劉慶勝

(山西汾河灌溉管理有限公司，山西 晉中 030012)

0 引 言

水電站壓力管道是工程的重要組成部分，對(duì)水電站功能的正常發(fā)揮有重大影響。水電站工程多修建于山區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，壓力管道工程設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮實(shí)際情況，選取合理的方案，降低施工難度，保障工程正常運(yùn)行。以KEWZK電站為例，對(duì)其壓力管道工程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 工程概況

水電站引水口位于DJEGL河莫合大橋附近，灌區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水分布在電站引水口以下，為滿足流域農(nóng)業(yè)灌溉的用水需求，在確定KEWZK電站發(fā)電流量時(shí)應(yīng)首先保證現(xiàn)狀年及規(guī)劃水平年農(nóng)業(yè)灌溉的用水量[1]。為減輕對(duì)電站引水對(duì)河谷生態(tài)環(huán)境的影響，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定在減水河段預(yù)留一定的生態(tài)用水量。

2 壓力管道布置比選

根據(jù)工程實(shí)際情況，初步確定管道形式為明鋼管，并進(jìn)行大小管(兩管三機(jī))、三管三機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。由于鋼管抗震性和抗疲勞性能較好，重量輕，在斜坡上利于運(yùn)輸，故管材選用鋼材。

大小管方案:管道長(zhǎng)度為405.5m，設(shè)兩根鋼管，管徑分別為3.6m和3.0m，流量分別為35m3/s和23.01m3/s，流速分別為3.44m/s和3.26m/s，支墩每6m設(shè)一道，加勁環(huán)間距為2m，管道坡比為為1:2.6；根據(jù)壓力分級(jí)，大管道按壁厚18mm、20mm、22mm和24mm分為四段，小管道按壁厚14mm、16mm、18mm和20mm分為四段,管材采用Q235D。投資3614.7萬(wàn)元

三管三機(jī)方案兩大一小方案:管道長(zhǎng)度為405.5m，管徑分別為2.8m、2.8m和2.0m，流量分別為23.69m3/s、23.69m3/s、10.57m3/s，流速分別為3.85m/s、3.85m/s、3.37m/s，支墩間距6m，加勁環(huán)間距為2m，管道坡比為為1:2.6；根據(jù)壓力分級(jí)，大管道按壁厚16mm、18mm、20mm、22mm分為四段，小管道按壁厚10mm、12mm、14mm和16mm分為四段,管材采用Q235D。投資3783.3萬(wàn)元

三管三機(jī)方案由于采用相同管徑的鋼管和相同機(jī)組，運(yùn)行調(diào)度靈活，易于檢修，確定三管三機(jī)方案為壓力鋼管的推薦布置方案[2]。

3 壓力管道設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

壓力管坡地基土巖性以部分黃土、沖積卵礫石、泥巖為主，局部分布坡積物。卵礫石層頂面高程1168m左右，高程1168m以上為黃土，20m深度內(nèi)具自重濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)，為自重濕陷場(chǎng)地。卵礫石層承載力500kPa，坡積物承載力200kPa，泥巖承載力300kPa。建議壓力管道基礎(chǔ)置于砂卵礫石層及泥巖上。卵礫石開挖邊坡1∶1.25，泥巖開挖邊坡1∶0.75。

據(jù)工程規(guī)劃，壓力水管靜水頭為133.85m，設(shè)計(jì)引用流量Q=58.01m3/s。管道長(zhǎng)度為405.5m，3根管道直徑分別為2.8m、2.8m、2.0m(3根管道)，流量分別為23.71m3/s、23.71m3/s、10.59m3/s，流速分別為3.85m/s、3.85m/s、3.37m/s，支墩間距6m，加勁環(huán)間距為2m，管道坡度為1∶2.6；根據(jù)壓力分級(jí)，大管道按壁厚16mm、18mm、20mm、22mm分為4段，小管道按壁厚10mm、12mm、14mm和16mm分為4段。

管道垂直陡坎布置，以縮短管道長(zhǎng)度和降低造價(jià)，管道坡比取1∶2.6。

壓力水管采用明鋼管形式，共3根，直徑分別為2.8m、2.8m、2.0m，管長(zhǎng)405.5m，流速分別為3.85m/s和3.37m/s，設(shè)計(jì)水頭133.85m，最大水錘壓力1.72MPa，鋼管管線結(jié)合地形地質(zhì)進(jìn)行布置，0+000-0+091.311段地基為黃土，具強(qiáng)濕陷性，承載力較低(地基承載力120Kpa)，對(duì)該段基礎(chǔ)采用樁基加固，并設(shè)置排水設(shè)施。管道0+091.311-0+200段地基為砂礫石；管道0+200-0+251.16段地基為上層為坡積物，下層為砂礫石，為了滿足管坡穩(wěn)定，進(jìn)行砂礫石換填，將該段管道基礎(chǔ)布置在砂礫石層上；管道0+251.16-0+337.41段管道地基為泥巖。管道全線采用一個(gè)縱坡，坡度為1∶2.6。大鋼管按不同壁厚分為四段:分別為16mm、18mm、20mm、22mm。小管道按壁厚10mm、12mm、14mm和16mm分為四段。鋼管每2m設(shè)一加勁環(huán)，斷面為高20cm的扁鋼。鋼管管材采用Q235D,加勁環(huán)采用Q235D。管溝底寬17.82-31.81m，下設(shè)10cm混凝土護(hù)面，兩側(cè)設(shè)混凝土護(hù)面的排水溝。管道左側(cè)設(shè)1.5m寬混凝土踏步，高于管底護(hù)面2.0m。鎮(zhèn)、支墩采用C20埋石混凝土[3]。

3.2 水力計(jì)算

3.2.1 壓力管直徑和壁厚

1)經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算：

(1)

式中:k為系數(shù)，取5.2；Qmax為壓力鋼管最大引用流量；H設(shè)計(jì)水頭，171m。

計(jì)算得:管徑分別為D=2.55m和D=1.86m。

取D=2.8m和D=2.0m，流速分別為V=3.85m/s和V=3.37m/s。滿足壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)流速為3-5m/s的要求。

2)壁厚：

壓力鋼管最小管壁:

(2)

結(jié)構(gòu)要求在計(jì)算得最小管壁厚度上增加2mm的銹蝕裕度。

根據(jù)鍋爐公式計(jì)算管壁厚度:

(3)

式中:δ為鋼管管壁厚度，mm；D為鋼管內(nèi)徑，m；φ為焊縫系數(shù)，取0.9。[σ]為降低的管壁容許應(yīng)力(Pa)，取138.37MPa。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壓力管壁厚計(jì)算表

3.2.2 水頭損失

壓力管道的水頭損失包括沿程損失和局部水頭損失。

1)沿程水頭損失：

(4)

式中:α為沿程損失系數(shù)，取0.000826；m為考慮鋼管使用年限的系數(shù)，取1.2；D為壓力鋼管直徑，m；L為壓力鋼管長(zhǎng)度，取405.5m。

2)局部損失：

(5)

通過(guò)計(jì)算大管的水頭損失為3.3m，大管水頭損失為3.47m，總水頭損失以小管水頭損失取大管水頭損失，則Δh沿=1.68m，Δh局=1.89m，總水頭損失Δh損=Δh沿+Δh局=3.47m。

3)水錘計(jì)算：

a)水錘壓力形式判斷：

導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間:5s。

水錘波傳播速度:

(6)

式中:ε水的彈性模量，約2.1×109Pa；E鋼的彈性模量，約2.1×1011Pa；D鋼管內(nèi)徑，2.8m、2.0m。

水錘壓力形式判斷:Ts1=2L/a=0.9<5s、Ts1=2L/a=0.88<5s。

調(diào)節(jié)時(shí)間Ts≥2L/a，因此發(fā)生間接水錘。

b)最大水錘壓力：

計(jì)算系數(shù)ρ、σ

(7)

(8)

計(jì)算水錘分別按兩種工況如下:

閥門關(guān)閉:

(9)

(10)

取以上兩式計(jì)算較大值，ΔH=H凈×ζ1=-51。

閥門開啟:

(11)

(12)

計(jì)算后取絕對(duì)值大者，ΔH=H凈×ζm=36。

式中:τ0為起始開度。

計(jì)算后取大者，

所以，Hmax=137.36+36-3.47=171.7m。

3.3 結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定計(jì)算

3.3.1 鋼管的抗外壓計(jì)算

管壁、加勁環(huán)、支撐環(huán)及支座的滾輪和支撐板采用Q235D級(jí)鋼，屈服強(qiáng)度235MPa。根據(jù)壓力鋼管的重要性，壓力鋼管在基本荷載情況下：容許應(yīng)力[σ]=0.55σ=112N/mm2；特殊情況下：[σ]=0.675σ=138.37N/mm2。壓力鋼管抗外壓計(jì)算可以看出大、小管均需要設(shè)加勁環(huán)。加勁環(huán)間距為2m，斷面采用扁鋼，壁厚16mm，高度150mm。

3.3.2 鎮(zhèn)、支墩穩(wěn)定計(jì)算

1)鎮(zhèn)墩穩(wěn)定：

按鎮(zhèn)墩最小受力情況分析:

Kc=f(∑Y+∑G)/∑X=3.87>1.

(13)

式中：Kc為抗滑安全系數(shù)。摩擦系數(shù)，f取0.45。Gb鎮(zhèn)墩自重。

偏心矩e:

(14)

地基應(yīng)力:

(15)

表2 壓力水管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定成果表

結(jié)果表明:各鎮(zhèn)墩處的抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范值1.5，地基應(yīng)力均小允許承載力，滿足要求，不需對(duì)地基進(jìn)行處理。

2)支墩：

間距根據(jù)規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)要求(6-12m)取8m。根據(jù)鋼管直徑，采用滾動(dòng)式支座。

支墩承受水管法向作用力和摩擦力a8，允許水、管自重軸向分力，計(jì)算方法同鎮(zhèn)墩。

抗滑穩(wěn)定系數(shù):

Kc=f(∑Y+∑G)/∑X=3.87>1.5

(16)

地基應(yīng)力:

(17)

支墩1所處地基為黃土，黃土地基通過(guò)樁基處理后承載力計(jì)算所得；支墩2所處地基為砂礫石，由地質(zhì)可知，承載力為500kPa；支墩3所處地基為泥巖地質(zhì)可知，承載力為300kPa?；A(chǔ)表層換填40cm砂礫石墊層，墊層下設(shè)橫向排水，橫向排水與縱向排水連通。0+000-0+078段黃土換填為砂礫石墊層。

支墩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壓力水管支墩穩(wěn)定成果表

結(jié)果表明:其中支墩1地基應(yīng)力大于允許值，故該處地基需要進(jìn)行處理，其余各支墩處的抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范值1.5，地基應(yīng)力均小允許承載力，滿足要求。

4 結(jié) 論

水電站地形起伏大，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為了保證壓力管道工程設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理性，通過(guò)方案比選，確定采用三管三機(jī)方案，可降低施工難度，易于維護(hù)。經(jīng)過(guò)安全復(fù)核，采用該方案壓力管道安全性可滿足要求，局部地基需進(jìn)行加固處理，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。