格曲二級水電站高水頭埋藏式壓力鋼管設(shè)計

焦萬明

1 工程概況

格曲二級水電站位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣境內(nèi)，壩址在格曲上，廠房在切木曲上，格曲系切木曲的一級支流，黃河的二級支流，壩址處河床高程約3 384 m，電站廠房距離瑪沁縣城大武鎮(zhèn)53 km，距離省府西寧493 km。格曲二級水電站為一混合式電站，裝機容量54 MW，2 臺27 MW沖擊式水輪機組，發(fā)電水頭391 m，設(shè)計引用流量17.3 m3/s。

格曲二級水電站主體工程由攔河壩、發(fā)電引水隧洞、廠房、升壓站、生活區(qū)和送出工程等組成。水庫正常蓄水位3 422 m，總庫容為288 萬m3，大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程3 425 m，最大壩高48.5 m，壩頂長度151 m；引水隧洞總長度8.1 km，由上平段、斜井段和下平段組成，其中上平段長7.3 km，斜井段長度463 m，下平段長348 m。上平段為低壓隧洞，采用鋼筋混凝土或噴混凝土襯砌，圓形斷面，開挖斷面直徑3.8 m，襯砌后直徑為3.1 m 和3.6 m，斜井段和下平段為高壓段，采用埋藏式壓力鋼管，開挖斷面直徑3.7 m，管徑2.5 m。

2 發(fā)電引水隧洞總體布置

2.1 平面和縱剖面布置

進水口布置在格曲右岸，壩軸線上游170 m處，為了充分利用有利地形和河道落差，發(fā)電廠房布置在切木曲上，位于格曲匯口下游5.85 km 處切木曲的右岸，引水線路平面長度7 946 m（進水口至岔管中心）。引水隧洞由上平段、斜井段和下平段組成，其中上平段0+000—7+300 長7.3 km，洞底高程3 410.0～3 384.17 m，平均坡降3.54‰，斜井段7+300—7+597 長463 m，坡度50°，管底高程3 384.17～3 029.65 m，下平段 7+597—7+946 長 348 m，管底高程3 029.65 m，坡度水平，樁號7+946處出洞接岔管。斜井段和下平段采用埋藏式壓力鋼管。引水發(fā)電洞開挖于2011 年9 月開始，2013年8 月貫通。

2.2 引水系統(tǒng)水力過渡計算結(jié)果

本電站采用沖擊式水輪機組，經(jīng)充分論證分析，本引水系統(tǒng)不設(shè)調(diào)壓室，機組噴嘴按直線規(guī)律啟閉，啟閉時間不低于120 s；折向器關(guān)閉時間不大于2.5 s，此情況下，系統(tǒng)最大壓力為416.55 m，出現(xiàn)在配水環(huán)管處，最小壓力為2.83 m，出現(xiàn)在樁號0+900 處。根據(jù)計算，考慮水錘后，斜井段和下平段最高內(nèi)水壓力為70～430 m。

3 埋藏式壓力鋼管設(shè)計

引水隧洞的上平段末端（27 m）、斜井段（455 m）和下平段（355 m）采用埋藏式壓力鋼管，總長837 m。

3.1 地質(zhì)條件

7+276—7+600 洞室以Ⅲ類圍巖為主，為三疊系變質(zhì)砂巖，屬中硬巖，厚層-巨厚層狀，單層厚度一般為0.5～2 m，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整。

7+600—7+900 洞室以Ⅲ類圍巖為主，為三疊系變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀NW85°SW∠85°，巖層面近于垂直，薄層-中厚層狀，單層厚度一般為0.1～0.5 m，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整。

Ⅲ類圍巖巖石飽和抗壓強度30～50 MPa，變形模量（5～10）×103MPa，f=6～8，k0=20～30。

7+900—7+930 洞室為Ⅳ類圍巖，構(gòu)造影響嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，張開，貫通性、連續(xù)性好且夾泥，巖體切割嚴(yán)重，完整性差。巖體一般為碎塊狀-碎裂狀強風(fēng)化層或薄層-極薄層板巖，巖石飽和抗壓強度10～30 MPa，變形模量（0.5～5）×103MPa，f=4～6，k0=5～15。

3.2 壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算

3.2.1 基本條件和參數(shù)

根據(jù)水力過渡過程計算，當(dāng)機組噴嘴啟閉規(guī)律按120 s 一段直線啟閉、折向器2.5 s 關(guān)閉時，鋼管下平段末端最高壓力420 m，斜井起始處最高壓力70 m，計算中斜井段內(nèi)水壓力取70～430 m，下平段取430 m。本工程壓力鋼管為埋管，不做壓水試驗，僅對岔管做壓水試驗（內(nèi)水壓為537.5 m）。

地下水位一般在地表以下50 m 左右，隧洞地下水活動性輕微，外水壓力折減系數(shù)0.1～0.4，本工程取0.4，確定出斜井段外水壓力44～110 m，下平段外水壓力110～0 m。灌漿壓力按0.6 MPa 考慮，故鋼襯段設(shè)計外壓值最小按0.6 MPa 計算（斜井段起始處），最大按1.1 MPa 計算（斜井末段和下平段的前半段）。

鋼管直徑2.5 m，采用16 MnR 容器鋼。鋼材屈服強度σs為345、325、305 MPa（按壁厚不同），鋼材彈性模量Es=206 000 MPa。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1，設(shè)計狀況系數(shù)ψ=1（持久）/0.9（短暫），焊縫系數(shù)φ=0.95，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.6（明管）/1.3（埋管），水壓試驗工況的γd降低10%。

3.2.2 管壁厚度計算方法

鋼管厚度計算按明管公式和埋管公式兩種情況比較確定，按明管計算是從安全角度考慮，圍巖抗力作為安全儲備；按埋管計算更接近實際，從經(jīng)濟角度考慮。當(dāng)壓力鋼管壁厚按明管計算時，內(nèi)水壓力完全由鋼管單獨承受，混凝土、圍巖承擔(dān)的內(nèi)水壓力做為安全儲備，采用這種情況計算的壁厚時，管壁厚度較厚，鋼管鋼材量大，但可以不做固結(jié)灌漿和接觸灌漿，減小灌漿難度，加快施工進度；當(dāng)壓力鋼管壁厚按埋管且鋼襯、混凝土和圍巖聯(lián)合受力計算時，對鋼管材料量而言比較經(jīng)濟，但要做可靠的接觸灌漿和回填灌漿，并做一定的固結(jié)灌漿，若在鋼管上開設(shè)灌漿孔將對鋼管應(yīng)力不利；按埋管公式計算但鋼襯單獨受力考慮時，介于上述兩種情況之間。

3.2.2.1 抗內(nèi)壓計算

（1）鋼襯單獨承擔(dān)內(nèi)壓時鋼襯厚度由以下公式計算：

式中P——內(nèi)壓；

r——鋼襯內(nèi)半徑；

σR——鋼襯材料的抗力極限（按明管、埋管分別計算時，取值不同）。

由上式計算得到的鋼襯厚度往往無法滿足抗外壓的要求，需增加鋼襯的厚度或設(shè)置加勁環(huán)。

（2）鋼襯與圍巖聯(lián)合承擔(dān)內(nèi)壓時，鋼襯厚度按以下公式計算：

相應(yīng)鋼管最大環(huán)向應(yīng)力則按下式計算（隧洞有足夠的巖體覆蓋厚度）：

式中K0——圍巖的單位抗力系數(shù)，N/mm3；

δ2——由初始縫隙、鋼管和圍巖的冷縮縫組成。

3.2.2.2 抗外壓計算

（1）分段式光面管管壁抗外壓穩(wěn)定按下式計算：

式中Pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值，MPa；

Es——鋼材彈性模量，MPa；

P0K——徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；

K0——抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，對光面管取2.0。

設(shè)有加勁環(huán)的明管，加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定分析，臨界外壓值可采用米賽斯公式計算。

（2）埋管外壓計算公式有經(jīng)驗公式和阿姆斯特茲公式。

經(jīng)驗公式：

式中Pcr——抗外壓臨界壓力計算值，MPa；

σs——鋼材屈服點，即標(biāo)準(zhǔn)強度，MPa。

阿姆斯特茲公式：

σk由下式求得：

式中σk——由外壓引起的管壁屈服處的平均應(yīng)力，MPa；

σs2——平面應(yīng)變問題的鋼材屈服點，MPa；

fsk——鋼材標(biāo)準(zhǔn)強度，MPa；

δ2p——δ2與圍巖塑性壓縮縫隙值δp之和，mm；

δp——圍巖塑性壓縮縫隙值，若K01=0，則取δ2p=δ2與δ2p=二者之中的大值；

Er0、Er——圍巖變形模量、彈性模量，MPa。

如鋼襯設(shè)有加勁環(huán)，則對加勁環(huán)和鋼襯都需作外壓穩(wěn)定計算，環(huán)間鋼襯抗外壓的計算公式與明管相同。具體公式如下。

如有加勁環(huán)，加勁環(huán)的穩(wěn)定性臨界外壓計算公式為：

式中AR——加勁環(huán)有效截面積，mm2，按下式計算：

H——加勁環(huán)高度，mm；

a——厚度，mm；

l——間距，mm。

3.2.3 管壁厚度計算結(jié)果

3.2.3.1 按明管計算

（1）抗內(nèi)壓計算。通過計算，水頭70～140 m時計算壁厚為6～12 mm，設(shè)計取12 mm；水頭150～430 m 時，壁厚14～32 mm，對出口段取34 mm，分段時按壁厚2 mm 遞增，共分14 段（A～N）。

（2）抗外壓計算。從計算結(jié)果看，壁厚為32 mm時，能承受0.43 MPa 的外壓，不滿足本工程要求，當(dāng)壁厚為44 mm 時才可承受1.12 MPa 的外壓，故通過設(shè)置加勁環(huán)來減小管壁厚度。

按明管計算并設(shè)加勁環(huán)的壁厚計算結(jié)果見表1。

根據(jù)上述計算，按明管計算壁厚并設(shè)加勁環(huán)時，鋼管總重量為1 442.38 t（其中加勁環(huán)117.25 t）。

表1 壓力鋼管壁厚及加勁環(huán)計算結(jié)果表（方案1，按明管）

3.2.3.2 按埋管計算

（1）抗內(nèi)壓計算。通過計算，水頭60～180 m時計算壁厚為5～12 mm，設(shè)計取12 mm；水頭190～430 m 時，壁厚14～26 mm，對出口段取32 mm，分段時按壁厚2 mm 遞增，共分11 段（A～K）。

（2）抗外壓計算。從計算結(jié)果看，當(dāng)壁厚為12～18 mm 時能承受 0.49～0.96 MPa 的外壓，不滿足本工程外壓要求，通過設(shè)置加勁環(huán)來滿足抗外壓；壁厚為20 mm 時，能承受1.15 MPa 的外壓，能滿足本工程要求，僅按構(gòu)造要求每15 m 設(shè)一道加勁環(huán)。

按埋管計算并設(shè)加勁環(huán)的壁厚計算結(jié)果見表2。

根據(jù)上述計算，按埋管計算壁厚并設(shè)加勁環(huán)時，鋼管總重量為1 179.09 t（其中抗外壓加勁環(huán)63.70 t，構(gòu)造加勁環(huán) 8.38 t）。

3.2.3.3 按埋管計算，不設(shè)加勁環(huán)

為降低鋼管施工安裝難度、提高灌漿質(zhì)量、加快施工進度，本鋼管不設(shè)抗外壓加勁環(huán)（僅按每15 m設(shè)構(gòu)造加勁環(huán)），加厚管壁厚度來滿足抗外壓要求，通過計算將方案2 中的A-F 段管壁厚度加厚為18～22 mm 即可不設(shè)加勁環(huán)。按埋管計算壁厚不設(shè)抗外壓加勁環(huán)的壁厚計算結(jié)果見表3，鋼管總重量為1 217.77 t（其中構(gòu)造加勁環(huán)13.27 t）。

表2 壓力鋼管壁厚及加勁環(huán)計算結(jié)果表（方案2，按埋管）

表3 壓力鋼管壁厚計算結(jié)果表（方案3，按埋管，不設(shè)加勁環(huán)）

通過對以上3 種壁厚方案分析計算，方案1 鋼管用量最大，方案2 鋼管用量最小，方案3 介于兩者之間。方案1 按明管計算，比較安全，可以不灌漿，加快施工進度，減小施工難度，但是偏于保守，鋼材用量大；方案2 和方案3 按埋管計算，比較經(jīng)濟，方案2 上半段350 m 長度范圍內(nèi)需要設(shè)加勁環(huán)，而管壁厚度小，鋼材總量小，但是全線設(shè)加勁環(huán)且間距在0.7～1 m 之間，施工難度大，對混凝土澆筑和接縫灌漿的密實性影響較大，不易保證施工質(zhì)量；方案3 對斜井上半段加厚鋼管壁厚，厚度按抗外壓確定，不設(shè)加勁環(huán)，僅按每15 m 設(shè)一道構(gòu)造加勁環(huán)，以減小施工難度，加快施工進度，保證混凝土澆筑和接縫灌漿施工質(zhì)量。故推薦采用壁厚方案3。