余愛武

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 概 述

涔天河水庫擴(kuò)建工程位于永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。是一座以灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大型水利水電工程。水庫防洪庫容2.5 億m3，調(diào)節(jié)庫容9.92 億m3，水庫總庫容15.1 億m3，工程等級為Ⅰ級。

水庫樞紐電站裝機(jī)4 臺，采用一管多機(jī)引水，引水隧洞后段至機(jī)組蝶閥采用壓力鋼管結(jié)構(gòu)，管中心高程為EL215 m，設(shè)計水頭為140.2 m（含水錘），主管段為洞內(nèi)鋼襯。出洞后布置4 個岔管，將水引入4 臺機(jī)組以及生態(tài)基流管，岔管和支管段按明管設(shè)計，承受100%的內(nèi)水壓力，壓力鋼管材料采用Q345C，岔管材料采用WDB620 高強(qiáng)度鋼。鋼管主管內(nèi)徑為Φ9.5 m，壁厚選用36 mm。4 臺機(jī)組的支管內(nèi)徑均為Φ4.1 m，鋼管壁厚采用25 mm。岔管均采用月牙形內(nèi)加強(qiáng)肋型式，岔管為“卜”形，分岔角60°，岔管群布置如圖1 所示。

圖1 岔管群布置圖

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5141-2001），岔管制作后應(yīng)進(jìn)行水壓試驗。水壓試驗設(shè)計壓力為P=1.76 MPa（岔管最大設(shè)計內(nèi)水壓1.402 MPa 的1.25 倍）。

2 水壓試驗的安排

岔管的水壓試驗根據(jù)工程總體進(jìn)度安排，分為兩組岔管組分別分兩期進(jìn)行。2#岔管和3#岔管組成一組為第一期，1#岔管和4#岔管組成一組為第二期，兩組岔管共需8 個悶頭及相應(yīng)的連接管，連接管節(jié)在試驗切割以后留不小于600 mm 無損鋼管作永久使用，兩組試驗組的悶頭允許重復(fù)使用。本文僅以第一期2#、3#岔管水壓試驗為例。

3 水壓試驗的目的

1）岔管水壓試驗以超載內(nèi)壓暴露結(jié)構(gòu)缺陷、檢驗結(jié)構(gòu)整體安全度，為岔管的長期安全運(yùn)行提供可靠保證。

2）通過水壓試驗可以削減焊接殘余應(yīng)力及不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力。

3）通過水壓試驗，在緩慢加載條件下缺陷尖端發(fā)生塑性變形，使缺陷尖端鈍化，卸載后產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

4 水壓試驗基本原則

水壓試驗及悶頭的設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格按照《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5141-2001）、《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》（DL 5017-2007）等相關(guān)規(guī)程規(guī)范實施。悶頭的相關(guān)設(shè)計還可參照壓力容器設(shè)計規(guī)范GB 150-2011 實施。

由于施工工期較緊，本次試驗方案設(shè)計不專注于理論研究復(fù)核，不進(jìn)行應(yīng)力檢測及有限元計算結(jié)果分析，僅針對岔管運(yùn)行安全性進(jìn)行評價，故只對岔管變形進(jìn)行監(jiān)測。

5 水壓試驗前的準(zhǔn)備工作

1）2#、3#岔管及中間管段安裝完畢并通過驗收。

2）在岔管組的對外連接管段末端裝設(shè)悶頭并通過驗收。

3）在試驗組的對外連接管段上各設(shè)置必要的壓力表、補(bǔ)排氣閥、排水管、大流量低壓充水泵接管及高壓截止閥，高壓打壓泵接管及逆止閥。同時，岔管水壓試驗的觀測設(shè)備及位移測試裝置安裝和調(diào)試完畢并通過驗收。

4）岔管組各部位有可靠的支撐加固并通過驗收，且加固方式不應(yīng)強(qiáng)制約束岔管水壓試驗中試驗引起的變形。

5）岔管各部位及監(jiān)測設(shè)備、壓力表安排專人監(jiān)視、記錄，并配有照明設(shè)施。

6 水壓試驗實施過程

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，水壓試驗進(jìn)行分級加載，緩慢增壓，現(xiàn)場水壓試驗最高壓力為1.76 MPa，壓力等級為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.05 MPa、1.40 MPa、1.76 MPa，水壓試驗流程如圖2 所示。

圖2 水壓試驗流程圖

7 試驗結(jié)果

7.1 位移檢測

測試設(shè)備：LH-08 位移傳感器；5G103 位移傳感器。

測試方法：用位移傳感器測量各個壓力等級下岔管各測點的位移，并監(jiān)測試驗過程中的變形的異常，防止發(fā)生試驗危險。

測點布置：在2#和3#岔管的頂、底、腰及月牙肋腰等部位布置位移傳感器，具體布置如圖3 所示。

圖3 位移傳感器布置位置圖

7.2 岔管體積變形測試

測試設(shè)備：電子秤。

測試方法：用電子秤計量各個壓力等級下的進(jìn)水量，然后按1 000 kg/m3換算成體積。

測試目的：用進(jìn)水量來測量岔管群內(nèi)部體積變化規(guī)律。

8 結(jié)果分析

1）水壓試驗岔管位移變形分析。水壓試驗過程中，在各個壓力等級下，測試部位位移與壓力等級成線性關(guān)系，2#岔管管外底部A2 位移與壓力等級線性關(guān)系如圖4 所示。

2）水壓試驗岔管體積變形分析。水壓試驗過程中，在各個壓力等級下，進(jìn)水量與壓力等級成良好的線形關(guān)系。水壓試驗進(jìn)水量與壓力等級關(guān)系如圖5 所示。

3）水壓試驗過程中，岔管本體未發(fā)生異響及異常變形，未發(fā)生滲水和滲漏情況，從位移檢測及進(jìn)水量檢測結(jié)果來看，各測點的位移量及岔管整體變形量均與試驗壓力近似成線性關(guān)系，說明鋼岔管主體結(jié)構(gòu)在水壓試驗時在彈性變形范圍內(nèi)，故鋼岔管能滿足工程運(yùn)行安全要求。

圖4 2#岔管管外底部A2 位移與壓力等級線性關(guān)系圖

圖5 水壓試驗進(jìn)水量與壓力等級關(guān)系圖

9 結(jié) 語

本次水壓試驗采用位移檢測及進(jìn)水量檢測來驗證岔管安全性，從結(jié)果上來看是成功的，水庫樞紐電站自2018 年運(yùn)行以來，從原型觀測數(shù)據(jù)來看，鋼岔管運(yùn)行正常。本次水壓試驗的檢測方法具有操作簡單，費用低，耗時短的優(yōu)點，值得推廣。