聞銳

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

1 概述

瑪爾（Mahl）水電站位于巴基斯坦東北部旁遮普（Punjab）省和阿扎德查謨克什米爾地區(qū)（Azad Jammu and Kashmir，AJK）交界的吉拉姆河（Jhelum River）上，距伊斯蘭堡僅95 km，其上游為科哈拉（Kohala）水電站，下游為阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站。

作為三峽集團(tuán)在巴基斯坦的重點(diǎn)水電項(xiàng)目，瑪爾水電站的開發(fā)，符合巴基斯坦能源發(fā)展戰(zhàn)略要求，也是“一帶一路”戰(zhàn)略水電技術(shù)輸出的重要內(nèi)容。

瑪爾水電站為Ⅱ等大（2）型工程，由碾壓混凝土重力壩、輸水建筑物等永久性水工建筑物構(gòu)成。水庫正常蓄水位585 m，總庫容1.54億m3，利用水頭59 m，3臺機(jī)組總裝機(jī)容量640 MW，保證出力96.33 MW，多年平均發(fā)電量2 676 GW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 181 h。輸水建筑物包括電站進(jìn)水口、引水管道及尾水渠等，進(jìn)水口正常蓄水位為585.00 m，尾水渠正常水位為526.00 m，單機(jī)額定流量為440.20 m3/s。

基于工程地形地質(zhì)條件，工程擬定了地下廠房方案、地面廠房方案及壩后式廠房方案。基于建筑物布置、結(jié)構(gòu)安全性、工程投資及風(fēng)險(xiǎn)可控性等因素考慮，壩后式廠房方案完全規(guī)避了不良地質(zhì)條件下的永久洞室圍巖穩(wěn)定問題，工程投資及風(fēng)險(xiǎn)相對可控，且排沙條件較好，可減輕泥沙對引水發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響。因此，該階段選用壩后式廠房方案作為主要樞紐方案，其中輸水系統(tǒng)采用壩后背管，總長252.18 m。

針對設(shè)計(jì)中工程地質(zhì)條件差、水庫泥沙問題突出及引用流量大等特點(diǎn)，本文給予進(jìn)水塔、壩后背管等輸水建筑物布置設(shè)計(jì)?？紤]壓力鋼管彎道離心力和不平衡水壓力等因素，通過有限單元法對壓力鋼管上彎段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 輸水建筑物布置

輸水建筑物由進(jìn)水口、壓力引水道及沖沙孔等組成。發(fā)電進(jìn)水口位于左岸壩體，壓力引水道采用壩后背管，與壩后廠房機(jī)組連接，沖沙孔進(jìn)口布置在發(fā)電進(jìn)水口下部，通過壩內(nèi)埋管排入廠房尾水渠。

發(fā)電進(jìn)水口采用壩式進(jìn)水口，由3個(gè)獨(dú)立的進(jìn)水口并排組成，總長97.50 m。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)為墩墻式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，流道底高程為554.00 m，結(jié)構(gòu)頂高程同大壩頂高程，為592.40 m。

壓力引水道緊接進(jìn)水口布置，采用鋼襯鋼筋混凝土管型式。平面上3條管軸線平行布置，管軸線間距為31.50 m。引水鋼管內(nèi)徑9.90 m，鋼管起點(diǎn)中心高程為557.07 m，末端中心高程為515.10 m。

為避免粗顆粒泥沙進(jìn)入引水道，保證進(jìn)水口“門前清”，考慮將沖沙孔進(jìn)口布置于發(fā)電進(jìn)水口之間的下部，沖沙孔進(jìn)口底高程537.00 m，經(jīng)反弧擋沙鼻坎至540.00 m。3條沖沙孔鋼管直徑3.20 m，采用壩內(nèi)埋管型式，與壓力引水道平行布置，自廠房機(jī)組間穿過，出口高程511.31 m。

3 輸水建筑物設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)水口

進(jìn)水口采用壩式進(jìn)水口，包括攔污柵段、喇叭口段及門槽段。

攔污柵采用直立活動式，布置于大壩懸挑平臺上。攔污柵孔口尺寸為4.70 m×23.00 m（寬×高，下同），并于孔口頂部布置水平攔漂板，攔污柵后各機(jī)組段進(jìn)口前沿相通，引水流量相互補(bǔ)充。攔污柵墩與胸墻之間以支撐梁相連，柵墩之間以連系梁相連。

為保證水流平順，進(jìn)水口流道前段設(shè)置喇叭口段，喇叭口段入口處底板高程為554.00 m，出口處與閘門段流道相結(jié)合。喇叭口邊墩圓弧半徑為2.50 m，頂板圓弧半徑為3 m。

閘門段設(shè)置平板檢修門與快速工作門各一道，分別由塔頂門機(jī)及液壓啟閉機(jī)啟閉，工作閘門井頂部設(shè)有液壓啟閉機(jī)房。工作閘門后混凝土墻內(nèi)設(shè)3個(gè)直徑1.50 m的通氣孔。

3.2 壩后背管

壓力引水道包括鋼筋混凝土漸變段及壓力鋼管段。壓力引水道漸變段采用一機(jī)一洞布置，共3條，在平面上平行布置，洞軸線間距31.50 m。立面上漸變段軸線斜直布置，斷面由進(jìn)水口末端矩形斷面漸變至圓形斷面。壓力鋼管接漸變段，以鋼襯鋼筋混凝土管型式部分敷設(shè)在大壩下游壩面內(nèi)。壓力鋼管內(nèi)徑9.90 m，分為上斜段、上彎段、斜直段、下彎段及下平段。壓力引水道布置如圖1所示。

3.2.1 壓力鋼管設(shè)計(jì)

壓力鋼管由鋼管和外包鋼筋混凝土共同承受設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力。鋼管及加勁環(huán)所用鋼材為Q345R，設(shè)計(jì)采用規(guī)范設(shè)計(jì)方法[1]，即“附錄D.1鋼管壁厚及環(huán)向鋼筋計(jì)算”：

式中：P為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2；fs，fy分別為鋼板、鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；t為鋼管壁厚計(jì)算厚度，mm；t3為環(huán)向鋼筋折算厚度，等于單位長度范圍內(nèi)鋼筋截面積除以單位長度，mm；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；γd為管型結(jié)構(gòu)系數(shù)；r為鋼管內(nèi)半徑，mm。

圖1 壓力引水道三維布置圖

通過計(jì)算，得到了各段的設(shè)計(jì)尺寸為：上斜段及上彎段鋼管壁厚為20～22 mm，斜直段鋼管壁厚為24～26 mm，下彎段及下平段鋼管壁厚為28～32 mm。鋼管外包C25鋼筋混凝土，厚1.50 m，厚度與鋼管半徑之比為0.30。

3.2.2 壓力鋼管上彎段有限元計(jì)算

由于壩后背管的壓力鋼管過水時(shí)受力復(fù)雜，且規(guī)范中的計(jì)算方式不能準(zhǔn)確反映鋼管彎段與壩身連接處的受力情況，因而，針對鋼襯鋼筋混凝土管上彎段部位，采用有限元方法進(jìn)行流固耦合計(jì)算，對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行校核。

1）計(jì)算模型

壩后鋼襯鋼筋混凝土壓力鋼管上彎段鋼襯壁厚22 mm，鋼管內(nèi)徑9.90 m，材料為Q345R，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.30，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs=290 MPa。外包混凝土厚為1.50 m，強(qiáng)度等級為C25，彈性模量E=28 GPa，泊松比μ=0.167，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=1.78 MPa。

結(jié)構(gòu)模型混凝土采用三維實(shí)體單元建模，鋼管采用殼單元建模，根據(jù)分區(qū)劃分下部壩體混凝土、背管混凝土和鋼管單元，共6 320個(gè)單元，使用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。流體模型采用三維流體單元建模，共20 000個(gè)單元，選擇k-ε模型。

2）荷載及工況

結(jié)構(gòu)荷載及邊界條件：結(jié)構(gòu)計(jì)算模型不考慮荷載條件，邊界條件為下部壩體混凝土的底部全約束，鋼管內(nèi)部設(shè)定流固耦合邊界條件；流體荷載及邊界條件：流體考慮流速為5.65 m/s，壓強(qiáng)27.90 m水頭。邊界條件為進(jìn)口流速壓強(qiáng)條件，出口流速條件，流體與鋼管結(jié)構(gòu)接觸部位為流固耦合邊界條件。工況考慮正常運(yùn)行工況，正常蓄水位585.00 m。

3）計(jì)算結(jié)果

壓力鋼管在內(nèi)水壓力作用下最大主應(yīng)力為72.30 MPa，位于鋼管兩側(cè)腰部；外包混凝土最大拉應(yīng)力為0.93 MPa，位于外包混凝土兩側(cè)外壁。

根據(jù)以上計(jì)算可知，在設(shè)計(jì)荷載的內(nèi)水壓力作用下，壓力引水道鋼襯承擔(dān)了大部分荷載，雖然鋼襯應(yīng)力較大，但沒有達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，外包混凝土最大應(yīng)力也未達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，因此管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

3.3 沖沙孔

3.3.1 沖沙孔布置

為解決進(jìn)水口淤堵和“門前清”問題，并減少發(fā)電時(shí)有害粒徑泥沙過機(jī)，除利用廠房右側(cè)泄洪排沙孔排沙外，在電站進(jìn)水口左下側(cè)另設(shè)置沖沙孔，共3孔。沖沙孔進(jìn)口底高程537.00 m，至壩內(nèi)檢修閘門處上升至540.00 m。沖沙孔平面呈直線布置，上游段埋設(shè)在進(jìn)水口壩段內(nèi)，下游段穿廠壩間縱縫后經(jīng)廠房至尾水渠。沖沙孔立面沿發(fā)電引水鋼管的走向，經(jīng)漸變段、上斜段、上彎段，斜直段接下彎段到下平段后上升漸變由尾水管上部穿出，出口高程511.31 m。沖沙孔布置如圖2所示。

沖沙孔分進(jìn)口段和壓力鋼管段。進(jìn)口段設(shè)檢修閘門，斜向布置，閘門孔口尺寸3.50 m×5.89 m。壩內(nèi)540.00 m高程設(shè)事故檢修閘門，閘門孔口尺寸2.90 m×3.50 m。壓力鋼管段出口設(shè)工作閘門，孔口尺寸1.80 m×1.80 m。進(jìn)口段長11.97 m，斷面尺寸為2.90 m×3.50 m，壓力鋼管段長147.27 m，采用直徑3.20 m的有壓鋼管，鋼管壁厚12～18 mm。

因不排沙時(shí)事故門可能被淤堵，故將進(jìn)口做成虹吸式接駝峰堰的型式，從進(jìn)口537.00 m經(jīng)圓弧連接上升至540.00 m，并設(shè)有反弧攔沙鼻坎。進(jìn)口段形成一個(gè)不易進(jìn)沙的空腔，并在此段安置高壓噴水噴氣系統(tǒng)，待事故閘門關(guān)閉后，閘門前的高壓水系統(tǒng)便開始工作，使之不被泥沙淤堵。

3.3.2 沖沙流量及流速

較大沖沙流量具有較好的沖沙效果，但受廠房結(jié)構(gòu)布置的限制，沖沙孔管道直徑取3.20 m。單個(gè)沖沙孔泄流能力見表1。

圖2 沖沙孔三維布置圖

表1 單個(gè)沖沙孔泄流能力計(jì)算表

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[3]，在水流流速不大于10 m/s時(shí)，普通碳素鋼表面無明顯磨損現(xiàn)象，而當(dāng)流速達(dá)到18 m/s時(shí)，經(jīng)較長時(shí)間運(yùn)用，鋼管會產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。由有壓隧洞泄流能力計(jì)算公式可知[4]，在上下游水位一定的情況下，泄流能力取決于出口斷面的面積。為保護(hù)沖沙孔鋼管，減輕含沙水流對鋼管的沖擊、磨損，將直徑3.20 m的鋼管在出口漸變至1.80 m×1.80 m，以控制管內(nèi)流速為12.02 m/s。此時(shí)出口段流速達(dá)到29.83 m/s，因此出口段迎水面流道采用C40硅粉混凝土，并且在出口段以及鋼管漸變段、轉(zhuǎn)彎部位采用環(huán)氧金剛砂涂層的抗磨蝕措施。

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