水源山抽水蓄能電站壓力鋼管設(shè)計(jì)

萬利臺(tái),饒柏京

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概況

水源山抽水蓄能電站站址位于廣東省云浮市新興縣太平鎮(zhèn)水浪村，工程距云浮市、廣州市公路里程分別為71 km、167 km。電站裝機(jī)容量為1 200 MW，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，建成后將承擔(dān)廣東電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)，提高廣東電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力。

水源山蓄能采用地下式廠房布置，輸水系統(tǒng)總長約為2 785.4 m，其中：引水系統(tǒng)長為1 547.9 m，尾水系統(tǒng)長為1 237.5 m。輸水系統(tǒng)建筑物主要包括上/下庫有進(jìn)出水口、引水隧洞、壓力鋼管、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞等。供水方式為一洞四機(jī)供水，襯砌形式除引水支管和尾水支管采用鋼管襯砌外，其余均采用鋼筋混凝土襯砌。電站單機(jī)發(fā)電額定流量為63.62 m3/s，最大抽水流量為57.33 m3/s。引水隧洞洞徑為8.5 m，采用鋼筋混凝土“卜”形岔管，后接引水鋼支管，管徑為3.5 m，廠房下游尾水鋼支管管徑為4.6 m，通過“卜”形混凝土岔管連接尾水隧洞，洞徑為8.5 m。高壓隧洞最大靜水頭為667 m。

2 壓力鋼管布置

輸水系統(tǒng)采用一洞四機(jī)供水，引水隧洞末端通過“卜”形岔管分成4條引水鋼支管，4條鋼管平行布置，長度為195～220 m。管徑為3.5 m，在靠近廠房上游約24 m處漸變?yōu)?.3 m后，與廠房軸線成90°正向進(jìn)入發(fā)電廠房。尾水鋼支管垂直于廠房出水，通過“卜”形鋼筋混凝土岔管與尾水隧洞相連。尾水鋼管管徑為4.6 m，長度為114～140 m。壓力鋼管平面、縱剖面布置如圖1和圖2所示。

圖1 壓力鋼管平面布置示意

圖2 壓力鋼管縱剖面布置示意

3 壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1) 鋼管管材

根據(jù)輸水系統(tǒng)壓力鋼管所承受的荷載情況，為避免鋼管厚度過大，在不同部位采用不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材[1-2]。其中引支鋼管內(nèi)水頭較高，PD值達(dá)2 235 m2，根據(jù)目前國內(nèi)已建電站的經(jīng)驗(yàn)，采用600 MPa級(jí)鋼材。

尾支鋼管內(nèi)水頭相對(duì)較低，采用壓力容器用鋼。計(jì)算分別按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056—2015)[3]中調(diào)質(zhì)鋼07MnCrMoVR和壓力容器用鋼Q345R的強(qiáng)度參數(shù)取值(見表1所示)。

表1 鋼管鋼材強(qiáng)度指標(biāo) MPa

2) 地質(zhì)條件及圍巖參數(shù)

水源山蓄能壓力鋼管可分為廠內(nèi)明管和埋藏式鋼管兩部分，其中廠房上游邊墻至球閥之間的鋼管為廠房內(nèi)明管，廠房上游的引水鋼管埋于巖體內(nèi)，為埋藏式鋼管，尾水鋼管位于廠房下游巖體中，埋藏式壓力鋼管采用圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)。

根據(jù)可研階段地質(zhì)勘測成果，水源山蓄能壓力鋼管上覆弱～微風(fēng)化巖體，厚為403～431.8 m，洞身圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，局部斷層及影響帶圍巖類別為Ⅳ類。斷層f120、f130、f135從引水鋼支管穿過，巖石完整性較好～好，以弱～微透水性為主，地下水活動(dòng)微弱，不會(huì)形成大的涌水，斷層帶沿結(jié)構(gòu)面有滲滴水或線狀水流現(xiàn)象(計(jì)算采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2)。

表2 圍巖分類及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 鋼管抗內(nèi)壓結(jié)構(gòu)計(jì)算及抗外壓穩(wěn)定復(fù)核

壓力鋼管強(qiáng)度及壁厚以運(yùn)行期設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作為控制條件，以放空檢修期地下外水壓力作為復(fù)核條件[4]。

1) 內(nèi)壓荷載取值

引水鋼管段設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為鋼管所承受的最大內(nèi)水壓力，取水力過渡過程計(jì)算中蝸殼進(jìn)口處最大水擊壓力，取9.19 MPa；尾水鋼管段最大內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值取水力過渡過程計(jì)算中尾水管出口處最大水擊壓力與尾水調(diào)壓室最高涌浪對(duì)應(yīng)的內(nèi)動(dòng)水壓力值二者之間大值，取1.59 MPa。

2) 外壓荷載取值

壓力鋼管的外壓荷載主要有施工期的圍巖壓力、灌漿壓力和檢修期地下水壓力等。施工期的圍巖荷載在隧洞開挖施工時(shí)，通過噴錨支護(hù)使圍巖完成自穩(wěn)，因此鋼管設(shè)計(jì)不考慮圍巖壓力荷載。對(duì)于施工期的灌漿荷載，為臨時(shí)荷載和點(diǎn)荷載，施工過程中可以通過在鋼管內(nèi)增加內(nèi)支撐以及合理的控制灌漿壓力、調(diào)整灌漿程序等措施解決，所以灌漿壓力可不作為鋼管外壓的設(shè)計(jì)荷載。因此壓力鋼管的抗外壓穩(wěn)定復(fù)核設(shè)計(jì)荷載主要為外水壓力[5-6]。

壓力鋼管段設(shè)計(jì)外水壓力取值：

① 混凝土岔管至排水廊道上游之間的引水鋼管段：假設(shè)地下水位上升至地表時(shí)，地面線與鋼管高程差值作為設(shè)計(jì)外水壓力，約487.6 m，此時(shí)鋼管的抗外壓穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)按大于1取值，即保證在極端情況下，鋼管的抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)仍能大于1。

② 排水廊道覆蓋的引水鋼管段：考慮引水支管頂部排水廊道的排水作用，排水廊道底高程至壓力鋼管之間取全水頭，排水廊道底高程至地面之間的水頭，根據(jù)工程水文地質(zhì)條件，按照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10391—2020)[7]附錄E中折減系數(shù)進(jìn)行折減，計(jì)算取0.3，鋼管外水壓力設(shè)計(jì)值取二者相加，取256.9 m。鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35011—2016)中6.0.11要求取值。

③ 尾水鋼管段：由于尾水壓力頂部有母線洞、主變洞、尾閘巡視通道等眾多附屬洞室，其圍巖厚度不到2～3倍的開挖洞徑，且位于廠房防滲排水區(qū)域以內(nèi)，因此山體地下水一般較難滲透到尾水鋼管外壁形成外水壓力。尾水鋼管的外水壓力主要來自于鋼混凝土襯砌段內(nèi)水外滲形成的外壓。綜合考慮尾水鋼管距離鋼筋混凝土襯砌段的距離、廠房洞室布置及防滲排水系統(tǒng)布置，尾閘室上游段鋼管外水壓力取尾水隧洞最大內(nèi)靜水壓力的0.3倍，為35.7 m；尾閘室下游段取尾水隧洞最大內(nèi)靜水壓力的0.5倍，為59.5 m。

3) 壓力鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上壓力鋼管內(nèi)外壓荷載取值，并按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35011—2016)中的相關(guān)公式計(jì)算，計(jì)算原則[8-10]如下：

① 廠房上游邊墻上游9 m范圍內(nèi)管徑2.3 m的引支鋼管按明管設(shè)計(jì)，內(nèi)水壓力全部由鋼管承擔(dān)，鋼板抗力限值取明管抗力限值。

② 廠房上游邊墻上游9～21 m范圍內(nèi)管徑3.5～2.3 m漸變管按埋管設(shè)計(jì)，但不計(jì)圍巖抗力，即K0=0，鋼板抗力限值取埋管抗力限值。

③ 廠房上游邊墻上游21 m范圍之外的管徑3.5 m引支鋼管按埋管設(shè)計(jì)，考慮與圍巖聯(lián)合承載，鋼板抗力限值取埋管抗力限值。

④ 尾水肘管出口至尾閘室上游段尾支鋼管按明管設(shè)計(jì)，內(nèi)水壓力全部由鋼管承擔(dān)，鋼板抗力限值取明管抗力限值。

⑤ 尾閘室下游至鋼筋混凝土岔管段尾支鋼管按埋管設(shè)計(jì)，考慮與圍巖聯(lián)合承載，鋼板抗力限值取埋管抗力限值。

壓力鋼管設(shè)計(jì)成果見表3所示。

表3 壓力鋼管設(shè)計(jì)成果

4 壓力鋼管灌漿設(shè)計(jì)

1) 回填灌漿

為減小壓力鋼管頂部回填混凝土與圍巖之間的縫隙，在壓力鋼管回填混凝土頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行埋管回填灌漿，灌漿壓力為0.5 MPa。

2) 帷幕灌漿

分別在引水鋼支管與引水鋼筋混凝土岔管相接部位，和尾水鋼支管與尾水鋼筋混凝土岔管相接部位，各設(shè)置兩排帷幕灌漿孔，排距為2 m，孔深為6～8 m，灌漿壓力為2～3 MPa，用于阻隔鋼筋混凝土襯砌段的高壓水外滲對(duì)壓力鋼管的影響，采用在鋼管開孔灌漿，灌漿完成后對(duì)開孔進(jìn)行封堵。

3) 固結(jié)灌漿

為減小與混凝土襯砌連接段附近鋼管外圍巖的透水性，增加圍巖彈性抗力，提高鋼管和圍巖聯(lián)合承載能力，分別在引水鋼支管帷幕灌漿孔下游和尾支鋼管帷幕灌漿孔上游各布置6～8排固結(jié)灌漿孔，排距為2 m，孔深為3 m，灌漿壓力為2～3 MPa，采用在鋼管開孔灌漿。

4) 接觸灌漿

為減小壓力鋼管管壁與底部回填混凝土之間的縫隙，在壓力鋼管底部90°范圍內(nèi)進(jìn)行埋管接觸灌漿，灌漿壓力為0.3 MPa。

5 壓力鋼管防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程采用先防滲和后排水方案[11-12]：即先設(shè)置防滲帷幕，阻止高壓內(nèi)水外滲后，滲向鋼管段和廠房區(qū)域；然后在帷幕下游設(shè)置排水廊道及排水孔，降低這一區(qū)域的外水位；同時(shí)在鋼管表面設(shè)置排水系統(tǒng)，直接降低滲向鋼管表面的水壓力。

5.1 防滲設(shè)計(jì)

在高壓引水混凝土岔管下游，距離岔支管末端約20 m的引支鋼管首端，利用現(xiàn)有地質(zhì)探洞開挖布置1條平行于引水岔主管軸線的灌漿廊道，通過灌漿廊道鉛直向下設(shè)置1排帷幕灌漿孔，通過灌漿帷幕阻隔高壓隧洞及高壓岔管內(nèi)水外滲后可能滲向下游的滲漏通道，延長滲徑。同時(shí)將防滲帷幕上游側(cè)的地質(zhì)探洞全部回填封堵。

帷幕灌漿廊道底高程約為392 m，帷幕灌漿孔間距為2.0 m，孔深約為150 m。采用分段灌漿，灌漿壓力為3.0～7.0 MPa。

5.2 排水設(shè)計(jì)

壓力鋼管排水系統(tǒng)分直接排水系統(tǒng)和間接排水系統(tǒng)兩種形式。

5.2.1間接排水系統(tǒng)

首先是利用高程約392 m已有的地質(zhì)支探洞，向壓力鋼管區(qū)域開挖幾條排水洞組成1個(gè)“E”字形的排水廊道，與廠房頂部的地質(zhì)探洞搭接，形成1個(gè)封閉的排水系統(tǒng)。 在排水廊道頂部設(shè)Φ76的排水孔，間距為5 m，孔深為20～40 m。排水洞與高壓岔管的高差約為160 m，水力梯度約為4.2。

5.2.2直接排水系統(tǒng)

直接排水系統(tǒng)分為鋼管管壁排水系統(tǒng)和鋼管巖壁排水系統(tǒng)。

1) 鋼管管壁排水系統(tǒng)

管壁排水由排水角鋼、環(huán)向集水管和排水主管組成。排水角鋼緊貼鋼管管壁布置，沿鋼管外壁布置4條縱向角鋼。角鋼與管壁的焊接采用跳焊，非焊接部位在澆筑混凝土前涂工業(yè)肥皂，角鋼上焊上拉筋，拉筋埋設(shè)在混凝土中。另外，每隔5 m設(shè)DN100環(huán)向集水管連通各角鋼，再用DN100排水主管將收集水引到3#堵頭外。

2) 鋼支管巖壁排水系統(tǒng)

在鋼支管斷面頂拱巖石和回填混凝土之間，隔一定距離每圈在頂拱向上打2個(gè)排水孔，排水孔內(nèi)設(shè)塑料管，端部為花管，下部與沿高壓鋼管縱向布置的2條縱向集水管相連，再用DN100環(huán)向收集管連通縱向集水管，將收集的水引到3#堵頭外。排水孔暫按Φ50、孔深5.0 m，間距3.0 m系統(tǒng)布置，對(duì)斷層裂隙處可適當(dāng)加密。

在所有排水孔孔口段埋管安裝閘閥和壓力表，根據(jù)運(yùn)行情況和排水孔實(shí)際工作情況進(jìn)行閘閥的開與關(guān)。

6 結(jié)語

水源山蓄能的壓力鋼管與地下廠房上下游直接相連，其PD值較大，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，壓力鋼管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)工程安全至關(guān)重要。根據(jù)工程水文地質(zhì)條件，采用壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算原則、檢修期外水壓力荷載的取值方法等參考了廣蓄、惠蓄等已建成工程的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼管壁厚和抗外壓穩(wěn)定計(jì)算有較大影響。類似工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程具體布置，結(jié)合其工程所在區(qū)域的水文地質(zhì)特點(diǎn)，充分了解圍巖地質(zhì)條件，吸取國內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，合理的選擇計(jì)算方法和設(shè)計(jì)外水壓力取值，科學(xué)的進(jìn)行灌漿、防滲排水設(shè)計(jì)，使壓力鋼管的設(shè)計(jì)安全、有效、合理、經(jīng)濟(jì)。