孫 磊,馬克俊

(廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635)

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南田一級水電站壓力管道設計

孫 磊,馬克俊

(廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635)

壓力管道設計是水電站工程設計的重點,其布置方式、管道材質和結構設計是否合理,對水電站安全運行和工程造價以及可靠性具有顯著的影響。以南田一級水電站為實例,針對該水電站工程建設中壓力管道布置和管道材質進行比選及管道設計分析,以期為相關設計提供參考。

水電站；回填管；設計；南田一級水電站

1 工程概況

南田一級水電站位于清遠市清新區(qū)龍頸鎮(zhèn)石馬圩境內,是一宗以發(fā)電為主,還承擔周邊灌溉任務的跨流域引水式水電站。電站裝機容量為2×400 kW=800 kW。引水流量為2.8 m3/s,設計水頭為42 m,工程主要建筑物由攔河壩、明渠、渡槽、隧洞、壓力前池、壓力管道、發(fā)電廠房及升壓站等組成。該電站于1972年底建成投產發(fā)電,已運行40多a,現機組設備老化,壓力管道漏水等,直接影響發(fā)電效益,為此決定對電站進行技術改造。

現狀壓力管道管材是混凝土管,采用單管單機供水方式,管徑為0.8 m。壓力管道出壓力前池布置于14°左右的緩坡地形上,然后水平穿過石馬水廠,管道繼續(xù)前行布置于19°左右的緩坡地形上,然后穿過公路和水電站廠房前空地到達機組,采用回填埋設布置方式。

2 壓力管道布置及管材比選

2.1壓力管道布置

由于受地形條件的制約,改造后壓力管道仍按原管線位置布置,現狀壓力管道是采用回填布置方式,因此，改造后的壓力管道仍采用回填布置方式敷設。根據該電站水頭、流量、機組臺數、以及地形條件,通過技術經濟論證確定該電站采用一管兩機的供水方式,主管管徑1.4 m,支管管徑0.7 m。主管分岔處采用貼邊岔管形式卜型布置,通過岔管,主管一分為二連接機組。

地勘資料顯示管道沿線基礎持力層坐落在全風化石英砂巖上,土樣天然狀態(tài)呈灰褐、灰黃、黃褐色,可見原巖結構,巖質極軟,手易折斷,巖芯呈土柱狀,夾有強-中風化巖碎石、角礫。推薦承載力特征值fak為250 kPa。壓力鋼管沿線地下水埋深在4.10～9.10 m,對施工影響不大。

2.2壓力管道管材比選[1-2]

壓力管道材質選擇是否合理,對水電站工程造價和安全運行具有顯著的影響。管材的選擇應根據電站所在區(qū)域的的地形、地質條件、管道布置形式等因素,按照經濟合理、安全適用的原則,并結合已建工程的施工、運行等經驗,通過方案比較確定管材。

目前水電站工程常用管材有鋼筋混凝土管、鋼管、預應力鋼筋混凝土管等。鋼筋混凝土管常用在低水頭電站中,管材和施工質量較難控制,后期維護費用大。鋼管常用于中、高水頭電站中,能承受較高的壓力,但造價高,前期投入大。

隨著生產工藝的發(fā)展,近些年也出現了一些新的管材,如：預應力鋼筒混凝土管(PCCP管)、螺旋焊鋼管、玻璃鋼管等。這些新的管材被應用在水電站中,取得了較好的效果。所以,本工程選擇鋼管(螺旋焊)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP管)、鋼筋混凝土管三種管材方案進行技術經濟比較。(見表1)。

表1 壓力管管材方案比選

方案一：鋼管(螺旋焊)是一種常用的管材。其特點是適應性強、能承受較高內壓、施工方便。但造價高,作為回填管要做好防腐措施。

方案二：預應力鋼筒混凝土管(PCCP管)是一種新型管材與以往管材相比,PCCP管具有適用范圍廣,經濟壽命長、抗震性能好、安裝方便、運行維護費低等優(yōu)點。但該管材自重大,基礎處理、運輸及吊裝難度大,不適宜用在地形復雜的工程。

方案三：鋼筋混凝土管是傳統壓力管材,鋼筋混凝土管具有成本低的突出優(yōu)點,但其施工難度大、管糙率大、承壓能力較低、維修非常困難等缺點也限制了其適用范圍。

通過比選,以上三種方案從技術經濟上均合理可行,考慮本電站的實際情況,同時結合當地管材的生產狀況,施工及運輸難度等因素,最終業(yè)主選用方案一做為壓力管道的管材。

3 壓力鋼管設計

回填管在水電站壓力鋼管中應用不多,在《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》(DL/T 5141—2001)、《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》(SL 281—2003)中還沒有針對回填管的設計理論,本文根據已有文獻資料,參考給排水規(guī)范中相關回填管(埋地鋼管)的設計方法并結合《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》(SL/T 281—2003)進行設計。荷載不考慮分項系數,管壁的應力應滿足以下條件：管壁單獨內水壓力引起的環(huán)向應力不應大于明鋼管膜應力允許應力(0.55φσs),荷載組合引起的環(huán)向應力和等效應力不應大于明鋼管局部應力允許應力(0.67φσs),其中φ為焊縫系數?；靥钿摴艿脑O計包含3大內容 ,即強度設計、 穩(wěn)定性設計和變形校核[3-6]。

3.1管壁厚度確定

回填鋼管設計中,一般需要初步擬定管壁厚度,然后進行強度和穩(wěn)定性的分析。在定管壁厚度時,通常是按明管進行設計,即假定鋼管單獨承擔內水壓力,采用鍋爐式計算管壁厚度,同時考慮制造、安裝和運輸要求的最小管壁厚度要求,擬定管壁厚度。

經計算本工程壓力鋼管,主管管壁厚度(t)12 mm,支管管壁厚度(t)10 mm。

3.2計算

1) 相關參數

根據管道布置方式,選取主管管道末端斷面按回填管進行計算。相關計算參數見表2。

2) 計算結果

表2 相關計算參數

表3 計算結果

從表3的計算結果可知,管道的強度設計均滿足要求；鋼管設計穩(wěn)定性抗力系數均大于2,滿足穩(wěn)定性設計要求；干管管道變形40.02 mm<0.03D0(42.36 mm),支管12.70 mm<0.03D0(21.3 mm),管道變形也滿足要求。

4 結語

壓力管道設計應結合電站實際情況,以安全適用、經濟合理、技術先進為設計原則。通過水力計算、管材比選、結構計算等,確定壓力管道設計方案。該方案已經通過水務部門審定,現正實施。

[1] 潘秀玲. 基普克水電站壓力管道經濟比選分析[J]. 水利科技與經濟,2015(7):104-106．

[2] 賈永軍. 新疆某輸水工程管材的選用[J]. 西北水電,2012(4):50-52．

[3] 石長征,伍鶴皋,袁文娜. 柔性回填鋼管的設計方法與實例分析[C]∥第八屆全國水電站壓力管道學術會議論文集， 2014．

[4] 給水排水工程結構設計手冊編委會. 給水排水工程結構設計手冊(第二版)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007．

[5] 中華人民共和國建設部. 給水排水工程管道結構設計規(guī)范:GB 50332—2002[S].2002．

[6] 中華人民共和國水利部.水電站壓力鋼管設計規(guī)范:SL281—2003[S].2003．

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Design of Pressure Pipeline of Nantian Ⅰ Hydropower Station

SUN Lei, MA Kejun

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635,China)

The design of pressure pipeline is the key point of the hydropower station engineering design,and the layout mode, pipeline material and structure design is reasonable, and has a significant impact on the safe operation of the hydropower station and the cost and reliability of the project. Taking the example of the Nantian Ⅰ hydropower station, the design and analysis of the pressure piping layout and pipe material in the construction of the hydropower station are carried out, in order to provide reference for the relevant design.

hydropower station； backfilling type of penstock； design；Nantian Ⅰ hydropower station

2016-05-27;

2016-07-04

孫磊(1981),男,碩士,工程師,從事水利水電工程規(guī)劃與設計工作。

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