對水電站壓力鋼管管道構(gòu)造的技術(shù)分析

張 萍，黃端梅

(江西省撫州市水電勘測設(shè)計(jì)院，江西 撫州 34400)

壓力管道是從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的水管，一般為有壓狀態(tài)。壓力鋼管的主要荷載為內(nèi)水壓力，管道的內(nèi)直徑D(m)和其承受的水頭H(m)及其乘積HD值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參數(shù)值。

1 壓力鋼管直徑的確定

鋼管直徑的大小是壓力管道的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。管道的直徑越小，管道的用材和造價(jià)越低，但管道中的流速也就越高，水頭損失和發(fā)電量損失也越大。因此，管道直徑的確定不僅是一個(gè)技術(shù)問題，還是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

式中:Qmax為壓力管道設(shè)計(jì)流量，m3/s;H為設(shè)計(jì)水頭(包括水錘壓力)，m;K為系數(shù)。

1.2 經(jīng)濟(jì)流速法

壓力管道的經(jīng)濟(jì)流速一般為4～6 m/s，最大不超過7 m/s，選定經(jīng)濟(jì)流速Ve后，根據(jù)水管引用流量Q用下面的公式確定管道直徑:

2 壓力鋼管的構(gòu)造

2.1 接縫與接頭

鋼管按管身構(gòu)造可分為以下幾種:

1)無縫鋼管:其直徑較小，適用于高水頭小流量的情況。

2)焊接鋼管:適用于較大直徑的情況。焊接鋼管由彎成圓弧形的鋼板焊接而成，一般相鄰兩節(jié)管道的縱縫應(yīng)錯(cuò)開一定角度，以避免焊縫薄弱點(diǎn)在同一直線上。

3)箍管:當(dāng) HD＞1 000m2時(shí)，鋼板厚度一般會(huì)超過40 mm，其加工比較困難，因而在這種情況下常采用箍管，箍管是在焊接管或無縫鋼管外套以無縫的鋼環(huán)(鋼箍，稱為加勁環(huán))，從而使管壁和鋼箍共同承受內(nèi)水壓力，以減小管壁鋼板的厚度。由于箍管加工復(fù)雜，故僅用于水頭極高的水電站。

2.2 彎管和漸縮管

鋼管隨地形布置，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)改變方向的情況，需要裝置彎管，彎管折線段兩端徑向線不宜超過10°，夾角越小，水流條件越好，彎管的曲率半徑不宜小于3倍管徑，不同直徑鋼管段連接時(shí)，需設(shè)置漸縮管。

2.3 加勁環(huán)

當(dāng)薄壁鋼管不能抵抗外壓和滿足不了運(yùn)輸或安裝要求時(shí)，單純增加管壁厚度來滿足剛度要求不經(jīng)濟(jì)，因此要加設(shè)加勁環(huán)。

2.4 分岔管

當(dāng)采用聯(lián)合供水或分組供水時(shí)，需設(shè)置分岔管，將總管水流分配給各支管。當(dāng)鋼管正向進(jìn)水時(shí)，采用對稱分岔;當(dāng)鋼管為側(cè)向和斜向進(jìn)水時(shí)，多采用非對稱分岔，見圖1。

3 壓力鋼管的敷設(shè)方式和支承結(jié)構(gòu)

3.1 敷設(shè)方式

由于明鋼管一般長度都很大，所以常分段敷設(shè)，即在直線段每隔120～150 m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處(包括平面轉(zhuǎn)彎和立面轉(zhuǎn)彎)設(shè)置鎮(zhèn)墩，以固定鋼管，防止鋼管發(fā)生位移。明鋼管的敷設(shè)方式有以下兩種:

圖1 分岔管布置圖

圖2 明鋼管敷設(shè)方式布置圖

3.1.1 分段式

在相鄰兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮接頭(見圖2)，當(dāng)溫度變化時(shí)，管道可沿管軸線方向移動(dòng)，伸縮接構(gòu)造復(fù)雜，易漏水，常布置在鎮(zhèn)墩以下第一節(jié)管的橫向接縫處，以減少伸縮接內(nèi)水壓力。鎮(zhèn)墩之間的管段用一系列等間距的支墩支承。

3.1.2 連續(xù)式

兩鎮(zhèn)墩之間的管身連續(xù)敷設(shè)，中間不設(shè)伸縮接頭(見圖2)，由于管道兩端固定，當(dāng)溫度變化時(shí)，管身將產(chǎn)生很大的軸向溫度應(yīng)力。

3.2 壓力鋼管支承結(jié)構(gòu)

3.2.1 鎮(zhèn)墩

鎮(zhèn)墩的作用是靠本身的重量固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力，防止水管產(chǎn)生位移，一般設(shè)置在壓力管道轉(zhuǎn)彎處，當(dāng)管道直線段較長時(shí)，每隔100～150 m應(yīng)設(shè)置一個(gè)中間鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩一般為混凝土重力式結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級不低于C15。若基礎(chǔ)為土基，鎮(zhèn)墩底面宜作成水平;若為巖基，底面宜作成臺階式。分封閉式和開敞式兩種型式。

封閉式:見圖3，鋼管被埋在封閉的混凝土體中。鎮(zhèn)墩表層需布置溫度筋，鋼管周圍設(shè)置環(huán)向筋和一定數(shù)量錨筋。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，固定效果好。

開敞式:見圖4，利用錨栓將鋼管固定在混凝土基礎(chǔ)上。鎮(zhèn)墩處的管壁受力不均勻，錨環(huán)施工復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)是便于檢查維修。

圖3 封閉式鎮(zhèn)墩

圖4 開敞式鎮(zhèn)墩

3.2.2 支墩

支墩用于承受水重和管重的法向分力。相當(dāng)于連續(xù)梁的滾動(dòng)支承，允許水管在軸向自由移動(dòng)(溫度變化時(shí))。按支墩上的支座與管身相對位移的特征，有以下幾種型式:

滑動(dòng)支墩:如圖5所示，鋼管發(fā)生軸向伸縮時(shí)，沿支座頂面滑動(dòng)，有鞍式與支承環(huán)式兩種，適用于管徑1～3 m的鋼管。滾動(dòng)支墩:如圖6所示，在支承環(huán)與墩座之間加圓柱形輥軸，鋼管發(fā)生軸向伸縮時(shí)，輥軸滾動(dòng)，適用于垂直荷載較小而管徑＞2 m的鋼管。

擺動(dòng)支墩:如圖7所示，在支承環(huán)與支承面之間設(shè)置一擺動(dòng)短柱。短柱下端與支承板鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的承板接觸。鋼管沿軸向伸縮時(shí)，短柱以鉸為中心前后擺動(dòng)。其摩擦力很小，能承受較大的垂直荷載，適用于管徑＞2 m的鋼管。

4 壓力鋼管管道上的附件

4.1 閥門

壓力水管的進(jìn)、出口處都要設(shè)置控制設(shè)施，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時(shí)用以切斷水流，且對分組供水和聯(lián)合供水的壓力水管，也可提高它的運(yùn)行靈活性。設(shè)在進(jìn)口處的通常采用平板閘門，出口通常采用閥門，常見的有3種閥門:閘閥、蝴蝶閥與球閥。

4.2 伸縮節(jié)

為使露天式壓力鋼管受到溫度變化或水溫變化影響時(shí)管身能沿軸線自由伸縮，并適應(yīng)少量的不均勻沉陷，常在管道上設(shè)置伸縮節(jié)見圖8。

4.3 通氣閥

通氣閥常布置在閥門之后。當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時(shí)，水管中的負(fù)壓使通氣閥打開向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓;水管充水時(shí)，管中空氣從通氣閥排出，然后再關(guān)閉閥門。

4.4 進(jìn)人孔

為了檢修方便，在鋼管鎮(zhèn)墩的上游側(cè)通常設(shè)置進(jìn)人孔。進(jìn)人孔間距一般為150 m，不宜超過300 m。進(jìn)人孔為圓形或橢圓形，其直徑(或短軸)一般≥45 cm。為保證正常運(yùn)行期間不漏水，進(jìn)人孔蓋與外接套管之間要設(shè)止水盤根。

圖5 滑動(dòng)式支墩

圖6 滾動(dòng)式支墩

圖7 搖擺式支墩

圖8 伸縮節(jié)

4.5 旁通閥

旁通閥設(shè)在水輪機(jī)進(jìn)水閥門處，與閘門處的旁通管作用相同，使閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。

4.6 過流保護(hù)裝置和防腐蝕措施

大型鋼管應(yīng)設(shè)置過流保護(hù)裝置。這種裝置在鋼管破裂后管內(nèi)流速增大時(shí)，能迅速發(fā)出信號關(guān)閉進(jìn)口閘閥，防止事故擴(kuò)大。為了防止鋼管關(guān)閉內(nèi)外被泥沙磨損和銹蝕，應(yīng)在關(guān)閉表面噴鍍一層150～200 μm的鋅或者用油漆涂料保護(hù)。

5 工程實(shí)例

君山水電站位于江西省撫州市宜黃縣南源鄉(xiāng)水口村下游約0.5 km處，距縣城約21 km，是撫河宜黃水支流梨溪水上的一個(gè)梯級電站，壩址以上控制流域面積99.5 km2，總庫容407萬m3，正常蓄水位189.0 m，設(shè)計(jì)洪水位(3.33%)193.46 m，校核洪水位195.09 m，電站裝機(jī)容量3×800 kw(初步設(shè)計(jì)批復(fù)3臺，受資金限制實(shí)裝機(jī)2臺)，樞紐工程由雙曲拱壩，發(fā)電引水隧洞及高壓水道、廠房及升壓站等組成。高壓水道則由壓力鋼管、岔管、伸縮節(jié)、支墩、鎮(zhèn)墩等部件組成，見圖 9、10。

圖9 君山水電站高壓水道平面圖

圖10 君山水電站高壓水道縱剖面圖

露天式高壓明鋼管(樁號0+000～1+106.37)呈直線走向，采用無縫鋼管，鋼管內(nèi)徑1.6 m，壁厚14 mm;高壓岔管(樁號1+106.37～1+121.29)采用對稱分岔“Y”形布置，分岔角為60°岔管內(nèi)徑1.0 m，壁厚10 mm。鋼管與水輪機(jī)連接采用閘閥控制。

由于鋼管長度較長，采用分段敷設(shè)，封閉式鎮(zhèn)墩布置于隧洞接口處(0+000)與高壓明鋼管轉(zhuǎn)彎(0+106.37)處，為C20混凝土結(jié)構(gòu)，鎮(zhèn)墩與鎮(zhèn)墩之間設(shè)置支承環(huán)式滑動(dòng)型支墩，間距為10m，相鄰鎮(zhèn)墩之間布置伸縮節(jié)。

6 總結(jié)

通過對壓力鋼管構(gòu)造的解析，對水電站壓力水道建設(shè)能提供良好幫助，使得工程建設(shè)更為完整，為工程安全運(yùn)行提供良好保障。

[1] 馬善定.水電站建筑物(第二版)[M].北京:水利水電出版社，2008.

[2] 張麗.水電站[M].鄭州:黃河水利出版社，2009.

[3] 國家電力公司西北勘測設(shè)計(jì)研究院.DL/T5141-2001水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2001.