馮 華

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

某抽水蓄能電站高壓管道設(shè)計問題探討

馮 華

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

某抽水蓄能電站高壓管道具有內(nèi)水壓力和外水壓力均較高的特點，文章針對該電站招標(biāo)階段高壓管道設(shè)計情況進行了詳細地分析和總結(jié)，并針對設(shè)計中遇到的問題結(jié)合已建抽水蓄能電站的設(shè)計經(jīng)驗進行了深入剖析，提出解決方法。結(jié)合該抽水蓄能電站高壓管道的設(shè)計，提出若干建議以供類似工程借鑒。關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；高壓管道；排水廊道；外水壓力；折減；地勘洞

1 高壓管道布置概況

某抽水蓄能電站高壓管道采用1洞2機的布置方式，由高壓主管、岔管和高壓支管組成，除上平段采用鋼筋混凝土襯砌外，其余洞段均設(shè)置壓力鋼管。每條高壓主管立面上采用雙斜井布置，設(shè)有上平段、上斜井段、中平段、下斜井段和下平段。下平段后接高壓岔管，岔管采用對稱“Y”形內(nèi)加強月牙肋鋼岔管，岔管后為高壓支管，高壓支管斜向進入廠房，與廠房軸線夾角為70°。

該抽蓄高壓管道段地下水位較高，天然地下水水頭約為25～315 m。地下水主要以圍巖裂隙滲水為主，該工程高壓管道設(shè)置2套排水系統(tǒng)，即鋼管貼壁直接排水系統(tǒng)和高壓管道排水廊道的間接排水系統(tǒng)。貼壁排水系統(tǒng)是在鋼管壁上沿洞軸線方向布置排水角鋼和環(huán)向槽鋼，并通過槽鋼下的排水鋼管將外水引至高壓管道排水廊道，最終匯入地下廠房集水井。間接排水系統(tǒng)是在立面上布置3層水平排水廊道，將高壓主管“切割”為4段，分別將高壓管道周圍的圍巖滲水收集到排水廊道中，從而降低外水壓力。

2 高壓管道布置問題探討

2.1 排水廊道布置難點分析

受地形地質(zhì)條件、施工場地和對內(nèi)對外交通布置的限制，該抽蓄電站地下廠房采用尾部式布置，高壓管道及地下廠房均離下水庫較近；建筑物所處圍巖以硬質(zhì)花崗巖為主，洞周圍巖石在爆破開挖后易產(chǎn)生裂隙，形成地下水滲流通道。因此，運行期地下水位保持高位運行的可能性較大。這將使如何解決好高壓管道排水問題成為該工程高壓管道布置的重點和難點。

(1) 上層排水廊道

抽水蓄能電站一般會在高壓管道中平段設(shè)置高壓管道的第1層排水廊道(上層排水廊道)，廊道中滲水通過中平施工支洞排出洞外。該電站因為地形條件限制，中平施工支洞為順坡，即“內(nèi)低外高”，無法將洞內(nèi)滲水排出，因此在上層排水廊道的末端設(shè)置一直徑1.4 m的排水豎井，將滲水引至高壓管道第2層排水廊道(中層排水廊道)。排水豎井的高度近150 m，對施工期定位以及運行期的豎井底部防護都提出了較高要求。此外，由于豎井檢修難度較高，頂部須布置間距較密的鋼格柵，防止雜物及巖塊進入豎井。

(2) 中層排水廊道

該電站利用地下廠房地勘洞做為第2層排水廊道(中層排水廊道)，但受前期布置調(diào)整的影響，地下廠房地勘洞洞口低于下水庫正常蓄水位，施工后期將對地勘洞進行封堵，因此無法將圍巖滲水利用地勘洞排出洞外。由于中層排水廊道距離第3層排水廊道(下層排水廊道)的垂直高度只有50 m，故采用排水孔將上層排水廊道滲水引至下層排水廊道。

(3) 下層排水廊道

高壓管道下層排水廊道與地下廠房上層排水洞高程相近，通過一定坡度的水平排水洞將2部分排水系統(tǒng)連接。

整個高壓管道的排水系統(tǒng)滲水最終通過地下廠房的排水系統(tǒng)匯入地下廠房集水井，由此給地下廠房的排水造成一定壓力。該電站在自流排水洞的過流能力設(shè)計中，通過詳細的輸水發(fā)電系統(tǒng)圍巖滲流計算，并充分考慮下水庫蓄水后對整個滲流場的影響作用，保證所有滲水在機組檢修等不利工況下順利排出洞外。

2.2 高壓管道檢修通道布置分析

由于高壓管道管線長、高差大，該電站在高壓管道中平段利用中平施工支洞設(shè)置檢修通道，檢修通道與1號和2號高壓管道在平面上呈“干”字形布置。如按照常規(guī)布置，檢修2號高壓管道只需放空2號高壓管道即可，但檢修1號高壓管道時，2號高壓管道必須同時放空，且2號高壓管道需設(shè)置2個檢修進人門，對管道壓力鋼管穩(wěn)定十分不利。為解決問題，該電站將2號高壓管道與檢修通道相接部分的壓力鋼管設(shè)計成明管，明管和圍巖之間留1.2 m的檢修通道，需要檢修1號高壓管道時，檢修人員只需利用2號高壓管道的檢修通道，翻過2號壓力鋼管，即可進入1號高壓管道的檢修通道，從而避免了同時停機、放空高壓管道的低效率檢修方式。

此種布置的優(yōu)勢在于高壓管道檢修的靈活性，但對壓力鋼管的設(shè)計提出了較高的要求。首先，該電站高壓管道的最大內(nèi)水壓力達到了8 MPa[1]，中平段的內(nèi)壓基本達到了4.8 MPa，壓力鋼管按照明管設(shè)計，需要使用800 MPa級鋼板；其次，由于2號高壓管道留了檢修通道，管道軸線方向兩側(cè)巖體受到臨空面以及爆破松動的影響，壓力鋼管不能再按照鋼管和圍巖共同受力來設(shè)計，同時考慮到壓力鋼管管節(jié)壁厚過渡的構(gòu)造要求，受影響的壓力鋼管長度接近60 m，增加了工程造價；最后，壓力鋼管明管相比埋管而言，在安全性上有一定的差別，所以對鋼管的焊接施工以及外包混凝土裂縫控制設(shè)計方面提出了較高的要求。

3 壓力鋼管設(shè)計問題探討

3.1 內(nèi)水壓力分級計算

抽水蓄能電站水頭一般都比較高，在壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算時，必須進行分級計算，分級原則控制在每級100 m左右，既要做到滿足壓力鋼管管材種類不易過多、管壁厚度不易頻繁變化等要求，更重要的是保證壓力鋼管結(jié)構(gòu)安全。該電站兩級斜井的高差基本都在250 m左右，結(jié)構(gòu)設(shè)計按照每級斜井的中部為計算分界線，中部以上按照分界線內(nèi)水壓力計算，分界線以下按照斜井與平段相接部分的內(nèi)壓控制；中平段按照中平末端內(nèi)水壓力計算；下平段按照最大內(nèi)水壓力計算。這樣，內(nèi)水壓力大致可以分為6個等級。

3.2 外水壓力折減原則

該電站地下水位較高，高壓管道3層排水廊道將高壓管道“分成”4級。上層排水廊道以上部分外水壓力按照常規(guī)電站計算原則取用即可，主要考慮圍巖完整性及裂隙發(fā)育程度，完整性越高、裂隙越不發(fā)育，則折減系數(shù)越小。

上層排水廊道至中層排水廊道之間的高壓管道外水壓力計算取值可分2部分，上層排水廊道以上部分外水壓力從設(shè)置排水廊道目的的角度出發(fā)應(yīng)該不用再考慮，但從安全運行以及排水孔失效等因素出發(fā)，可按照工程重要程度以及圍巖裂隙發(fā)育程度等情況綜合確定一個“安全性”折減系數(shù)，該電站根據(jù)電站自身情況，取用0.3。排水廊道以下部位的高壓管道，雖然兩側(cè)有自排水廊道底板向下的排水孔圍繞，但由于是倒“U”形布置，且考慮到圍巖滲水收集不如排水廊道頂部向上的排水孔自流收集滲水效果好，故自排水廊道向下至高壓管道計算位置的外水壓力不考慮折減。

中層排水廊道和下層排水廊道之間的高壓管道，以及下層排水廊道以下的高壓管道，均按照相同的原則，即計算點以上最近一層排水廊道以上外水壓力按照一定“安全性”折減系數(shù)折減，排水廊道至計算點之間的外水壓力按照排水廊道和計算點間的實際高度差計算，兩部分外水壓力相加即為最終高壓管道的外水壓力。

3.3 排水措施失效驗算

雖然該電站為保證高壓管道運行期不受外水壓力的影響，不但設(shè)置了3層排水廊道，還沿壓力鋼管外壁設(shè)置了排水角鋼及排水鋼管，可以說從工程設(shè)計的角度出發(fā)，能夠保證高壓管道的安全運行；但是，從抽水蓄能電站高壓管道的重要程度、造價占比高、檢修難度高等方面考慮，中國抽水蓄能電站高壓管道外水壓力設(shè)計目前形成了一個較為統(tǒng)一的原則[2-4]——“抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于1”原則，即假定地下水位線抬升至地表，所有排水措施失效，高壓管道壓力鋼管的抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于等于1。由于抽水蓄能電站內(nèi)水壓力較高，管壁厚度和選用鋼材的抗力限值也會隨發(fā)電工況下水流方向變厚、變大，與之對應(yīng)的是外水壓力也逐漸變大，但加勁環(huán)之間的管壁抗外壓安全系數(shù)卻遠遠大于1，故“抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于1”原則其實主要是針對加勁環(huán)的。由于加勁環(huán)過密會影響回填混凝土澆筑密實度，而加勁環(huán)的高度過高會影響焊接施工的操作空間，因此加勁環(huán)的設(shè)計就成為決定是否滿足“抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于1”原則的關(guān)鍵。

3.4 圍巖彈性抗力系數(shù)選取方法

壓力鋼管地下埋管計算時，根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[5]的相關(guān)計算公式，需要選取圍巖彈性抗力系數(shù)作為計算參數(shù)，但在施工圖設(shè)計階段以前，地質(zhì)專業(yè)只能根據(jù)圍巖類別提供一個范圍，由于圍巖彈性抗力系數(shù)對鋼管計算結(jié)果影響較大，如何在這個范圍內(nèi)選取參數(shù)，則顯得尤為重要。判斷圍巖覆蓋厚度和鋼管內(nèi)承壓時，均會用到彈性抗力系數(shù)，但兩者的取法卻是恰恰相反，判斷圍巖覆蓋厚度時要取彈性抗力系數(shù)最大可能值，判斷鋼管內(nèi)承壓時，要取彈性抗力系數(shù)較小值。圍巖抗力系數(shù)最大可能值可選用提供范圍的上限值，抗力系數(shù)越大，作為判斷地下埋管的圍巖覆蓋層厚度要求越高，對于鋼管的計算結(jié)果是偏安全的。

圍巖抗力系數(shù)較小值的選用直接影響壓力鋼管承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例，而地質(zhì)專業(yè)給出的圍巖類別一般也是介于2個類別之間(例如Ⅱ～Ⅲ圍巖類)，而彈性抗力系數(shù)針對圍巖類別也是一個范圍，這就對抗力系數(shù)的選取造成一定難度。為簡化選取方法，對于Ⅱ～Ⅲ類圍巖，該電站取Ⅱ類圍巖最大值、Ⅲ類圍巖最小值之和的0.4倍，稍低于中間值；對于以Ⅲ類圍巖為主，少量Ⅱ類圍巖時，?、箢悋鷰r的最大、最小值之和的0.4倍，稍低于Ⅲ類圍巖中間值，不考慮Ⅱ類圍巖影響；對于此Ⅱ類圍巖為主，局部為Ⅲ類圍巖時，?、箢悋鷰r的最大、最小值之和的0.55倍，稍高于Ⅲ類圍巖的中間值，此種工況由于Ⅲ類圍巖占比不詳，故可按照Ⅲ類圍巖的中間偏高值取用。

3.5 壓力鋼管管材選取方法

由于抽水蓄能電站水頭高，則壓力鋼管鋼材種類一般會涉及到500、600和800 MPa級鋼材[6-7]。壓力鋼管管材選取應(yīng)遵循以下3個原則。

(1) 在保證壓力鋼管管壁厚度滿足設(shè)計要求的同時，盡可能減少不同管壁厚度的種類。

(2) 在壓力鋼管設(shè)計中，可選用結(jié)構(gòu)鋼，也可以選用壓力容器鋼，但對受力狀況比較復(fù)雜、巖體承載能力較差的情況，建議采用壓力容器鋼。

(3) 為降低鋼管焊接難度，保證焊接質(zhì)量，同時盡量避免低合金鋼焊后消應(yīng)處理工藝，在鋼管管材選取上宜遵循以下原則：500 MPa級低合金鋼鋼板厚度不宜超過38 mm，如超過則需跳檔至600 MPa級高強度調(diào)制鋼；600 MPa級高強度調(diào)制鋼鋼板厚度不宜超過48 mm，如超過則需向上跳檔一級，以此類推，但各高強度調(diào)制鋼鋼板[8]厚度不宜超過50 mm。

該電站在壓力鋼管管材選擇上結(jié)合電站自身特點，并遵循上述3個選擇原則，選用鋼材如下：500 MPa級鋼板厚度在26～34 mm；600 MPa級鋼板厚度在38～50 mm；800 MPa級鋼板厚度在54～60 mm。

3.6 加勁環(huán)布置及選材方法

加勁環(huán)的布置可有效增加主管的抗外壓能力，加勁環(huán)的布置原則是盡量使加勁環(huán)的高度降低、間距避免過密。抽水蓄能電站一般內(nèi)水壓力和外水壓力都較大，尤其是尾部式地下廠房，外水壓力問題尤其突出。抽水蓄能電站壓力鋼管(地下埋管情況)的結(jié)構(gòu)計算按照壓力控制可分為2種情況：外壓控制和內(nèi)壓控制。當(dāng)為外壓控制時，可通過調(diào)整主管管壁厚度、加勁環(huán)間距、高度、壁厚等參數(shù)，找出合理的參數(shù)，既能滿足結(jié)構(gòu)要求，又能節(jié)省鋼材用量[9]；內(nèi)壓控制時，由于抽水蓄能電站內(nèi)水壓力大，由內(nèi)水壓力計算所得的管壁較厚，管壁本身的抗外壓能力較強，因此抗外壓計算一般就集中在加勁環(huán)自身的抗外壓穩(wěn)定上。按照加勁環(huán)臨界外壓的計算公式[1]可知，管材的屈服強度與加勁環(huán)的3個參數(shù)(間距、高度、壁厚)共同影響計算結(jié)果[10-12]，管材屈服強度只是4個指標(biāo)中的一個，故加勁環(huán)的選材上就有了一個原則，即選擇與主管最低級別相同的管材，如加勁環(huán)的參數(shù)無法滿足要求時，可選擇高一級別的管材，以此類推。該電站絕大部分管段的加勁環(huán)都選用的是500 MPa級低合金鋼鋼板，只有外壓較大的一部分管段選用了600 MPa級鋼板。

3.7 地下廠房地勘洞布置

地下廠房地勘洞作為探明地下洞群圍巖狀況的重要建筑物，在完成前期勘探的重要使命后，運行期應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮其重要作用，真正做到“永臨結(jié)合”。因為地勘洞的位置特殊，距離地下廠房和高壓管道的距離都較為適中，可以將其用作兩建筑物的重要輔助洞室。該電站雖然無法利用其作為中層排水洞的排水通道，但可將它用做中層排水洞的施工支洞，同時擔(dān)負起排風(fēng)排煙洞運行期檢修通道的重要職責(zé)。因此，在前期樞紐布置中，地勘洞應(yīng)按照等同永久建筑物的地位參與到樞紐格局布置比選中。

3.8 高壓管道中層施工支洞布置

抽水蓄能電站水頭較高，裝機100萬kW左右的電站高壓管道的立面高差基本在400～500 m左右，而目前無論豎井還是斜井的施工工藝，250 m左右的高度是比較成熟的，因此設(shè)置高壓管道中平段及中平段施工支洞就成為常規(guī)布置。如前所述，如高壓管道中層施工支洞布置成“內(nèi)高外低”，則結(jié)合上層排水廊道布置，可將圍巖滲水直接排出洞外，從而減輕其他排水廊道或地下廠房排水壓力。這就要求在樞紐布置方案比選時，深入研究施工支洞的布置方案，選出最優(yōu)方案。

3.9 地下廠房位置選取

常規(guī)水電站地下廠房位置選取的2個重要指標(biāo)是圍巖地應(yīng)力方向及圍巖構(gòu)造面的走向，但對于抽水蓄能電站，則應(yīng)同時考慮因下水庫蓄水后庫區(qū)地下水位抬高的因素，因此，尾部式地下廠房的布置型式給高壓管道的布置帶來了諸多“麻煩”，不但要充分考慮外水壓力對壓力鋼管穩(wěn)定的影響，同時還得兼顧各種輔助建筑物為降低壓力管道外壓而進行的各種布置優(yōu)化。因此，在條件等同甚至差距不是很大的前提下，地下廠房布置型式應(yīng)盡量選用首部式或中部式布置型式。

4 結(jié) 語

鑒于高壓管道在抽水蓄能電站樞紐建筑物中的重要地位，尤其針對重要抽水蓄能電站、采用尾部式地下廠房的抽水蓄能電站，筆者認為電站高壓管道應(yīng)參照地下廠房永久洞室排水設(shè)計方法進行設(shè)計，即高壓管道系統(tǒng)布置排水孔并采用分部和集中引排水的措施將圍巖滲水收集、排出，以提高壓力鋼管管壁抗外壓安全系數(shù)。

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Study on Design of High-pressure Pipeline for Pumped Storage Power Plant

FENG Hua

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The high-pressure pipeline of one pumped storage power plant features both high external and internal hydraulic pressure. In the paper, design of the high-pressure pipeline of the power plant at tendering stage is analyzed and summarized in detail. Issues encountered in the design are deeply analyzed based on the design experience on the built pumped storage power plant. Solution is proposed. In combination of the design of the high-pressure pipeline of the power plant, suggestions are provided for reference by the similar projects. Key words: pumped storage power plant; high-pressure pipeline; drainage gallery; external hydraulic pressure; deduction; exploration adit

1006—2610(2016)06—0036—04

2016-09-29

馮華(1982- )，男，陜西省延安市人，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)工作.

TV743；TV732.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.009