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        基于造價控制的水庫引水建筑物設(shè)計

        2018-04-02 06:45:47王小靜
        陜西水利 2018年1期
        關(guān)鍵詞:圍巖工程設(shè)計

        王小靜

        1 工程概況

        赫章縣河口水庫位于貴州省赫章縣羅洲鄉(xiāng)境內(nèi)的后河上,后河系六沖河一級支流,六沖河屬長江流域烏江水系。工程區(qū)有赫章至羅洲鄉(xiāng)的公路從壩區(qū)右岸通過,縣城駐地距地區(qū)所在地畢節(jié)市96 km,距貴陽市340 km。交通較便利。河口水庫工程為Ⅲ等,屬中型工程,主要任務(wù)為城鄉(xiāng)和工業(yè)供水、灌溉及發(fā)電。工程總體布置主要有大壩樞紐,供水及灌區(qū)工程兩大部分。大壩樞紐由碾壓砼拱壩、壩頂溢流表孔、沖砂底孔、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等主要建筑物組成。供水及灌區(qū)工程主要包括兩個大片區(qū):第一片區(qū)位于河道左岸為中田、魚塘、財神鎮(zhèn)片區(qū),為提灌片區(qū),管道設(shè)計引用流量1.708~1.554m3/s。第二片區(qū)為:營盤、西屯、赫章縣、黃泥坡、野馬川等片區(qū),為自流片區(qū),管道設(shè)計引用流量1.275~0.615 m3/s。附屬電站裝機(jī)容量7000 kW,多年平均發(fā)電量2406萬kW·h。

        2 引水建筑物型式和布置方案

        引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置在河道左岸,為岸邊井筒式有壓取水,進(jìn)口設(shè)攔污柵及事故閘門,攔污柵尺寸為4.4 m×3.7 m(寬×高),閘門孔尺寸為3.0 m×3.0 m(寬×高)。井筒后接引水隧洞及壓力鋼管,引水隧洞洞徑為3.0 m,隧洞長211.778 m。壓力鋼管為地下埋管,主管直徑2.5 m,主管長42.913 m,管材為16MnR,壁厚16mm,主管加徑環(huán)管材為16MnR,環(huán)高h(yuǎn)=150mm,壁厚20 mm,間距1.2 m。主鋼管末端采用卜型岔管分岔為兩根支管,分別接兩臺發(fā)電機(jī)組,支管管徑1.6 m,為外包砼鋼管。在左側(cè)支管管身位置分岔出一根支管,支管長120 m,直徑1.2 m,管材為Q235,壁厚12 mm,支管末端接高位水池。威赫煤電管線及下放環(huán)境水管均從該高位池取水。下放生態(tài)環(huán)境水管道,管直徑0.7 m,管材為Q235,壁厚10mm。當(dāng)機(jī)組不發(fā)電時,營盤小壩取水量也由下放生態(tài)環(huán)境水管道下放。其中年下放環(huán)境水量為2687萬m3,即0.855m3/s;營盤小壩最大取水量為1.275m3/s。

        3 引水隧洞造價分析

        3.1 洞徑比選和造價分析

        引水隧洞洞徑的選擇一定程度上影響著工程的造價。隧洞設(shè)計引用流量:Q=16.89 m3/s,經(jīng)濟(jì)流速 ve=2.5~4 m/s,則經(jīng)濟(jì)洞徑D=2.3~3.0 m。當(dāng)引水隧洞洞徑減小時,水頭損失增大,對電站的出力有一定的影響,然而當(dāng)洞徑加大時,水頭損失雖減小了,但土建投資卻增加了,因此洞徑的選擇受諸多因素影響,需作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。經(jīng)計算,當(dāng)隧洞洞徑為3.0 m時,引水系統(tǒng)總的水頭損失為0.85 m,隧洞部分工程總投資為390萬元,其中,工程部分投資337萬元,臨時工程部分投資53萬元。當(dāng)洞徑為2.3 m時,引水系統(tǒng)總的水頭損失為2.55 m,隧洞部分工程總投資為375萬元,其中,工程部分投資325萬元,臨時工程部分投資50萬元。較小洞徑的隧洞投資較洞徑較大的投資節(jié)約較少,僅為15萬元,主要是因為較小洞徑的隧洞開挖及砼襯砌的單價均較高。而小斷面的洞徑較大斷面的洞徑水頭損失多1.7 m。因此,綜合考慮取隧洞洞徑為3.0m。

        3.2 隧洞設(shè)計和施工造價分析

        在隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中,如果隧洞斷面過小會導(dǎo)致造價增大,因而優(yōu)化斷面設(shè)計十分必要。經(jīng)地質(zhì)分析,隧洞走向與巖層走向為大角度相交,圍巖整體穩(wěn)定性好,巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu),洞室圍巖屬Ⅲ類及Ⅳ類圍巖。隧洞為圓形有壓隧洞,洞徑3.0 m,最大靜內(nèi)水壓力66.6 m。為降低引水隧洞糙率,減小水頭損失,根據(jù)圍巖類別,考慮全部采用C20鋼筋混凝土襯砌,對應(yīng)不同的圍巖條件,Ⅲ類圍巖采用A型襯砌斷面,襯砌厚均為0.50 m;Ⅳ類圍巖采用B型襯砌斷面,襯砌厚為0.50 m。A型及B型襯砌斷面主要區(qū)別為結(jié)構(gòu)配筋不同及臨時支護(hù)措施不同。兩種襯砌斷面均需作回填灌漿處理,即頂拱120.0°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿,每排3孔,排距3.0 m。B型襯砌斷面需全斷面作固結(jié)灌漿,排距為3 m,每排4孔,孔深2.0 m,梅花型布置。

        隧洞開挖臨時支護(hù)處理措施:Ⅲ類圍巖主要進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù),Ⅳ圍巖主要對上半拱采取“錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土”聯(lián)合支護(hù)處理。

        在隧洞開挖施工中,需要反復(fù)的對炸藥的用量進(jìn)行調(diào)整,確保達(dá)到一個最為經(jīng)濟(jì)合理的用量,優(yōu)化爆破參數(shù),盡量的對炸藥的單耗進(jìn)行降低。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求,引水隧洞的允許超挖值經(jīng)向超挖不得大于20 cm,必須合理的控制超挖量,避免因超挖造成的造價增加的情況。

        4 壓力鋼管造價分析

        4.1 管材選取

        鋼管具有強(qiáng)度高、管壁薄、重量輕、輸水效率高的優(yōu)點,具有較長的使用壽命,可以有效的節(jié)約工程成本。壓力鋼管主要包括地下埋管、明管及岔管,根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2003)明管、岔管宜采用壓力容器用鋼,通過對管材造價的分析,因此管材選用16 MnR。

        4.2 管徑擬定

        引水系統(tǒng)設(shè)計引用流量為16.89 m3/s,其中電站發(fā)電引用流量15.22m3/s,供水及灌溉需要流量1.708m3/s,由于電站引用流量所占比重較大(比重為總流量的89.9%),因此引水鋼管管徑按《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2003)相關(guān)要求擬定。

        根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2003)并參照相關(guān)設(shè)計資料,壓力鋼管經(jīng)濟(jì)管徑按如下公式進(jìn)行擬定:

        式中:D為初擬管徑,m;Q為引用流量,Q=16.89 m3/s;Ve為壓力鋼管經(jīng)濟(jì)流速,地下埋管Ve=3.0~4.5 m/s。

        計算得主管管徑D主=2.19~2.68m,設(shè)計取值為2.5 m。

        同理計算得支管管徑D支=1.47~1.80m,設(shè)計取值為1.6m。

        4.3 主管壁厚

        計算抗內(nèi)壓時管壁厚度。抗水內(nèi)壓計算,按“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚,計算公式:

        式中:p為內(nèi)水壓力,N/mm2,p=0.66 N/mm2(按校核洪水位工況考慮);r為鋼管半徑;[σR]為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值,N/mm2。

        式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),γ0=1.0;ψ為設(shè)計狀況系數(shù),取值ψ=1.0(持久狀況);γd為結(jié)構(gòu)系數(shù),取值 γd=1.3;fs為鋼材強(qiáng)度設(shè)計值,取值壁厚 t=6~16 時,fs=310 N/mm2;壁厚 t>16~36 時,fs=300 N/mm2;

        從計算可知,內(nèi)水壓力工況,計算最大管壁厚度為5.1mm(不含銹蝕厚度2 mm),考慮鋼管構(gòu)造等要求,最小鋼管壁厚度為8 mm。

        4.4 鋼管抗外壓穩(wěn)定復(fù)核計算

        4.4.1 加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗算

        驗算公式如下:

        式中:kC為埋管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù),取1.8;P0k為徑向均布外壓標(biāo)準(zhǔn)值,N/mm2;Pcr為加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值,N/mm2。計算可知當(dāng)取管壁厚度為14 mm,加勁環(huán)間距為1200 mm時,能滿足外壓力要求,考慮銹蝕厚度2 mm,鋼管壁最小厚度為16 mm。

        4.4.2 加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定驗算

        加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定按下式驗算:

        式中:σs為應(yīng)力強(qiáng)度極限值,N/mm2;AR為加勁環(huán)有效截面面積,mm2;l為加勁環(huán)間距,mm;r為鋼管半徑,mm。

        計算可知當(dāng)管壁厚度為14 mm,加勁環(huán)間距為1200 mm,厚度為18 mm,高度為150 mm時,加勁環(huán)能滿足外壓力要求,考慮銹蝕厚度2 mm,加勁環(huán)最小厚度為20 mm。

        綜上,壓力鋼管各部位抗外壓穩(wěn)定和強(qiáng)度計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,鋼管結(jié)構(gòu)布置合理。

        5 結(jié)語

        赫章河口水庫引水建筑物設(shè)計階段落實了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析,在造價控制的基礎(chǔ)上,對引水隧洞的設(shè)計和施工方案進(jìn)行討論,并對壓力鋼管進(jìn)行經(jīng)濟(jì)選材,通過方案比選實現(xiàn)對造價的有效控制,切實提升了工程項目經(jīng)濟(jì)效益。

        造價控制效果在一定程度上決定了水庫項目建設(shè)效益[1],尤其是建設(shè)項目做出投資決策后,設(shè)計就成了有效控制工程造價的關(guān)鍵。

        造價控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,水庫工程項目落實期間必須要進(jìn)行全方位、多層次的管理[2],全面把控投資決策、設(shè)計、招投標(biāo)施工階段,促進(jìn)水利水電工程健康、持續(xù)發(fā)展。

        [1]黃濤,馮華.九龍水庫引水建筑物的設(shè)計與布置[J].黑龍江水利科技,2014(4):93-94.

        [2]張勇.板橋水庫復(fù)建工程實際造價在效益項目中的分?jǐn)俒J].治淮,1995(4):39-40.

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