游方向，4條壓力管道軸線方向呈平面擴散狀布置，如圖1所示。

4條壓力管道豎井分別以上、下彎段與上、下平段銜接，在下平段4條壓力管道平行布置，軸線方向均為SW204°30′00″，軸線間距35 m，末端與水輪機組蝸殼銜接，如圖2所示。

表1 壓力鋼管管壁厚度計算對比表

注：表中鋼管道管壁厚度計算值已包含2 mm防銹蝕富裕厚度。

但由于進水口和廠房布置所限，壓力管道只能采取因地制宜進行適應性設計。受進水口布置及壩肩邊坡開挖影響，各條壓力管道上平段埋深均有不滿足規范要求的洞段，因此，必須對壓力管道的襯砌型式進行認真細致的論證分析。

按挪威準則、雪山準則和垂直向準則計算，1、2、3、4號壓力管道均有洞段未滿足規范要求，為避免內水外滲的危害，采用鋼管形式以滿足相關要求。洞段采用鋼襯鋼筋混凝土襯砌形式。

根據實測點的地應力和科研反演地應力計算抗劈安全系數，巖石抗擊水力劈裂的安全儲備滿足相關要求，巖石不會發生水力劈裂。

綜上所述，引水管道上平段由于巖石覆蓋厚度不足采用鋼板襯砌。壓力管道下平段考慮廠房開挖后巖體松弛的影響，為保證廠房安全，考慮廠房開挖后巖體松弛的影響，下彎段、下平段采用鋼板襯砌，其余采用鋼筋混凝土襯砌，同時需加強固結灌漿以保證結構和圍巖安全。

3 壓力鋼管結構設計

3.1 布置及地形地質條件分析

引水隧洞地質大部分圍巖均為Ⅲ、Ⅳ類及以上巖體，隧洞地段分布的地層主要為T3xd8變質火山角礫巖、細變質火山細礫巖夾變質凝灰巖和T3xd7變質火山細礫巖及變質凝灰巖。

根據圍巖覆蓋厚度的分析結果，為保證安全，圍巖覆蓋厚度不滿足要求的洞段設置鋼襯。1～4號壓力管道進口漸變段(長15 m)均設置鋼襯，斷面尺寸7 m×11.5 m(寬×高)～D=10 m。1～4號壓力管道上平段(上彎段)標準圓形洞段內徑D=10 m，設置鋼襯洞段分別為“引1號0+015.000～引1號0+032.636”、“引2號0+015.000～引2號0+055.705”、“引3號0+015.000～引3號0+070.351”、“引4號0+015.000～引1號0+108.570”(其中0+069.30～0+108.570為上彎段)，鋼襯總長度分別為17.636、40.705、55.351、93.57 m。

壓力管道下平段考慮廠房開挖后巖體松弛的影響，為保證廠房安全，下平段采用鋼襯，單管鋼襯段總長54 m，前24 m段內徑D=9.2 m，混凝土襯砌厚度0.75 m；后接10 m圓形漸縮段，內徑D=9.2～8.6 m，混凝土襯砌厚度0.75～1.75 m；廠前最后10 m段內徑D=8.6 m，混凝土襯砌厚度1.75 m。

3.2 鋼管強度計算

壓力鋼管道上平段相對下平段來說，水頭壓力不是很高，在滿足工程安全的前提下，為節省工程造價，鋼襯管壁鋼材選用Q345R鋼材(屈服點335 MPa，抗拉強度470 MPa)。下平段為地下埋管，內徑9.2～8.6 m，考慮到下平段鋼管承受的內、外水壓力較高(最大靜水頭為163 m，最大水擊壓力取36 m，外水壓力計算水頭取172.65 m，折減系數0.6)、管徑較大等實際情況，為減小鋼管壁厚并方便施工，鋼材選用610級高強鋼板(屈服點490 MPa，抗拉強度610 MPa)。根據DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》的要求，對壓力鋼管分別按明管、洞內明管、埋管三種方式計算管壁厚度，計算結果見表1。

根據以上估算結果，結合壓力鋼管布置情況、施工便利及施工保障可靠性等綜合考慮，壓力鋼管按洞內明管進行設計。標準管節單根長度2.0 m，上平段加勁環加勁環間距1.0 m，下平段為2.0 m。

綜合考慮不同厚度鋼襯之間的過渡、加勁環設置、抗外壓穩定計算分析等，最終確定的鋼襯設計成果見表2。

表2 壓力鋼管道鋼襯設計成果

為有效降低庫水順壓力鋼管外壁和混凝土間接合面的滲漏，避免鋼管承受過大外壓，上平段及下平段在距壓力鋼管起始端100 mm處管壁外開始連續設三道阻水環，阻水環間距為250 mm，三道阻水環高度分別為300、250、250 mm，阻水環采用Q345C鋼板，上平段阻水環厚度28 mm，下平段阻水環厚度38 mm。

3.3 抗外壓穩定計算

抗外壓穩定計算按DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》有關規范執行。

取管壁實際厚度，環間管壁穩定的臨界壓力按米賽斯公式計算，即

(1)

式中，Pcr為臨界外壓力，MPa；Es為鋼材彈性模量，MPa；t為管壁厚度，mm；νs為鋼材泊松比；n為最小臨界壓力波數；l為加勁環間距，mm。

加勁環穩定的臨界外壓計算公式為

Pk=σs·AR/(r·l)

(2)

(3)

式中，σs表示鋼材屈服強度，MPa;r為鋼管內半徑；AR為加勁環有效面積；h為加勁環高度；a為加勁環厚度。

考慮加勁環的作用后，鋼管抗外壓穩定明顯加強，此時抗外壓穩定受控于加勁環自身的穩定性。

根據鋼管道布置縱剖面地質情況分析，上平段按45 m外水水頭，下平段按103.6 m外水水頭復核抗外壓穩定。因鋼管道較短，為了安裝施工方便，簡化計算，將整個鋼管道按半徑和外水水頭共分為四部分進行復核。加勁環標準管段上平段間距1 m，環高200 mm，壁厚28 mm，下平段間距2 m，環高250 mm，壁厚38 mm，采用Q345鋼板。

各鋼管段管壁及加勁環抗外壓穩定計算成果見表3。

表3 壓力鋼管道抗外壓穩定計算成果表

從表中計算成果可以看出，鋼管段為滿足抗外壓穩定，需設置加勁環。鋼管管壁及加勁環臨界外壓均大于外水壓力，管壁及加勁環抗外壓穩定滿足要求。

3.4 鋼管鋼襯鋼筋混凝土結構計算

考慮鋼管的重要性，確保鋼管安全穩定運行，鋼管外回填混凝土予以配筋。配筋按鋼襯及鋼筋聯合受力進行計算。鋼板、鋼筋、混凝土各強度指標按規范執行，計算結果如表4所示。

根據計算結果，鋼襯鋼筋混凝土結構最終采用的配筋如下：上平段及上彎段，進口漸變段鋼襯外側配雙層Ⅲ級鋼筋2Φ32@200；塔體混凝土內埋管段(標準圓形斷面，D=10 m)鋼襯外側配單層Ⅲ級鋼筋Φ32@200；其余地下埋管段(標準圓形斷面，D=10 m)鋼襯外側配雙層Ⅲ級鋼筋Φ32@200。

下平段內徑D=9.2 m鋼管段，鋼襯外側配雙層Ⅲ級鋼筋2Φ32@150 ；內徑D=9.2 ～8.6 m鋼管段，鋼襯外側配雙層Ⅲ級鋼筋2Φ32@150；D=8.6 m鋼管段，鋼襯外側配雙層Ⅲ級鋼筋2Φ32@150。

4 鋼管外排水設計

壓力鋼管道外與圍巖之間回填C25混凝土，底拱180°范圍內采用高流態自密實混凝土。為降低檢修工況時的地下水位，防止鋼管受外壓失穩，在回填混凝土與圍巖之間、回填混凝土與鋼管之間均設有排水系統：沿壓力管道軸線每隔4 m在壓力鋼管外壁設一道環向排水輕型槽鋼[10；回填混凝土和巖面之間設一道MF7環向塑料盲溝管(外包200 g/m2土工布并固定牢靠)；阻水環處鋼管外壁環向排水管采用等邊角鋼(∠100 mm×8 mm)。

表4 壓力鋼管鋼襯鋼筋結構配筋應力計算成果

注：鋼襯Q345R鋼，抗力限值209.790 MPa；610高強鋼抗力限值286.713 MPa；Ⅲ級鋼筋抗力限值272.727 MPa。

壓力鋼管外的排水系統按與帷幕灌漿環的距離由近及遠，分為各自相對獨立的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區布置。各區排水系統中的環向排水管匯集壓力鋼管周圍的地下水，經由設在壓力鋼管底部分別對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區環向排水系統的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序排水支管(DN50鋼管)、主管(DN100)引排至廠區第三層排水平洞內，以免近帷幕灌漿環處的高壓外水通過排水管路直接向下游近廠房側傳遞。排水主管及支管均采用能承受1.5MPa水壓的不銹鋼管(材料OCr13Ni9)。

引至廠房第三層排水平洞的所有排水主管的末端均設高壓水閥：壓力鋼管在運行期間閥門關閉；壓力鋼管在放空檢修時，開啟閥門排水，降低外水壓力。

5 灌漿設計

壓力鋼管道回填混凝土與巖面間頂拱60°范圍內進行回填灌漿，灌漿壓力為0.3 MPa。為避免在鋼管壁上開設灌漿孔，消除對高壓鋼管的損傷，加快施工進度，回填灌漿采用在頂拱開挖面上預埋HDPE管方式進行。為了減小鋼板開孔對鋼板材質的損傷，減少開孔封堵焊接引起的敏感性裂紋，采用鋼襯鋼筋混凝土襯砌設計，對壓力鋼管和回填混凝土之間不再進行接觸灌漿。洞壁圍巖開挖支護完成時進行裸巖無蓋重固結灌漿。

整個廠區樞紐的防滲結合壩體防滲帷幕綜合考慮，引水發電系統僅考慮壓力管道下平段上游端頭的輔助帷幕設計。為有效降低庫水順壓力鋼管外壁和混凝土間接合面的滲漏，避免鋼管承受過大外壓，除在距壓力鋼管起始端100 mm處管壁外開始連續設三道阻水環外，同時壓力管道下彎段結束部位、下平段鋼襯始端前布置壓力管道輔助帷幕。

壓力管道輔助帷幕灌漿環采用單排灌漿孔，以管道斷面中心為中心點，360°范圍內徑向輻射狀打設，孔徑50 mm，相鄰鉆孔中心方位夾角為15°。相鄰管道間腰線60°范圍為淺孔區域，鉆孔入巖深度15 m；其余范圍為深孔區域，鉆孔入巖深度20 m。每個灌漿環布設24個鉆孔，帷幕灌漿總長1 830 m。

帷幕灌漿壓力按大于等于1.5倍最大水壓力考慮，取2.0～2.5 MPa，帷幕灌漿在回填灌漿和固結灌漿完成后進行。

6 結 語

黃登水電站壓力管道采用單機單管正向供水方式，一共4臺機，單機最大引用流量409.6 m3/s，大流量、大管徑。由于進水口和廠房布置所限，及受壩肩邊坡開挖影響，引水管道上平段和下平段采用鋼襯鋼筋混凝土襯砌型式。

根據地形地質條件，對壓力鋼管結構按洞內明管設計和抗外壓穩定設計，為確保壓力鋼管安全可靠運行，避免鋼管開孔灌漿削弱鋼管強度，對管外混凝土按鋼襯鋼筋聯合受力進行配筋計算，同時對鋼管外進行排水設計及灌漿設計。目前黃登水電站已投產發電，運行狀況良好。