李勝兵，陳丁力，曹春建，方 丹

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站裝機(jī)容量16 000 MW，是世界在建最大的水電站，裝機(jī)容量?jī)H次于三峽水電站。樞紐橫跨四川、云南兩省，運(yùn)行期供水范圍廣，包括了左/右岸、壩址上/下游的生活、消防、綠化用水以及部分機(jī)組發(fā)電生產(chǎn)用水。

為了提高水輪發(fā)電機(jī)組主軸密封供水，地下廠房?jī)?nèi)的深井泵潤(rùn)滑供水以及中壓空壓機(jī)冷卻供水的可靠性，擬定由運(yùn)行期水廠為兩岸地下廠房各提供一路水源，該路水源同時(shí)提供地下廠房所需要的消防用水與少量生活用水；另一路水源則取自兩岸地下廠房?jī)?nèi)的技術(shù)供水系統(tǒng)，經(jīng)多級(jí)過(guò)濾后使用。

1.1 問(wèn)題的來(lái)歷

在選擇供水管線路徑時(shí)，由于本電站樞紐布置特點(diǎn)，兩岸進(jìn)廠交通洞洞口位于壩址下游，距離運(yùn)行期水廠較遠(yuǎn)，若通過(guò)進(jìn)廠交通洞為地下廠房供水，則兩岸各需要增加約4.8 km和6.3 km的供水管線；同時(shí)增加沿程水力損失較多，增加了設(shè)施投資和運(yùn)行費(fèi)用。所以最終選擇了以兩岸出線豎井水平段的交通洞作為引入點(diǎn)，通過(guò)上段和下段豎井分別向出線場(chǎng)和地下廠房供水的供水管線路徑方案，如圖1所示。

圖1 地下廠房和出線場(chǎng)供水管線路徑示意

出線豎井內(nèi)壁混凝土厚度約為1 m，初擬按照埋入混凝土井壁的方式進(jìn)行供水管道敷設(shè)。由于后期出線豎井采用了滑膜施工[1]的方案，在井壁內(nèi)埋設(shè)立管的施工非常困難，施工質(zhì)量也難以保證。最終本工程改為明管敷設(shè)的方案，如圖2所示。

圖2 出線豎井典型平面示意

該供水管線路徑和敷設(shè)方式節(jié)約了投資、減少了運(yùn)行費(fèi)用，但給豎井內(nèi)管道布置和敷設(shè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在左岸下段豎井、右岸上段豎井和下段豎井中，以右岸上段豎井內(nèi)直線垂直布置的管道最高，達(dá)到約300 m，施工條件最為苛刻。

1.2 豎井內(nèi)垂直敷設(shè)明管應(yīng)用概況

在水電行業(yè)中，泰安抽水蓄能電站220 kV出線井中敷設(shè)的高差217 m的消防管為最高的垂直敷設(shè)明管。在民用行業(yè)，超過(guò)100 m的建筑一般都會(huì)在避難層設(shè)置中轉(zhuǎn)，即垂直敷設(shè)明管一般不超過(guò)100 m；經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在其他工業(yè)行業(yè)內(nèi)，沒(méi)有達(dá)到300 m級(jí)的垂直敷設(shè)明管的報(bào)道。調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 直線垂直明敷供水管路調(diào)研結(jié)果 m

2 主要技術(shù)問(wèn)題

據(jù)了解，某水電站一處豎井內(nèi)的垂直明敷管道發(fā)生滲水，滲水量呈現(xiàn)季節(jié)性變化。由于對(duì)這樣超大敷設(shè)高差的明管缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為避免出現(xiàn)上述滲水問(wèn)題，有必要開展針對(duì)性的理論分析和計(jì)算工作。本工程著重從以下幾個(gè)方向開展工作。

(1)如果設(shè)置中轉(zhuǎn)層，則會(huì)增加投資和增加土建施工的困難，舍棄該方案；又由于出線豎井內(nèi)狹小的布置空間限制，無(wú)法進(jìn)行“蛇形”的管道敷設(shè)布置，舍棄該方案。因此，豎井內(nèi)的明管按照“垂直敷設(shè)、無(wú)中轉(zhuǎn)”考慮。

(2)對(duì)于垂直敷設(shè)的明管，管道的固定方式和溫度補(bǔ)償方式是核心內(nèi)容，關(guān)乎方案的成敗。固定方式有兩端固定和單端固定，溫度補(bǔ)償方式有補(bǔ)償器補(bǔ)償和U形彎補(bǔ)償。

(3)進(jìn)行管道和支座受力的理論分析和計(jì)算。

(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果和布置的可行性，最終選擇出線豎井內(nèi)的垂直敷設(shè)明管方案。

3 理論分析和計(jì)算結(jié)果

右岸出線場(chǎng)供水管在上段豎井內(nèi)846.9 m高程折彎向上垂直布置，在井口1 145.3 m高程轉(zhuǎn)回水平布置，垂直敷設(shè)高度約298 m，為出線豎井垂直敷設(shè)明管中最大高差的管段，見圖3；管道直徑為100 mm，管道最大溫差按照20℃考慮，水平抗震動(dòng)參數(shù)值為0.25g，垂直抗震動(dòng)參數(shù)值為0.125g。豎井內(nèi)部空間局促，管道在豎井內(nèi)呈直線垂直布置。限于篇幅，下文以該管段為例，分析以下幾種布置方式(狀態(tài))的受力狀態(tài)。

圖3 出線豎井內(nèi)管道布置剖面示意(單位：m)

3.1 兩端固定管道

兩端設(shè)置固定支座如圖4所示，由于在管道長(zhǎng)(高)度方向無(wú)法自由伸縮，故在管道溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)有溫變應(yīng)力產(chǎn)生。由于管道底部支座同時(shí)承受重力作用，所以，以底部固定支座為例，計(jì)算結(jié)果見表2。其中:①管道重力包括管道和法蘭連接件2個(gè)部分，按照2個(gè)固定支座分擔(dān)考慮；②管道地震載荷考慮管道和水體的質(zhì)量，按照垂直載荷2個(gè)固定支座分擔(dān)，水平載荷滑動(dòng)支座分擔(dān)考慮；③在不考慮法蘭連接件影響的情況下，計(jì)算溫度變化產(chǎn)生的溫變應(yīng)力，管道和管道支座受力。

圖4 兩端固定管道受力示意

表2 兩端固定管道受力計(jì)算結(jié)果

3.2 單端固定管道

單端設(shè)置固定支座如圖5所示，由于在管道長(zhǎng)(高)度方向可以伸縮，故在管道溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的溫變應(yīng)力很小。以底部固定支座為例，計(jì)算結(jié)果參見表3。其中：①管道重力包括管道和法蘭連接件兩個(gè)部分，按照1個(gè)固定支座獨(dú)立承擔(dān)考慮；②管道地震載荷考慮管道和水體的質(zhì)量，按照垂直載荷1個(gè)固定支座承擔(dān)，水平載荷滑動(dòng)支座分擔(dān)考慮；③在不考慮法蘭連接件和補(bǔ)償器影響的情況下，計(jì)算溫度變化產(chǎn)生的溫變長(zhǎng)度、管道和管道支座受力。

表3 單端固定管道受力計(jì)算結(jié)果

圖5 單端固定管道受力簡(jiǎn)圖示意

3.3 滑動(dòng)支座水平力計(jì)算

在理想狀態(tài)下，垂直敷設(shè)的管道滑動(dòng)支座僅承受水平地震載荷。但管道安裝必然存在著偏差，在GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》[2]中規(guī)定立管安裝的鉛垂度需要滿足0.5%L的要求，在GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》[3]中規(guī)定立管安裝的鉛垂度需要滿足0.2%L的要求。參照上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)0.2%L和其中最大允許偏差的2倍(1.0%L)2種情況進(jìn)行了受力計(jì)算，結(jié)果見表4。其中：①水平地震載荷按照不均勻系數(shù)為3考慮；②垂直方向載荷考慮分擔(dān)垂直方向地震載荷、溫變應(yīng)力載荷和重力載荷。

表4 滑動(dòng)支座水平力

3.4 計(jì)算結(jié)果比較分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用兩端固定支座時(shí)，由于溫變產(chǎn)生的垂直方受力遠(yuǎn)大于單端固定支座，所以，其水平分量比率也大很多，滑動(dòng)支座最大水平總載荷為1.7 kN；當(dāng)采用單端固定支座時(shí)，滑動(dòng)支座的水平總載荷主要為地震載荷，最大水平總載荷為0.52 kN?？傮w而言，滑動(dòng)支座所承受的水平載荷水平不高。但管道設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中需要注意“滑動(dòng)支座”需要能夠“滑”。

當(dāng)采用兩端固定支座(或多個(gè)固定支座)時(shí)，管道溫變應(yīng)力達(dá)到68 MPa，底部固定支座因溫變產(chǎn)生的垂直方向受力達(dá)到120 kN，垂直方向總受力達(dá)到170 kN，對(duì)于管道和固定支座的影響非常大。初步分析某電站豎井內(nèi)管道在冬季發(fā)生滲水，正是因?yàn)橛捎跍刈儜?yīng)力[4]引發(fā)法蘭連接處變形造成密封破壞。而對(duì)于單端設(shè)置固定支座的管道，底部固定支座垂直方向總受力僅為76 kN(未考慮補(bǔ)償器產(chǎn)生的推力)。所以，從支座受力和管道應(yīng)力來(lái)看，選擇單端設(shè)置固定支座為宜。在自由狀態(tài)下，管道溫變伸長(zhǎng)量達(dá)到了101 mm；同時(shí)，管道溫變應(yīng)力大，也不宜采用分散受力的管道支座系統(tǒng)。

綜合以上計(jì)算分析結(jié)果，選擇單端固定支座系統(tǒng)為宜。

4 混凝土鎮(zhèn)墩

根據(jù)300 m級(jí)豎井內(nèi)供水管路垂直明敷的特點(diǎn)，通過(guò)方案比較，采用單端固定支座系統(tǒng)對(duì)于供水管道手里情況更優(yōu)，這對(duì)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的要求。由于鎮(zhèn)墩需要垂直固定在豎井井壁襯砌混凝土上，并要求能夠穩(wěn)定有效的為管路提供反力，這與一般的水平鎮(zhèn)墩完全不同。

根據(jù)豎井混凝土滑模施工與垂直式鎮(zhèn)墩的特點(diǎn)，本文提出采用鋼-混組合式鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)，見圖6。在第1階段井壁混凝土滑模施工時(shí)，預(yù)埋鋼板制作鋼牛腿形成混凝土鎮(zhèn)墩施工的基座，同時(shí)為保證混凝土鎮(zhèn)墩與井壁混凝土緊密結(jié)合，在滑模施工時(shí)在井壁預(yù)留插筋；在第2階段供水管路敷設(shè)時(shí)，在鋼牛腿上架設(shè)工字鋼作為鎮(zhèn)墩底模，并隨著管路的敷設(shè)澆筑鎮(zhèn)墩；第3階段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，與鋼牛腿形成鋼-混組合式鎮(zhèn)墩，共同為管路提供固定約束。鋼-混組合式鎮(zhèn)墩是在現(xiàn)場(chǎng)施工組織方式的基礎(chǔ)上，充分考慮超高豎井管路明敷荷載特點(diǎn)提出的一種創(chuàng)新型鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)，既可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工安裝要求，且能夠持久有效的確保管路的運(yùn)行安全。

圖6 鋼-混組合式鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)示意

5 方案選擇

選擇單端固定支座系統(tǒng)，需要對(duì)管道的溫變伸長(zhǎng)(縮短)量進(jìn)行補(bǔ)償。由于豎井內(nèi)布置空間的限制，采用伸縮節(jié)進(jìn)行溫變補(bǔ)償；又由于井口和井底管道布置條件限制和需要增加伸縮節(jié)數(shù)量，未采用水平段角補(bǔ)償?shù)姆绞剑捎昧嗽诖怪倍芜M(jìn)行軸向補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

300 m級(jí)的直線垂直敷設(shè)供水管道，無(wú)論從設(shè)計(jì)、安裝施工來(lái)講都缺少以往經(jīng)驗(yàn)的依托，為了確保管道敷設(shè)的安全性，采取了以下工程措施：①采用頂部懸吊方式，以降低管道失穩(wěn)的可能性[5]；②為了減小單個(gè)伸縮節(jié)的補(bǔ)償量和進(jìn)一步減小管道失穩(wěn)的可能性，參照《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]相關(guān)規(guī)定，每隔約60 m設(shè)置了一個(gè)固定支座；③由于豎井采用了滑膜施工，不宜埋設(shè)支座的基礎(chǔ)板；④滑動(dòng)支座受力較小，采用后置式安裝方式，即采用錨栓固定于井壁；⑤固定支座受力大，采用了后期施工的混凝土支座。豎井底部設(shè)有防水淹報(bào)警系統(tǒng)，信號(hào)傳輸至全廠中控室，可對(duì)管道非正常滲漏工況及時(shí)預(yù)警。

6 結(jié) 論

白鶴灘水電站單段豎井最高達(dá)約300 m，由于在豎井中垂直敷設(shè)的明管缺少工程經(jīng)驗(yàn)，故本文分析研究高落差明敷供水管道設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)本文的分析，確定了“單端固定管道、滑動(dòng)支座伸縮節(jié)補(bǔ)償”的基本設(shè)計(jì)思路，為了減小工程風(fēng)險(xiǎn)，確定了頂部懸吊和分段實(shí)施的施工方案。分析可知，對(duì)于溫度變化大的管道，溫變應(yīng)力是不可以被忽略的，宜在進(jìn)行管道敷設(shè)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮給與溫度變形量的補(bǔ)償。根據(jù)現(xiàn)有補(bǔ)償器產(chǎn)品的性能參數(shù)，理論上可以對(duì)300 m的水電站供水管道進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但對(duì)于滑動(dòng)支座設(shè)計(jì)和制作、管道安裝施工的要求較高。