李敏 孫書南 張忠輝

1 工程概述

ULOG水電站位于歐洲南部波黑塞族共和國Kalinovik地區(qū)的Neretva河上游，為一座利用Neretva河落差發(fā)電的引水式電站，工程主要任務(wù)為發(fā)電，同時兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水。電站主要建筑物包括雙曲拱壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、地面廠房及開關(guān)站，電站安裝2臺單機額定容量為17.22 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量約83.77 GW·h。

電站引水隧洞長2.3 km，壓力管道為埋藏式壓力鋼管，長345.55 m，由上平段、上下彎管段、豎井段和下平段組成，主管內(nèi)徑為3.0 m，支管內(nèi)徑2.10～1.80 m，設(shè)計引用流量為35.00 m3/s，設(shè)計水頭154 m。

2 壓力鋼管布置

2.1 基本地質(zhì)條件

壓力鋼管段地面高程在575.00～715.00 m，其沿線地層主要為三疊系－侏羅系（T，J），巖性主要為薄層灰?guī)r、零星夾有燧石夾層和泥灰?guī)r等。壓力豎井頂部和底部圍巖主要為三疊系中統(tǒng)（T21）Anisian塊狀灰?guī)r，依據(jù)圍巖分類標準，屬于Ⅲ類圍巖。壓力豎井中部圍巖主要為三疊系下統(tǒng)（T1）砂巖、粉砂巖與黏土巖，屬于Ⅳ類，有滲水和滴水現(xiàn)象。壓力豎井下部發(fā)育有構(gòu)造破碎帶，由碎塊石和糜棱巖組成，屬于V類。

下壓力隧洞起始端和中段圍巖主要為三疊系中統(tǒng)（T21）Anisian塊狀灰?guī)r段，屬于Ⅱ-Ⅲ類；糜棱巖發(fā)育洞段圍巖屬于V類；末尾段圍巖主要為三疊系－侏羅系（T，J）薄層灰?guī)r段，零星夾有燧石夾層和泥灰?guī)r，屬于Ⅲ-Ⅳ類。

工程區(qū)50 km范圍內(nèi)，存在2個活斷層，分別為L1斷層（Treskavica疊瓦構(gòu)造）和L2斷層，壩址區(qū)及其附近地區(qū)，歷史上多次發(fā)生過5～7級地震，據(jù)2005年波黑國家地震圖地震烈度區(qū)劃圖，工程區(qū)地震烈度為7度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

2.2 鋼管布置

原招標方案壓力鋼管布置為“埋藏式鋼管+回填鋼管”型式。埋藏式鋼管自調(diào)壓井末端開始，鋼管長約145 m，坡度1.75%，至568.70 m高程后出隧洞，其后為回填鋼管?；靥罟芷鹗继幵O(shè)置“Y”形岔管，其后接2根管徑3 m的鋼管，經(jīng)上彎段、斜管段、下彎段和水平段后接入發(fā)電廠房。單根鋼管長約90 m，回填管采用素混凝土回填。

根據(jù)2010年勘察資料，原回填鋼管段下游側(cè)發(fā)育一個滑坡體（K1），緊臨壓力鋼管，另據(jù)2014年勘察資料，廠房區(qū)左岸邊坡發(fā)育大型深層滑坡體，初步估計滑坡體總長度750 m，寬度300 m，深度變化大，實測最大深度為24.65 m，大致分布高程770～625 m，對工程安全影響較大。

基于上述兩階段廠房區(qū)地質(zhì)勘察結(jié)果，經(jīng)詳細研究后認為原招標方案存在如下幾方面缺陷和不足：（1）廠房左岸邊坡滑動體規(guī)模和深度較大，工程處理難度大，代價高，回填管管渠開挖勢必會對滑動體造成擾動，增加邊坡不穩(wěn)定因素，對鋼管安全運行影響較大；（2）回填管斜管段坡度陡，緊鄰滑坡體，管渠開挖邊坡及回填管整體穩(wěn)定問題突出；（3）回填管受地震作用影響大；（4）岔管位置距廠房過遠，經(jīng)岔管后鋼管直徑由3 m變?yōu)?.1 m，管徑縮小，相應(yīng)管道水頭損失增加，且兩根鋼管管渠開挖斷面較單根3 m鋼管大，開挖支護工程量增加，對工程投資不利；（5）回填管施工和后期運行都將對生態(tài)環(huán)境造成一定程度影響。

經(jīng)綜合分析評估并結(jié)合調(diào)壓井位置優(yōu)選后認為采用整體為地下埋管的布置型式更加合理。其具體布置為：壓力鋼管自調(diào)壓井后18.80 m開始，起點管中心高程600.00 m，管線自南向北，由上平段、上彎段、豎井段、下彎段和下平段構(gòu)成。其中上平段長18.75 m，上下彎段各長14.00 m，豎井段長62.00 m，下平段主管段長183.50 m，主管末端接“Y”形非對稱月牙肋岔管，其后接支管，兩條支管長分別長22.30 m和18.50 m，支管內(nèi)徑自2.10 m減縮至1.80 m后與進水蝶閥相接，其布置如圖1所示。該布置很好地規(guī)避了廠房后邊坡滑坡體對鋼管安全的影響；解決了回填管斜管段開挖邊坡及管道自身整體穩(wěn)定問題；相對于回填管，地下埋管布置安全性更高；此外，地下埋管受地震作用影響??；岔管緊鄰廠房布置，整個壓力鋼管水頭損失較原方案減小；回填混凝土量兩方案相當(dāng)，洞挖工程量和鋼材用量較原方案增加，但節(jié)省了管渠開挖和邊坡處理工程量，整體施工成本較原方案增加有限。以工程運行安全為基本出發(fā)點進行綜合比較后推薦現(xiàn)布置方案并順利獲得業(yè)主工程師的批復(fù)。

圖1 壓力鋼管縱剖示意圖

3 水力過渡過程計算

本項目引水系統(tǒng)水力過渡過程計算對水輪機調(diào)節(jié)穩(wěn)定性、調(diào)壓井涌浪水位、引水隧洞沿線壓力線和壓力鋼管在水錘工況下的壓力分布情況進行了詳細計算分析，得到了各控制條件下調(diào)壓井最高和最低涌浪水位以及引水線路最大、最小壓坡線，為機組調(diào)節(jié)穩(wěn)定設(shè)計、引水隧洞洞線布置以及壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。主要計算結(jié)果見表1。

表1 水力過渡過程計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，機組最大轉(zhuǎn)速、噴嘴末端最大壓力和上游調(diào)壓室最高涌浪、最低涌浪均滿足控制標準要求。在所有工況下，引水系統(tǒng)沿線最小壓力為0.26 MPa，大于控制標準0.02 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 鋼材選擇

招標合同要求本項目壓力鋼管材質(zhì)應(yīng)采用不低于當(dāng)?shù)?.0361等級（等同于歐標S275）鋼材或同規(guī)格歐標鋼材。項目初期承建單位經(jīng)對當(dāng)?shù)劁摬墓?yīng)商調(diào)研評估后認為在國內(nèi)進行鋼材采購和卷制，以瓦片型式海運至項目國后再進行現(xiàn)場焊接組裝經(jīng)濟性更高。后經(jīng)過談判，業(yè)主同意以國產(chǎn)Q345R鋼材作為本項目壓力鋼管用鋼材。但隨著新冠疫情對全球經(jīng)濟的影響，鋼材價格和海運費較之前大幅上漲，且運輸周期存在不確定性，可能對項目工期造成影響，原定在國內(nèi)進行鋼材采購和卷制再運至現(xiàn)場組裝的經(jīng)濟性已不存在，且存在工期延誤風(fēng)險。后經(jīng)再次與業(yè)主協(xié)商，最終確定本項目壓力鋼管在波黑當(dāng)?shù)夭少徍椭谱?，并選定歐標S355J2鋼材作為本項目壓力鋼管用鋼材，其主要力學(xué)性能見表2。

表2 壓力鋼管鋼材特性

4.2 鋼管結(jié)構(gòu)計算

4.2.1 計算原則

本工程壓力鋼管沿線地質(zhì)情況復(fù)雜，圍巖類別較差，項目招標合同中規(guī)定內(nèi)水壓力由壓力鋼管獨立承擔(dān)，即不考慮外部混凝土和圍巖的分擔(dān)作用。

4.2.2 內(nèi)壓作用下鋼管壁厚計算

根據(jù)ASCE No.79-2012中相關(guān)規(guī)定[1]，結(jié)合引水系統(tǒng)水力過渡過程計算結(jié)果，進行鋼管內(nèi)壓作用下壁厚計算。

全部內(nèi)壓由鋼管承擔(dān)時，鋼管壁厚按照下式計算：

式中t——鋼管計算壁厚，mm；

pi——設(shè)計內(nèi)水壓力，MPa；

r——鋼管內(nèi)半徑，mm；

SH——允許應(yīng)力，MPa。

式中S——基本允許應(yīng)力強度，MPa；

E——焊縫折減系數(shù)，該項目壓力鋼管采用帶墊板單面焊，100%UT檢測，根據(jù)規(guī)范其值取0.9；

σb——鋼材抗拉強度，MPa；

σy——鋼材屈服強度，MPa。

4.2.3 抗外壓能力復(fù)核

根據(jù)規(guī)范要求，鋼管抗外壓穩(wěn)定按下式計算：

式中Pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值，MPa；

Pr——實際承受的外壓，MPa；

k——安全系數(shù)，取1.5。

計算時首先按照雅各布森公式對以內(nèi)壓計算所得壁厚復(fù)核光面管抗外壓穩(wěn)定，若滿足，則根據(jù)需要設(shè)置構(gòu)造加勁環(huán)；若不滿足，則設(shè)置加勁環(huán)并采用米賽斯（Mises）公式計算加勁環(huán)間管段的抗外壓穩(wěn)定，再采用雅各布森公式對加勁環(huán)結(jié)構(gòu)進行復(fù)核。

采用規(guī)范中各公式計算時有如下幾點應(yīng)注意：

（1）用雅各布森公式計算加勁環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，規(guī)范中6-13式，應(yīng)以p×l代替Pcr[2]。其中，p為所求加勁環(huán)臨界徑向面壓力，MPa；l為加勁環(huán)間距，mm。

（2）ASCE No.79-2012規(guī)范中米賽斯（Mises）公式（式6-9）與中國規(guī)范SL/T 281—2020[3]中A.3.2-1式存在差異，本次計算以ASCE No.79-2012公式為準。

（3）公式中各物理量單位和量綱應(yīng)統(tǒng)一。

4.2.4 鋼管壁厚確定

通過結(jié)構(gòu)計算，本項目壓力鋼管壁厚14～28 mm，加勁環(huán)環(huán)高150 mm，厚度14～16 mm，間距1～3 m。各部位管壁厚度及加勁環(huán)參數(shù)見表3。

表3 壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算結(jié)果 mm

5 灌漿設(shè)計

壓力鋼管灌漿包括鋼管外壁與回填混凝土間的接觸灌漿，回填混凝土與巖石間的回填灌漿以及外部圍巖的固結(jié)灌漿。灌漿順序遵循先回填灌漿，再固結(jié)灌漿，最后接觸灌漿的原則[4]。由于施工過程中難免會出現(xiàn)局部超挖、塌頂和混凝土澆筑不密實等情況，對頂拱120°范圍實施回填灌漿，灌漿孔排距3 m，每排2～3孔，交錯布置，灌漿孔入巖10 cm，回填灌漿在回填混凝土達到70%設(shè)計強度后進行，灌漿壓力0.2～0.5 MPa。雖然本項目壓力鋼管結(jié)構(gòu)按照鋼管獨立承擔(dān)內(nèi)水壓力進行設(shè)計，但考慮到鋼管段整體圍巖狀況較差，地下水豐富且水位線較高，為提高巖石的抗?jié)B能力，減少鋼管抗力的不均勻性，減少圍巖塑性變形，對Ⅳ～Ⅴ類圍巖實施固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿在回填灌漿完成14 d后進行，灌漿孔入巖3.5 m，排距3 m，每排8孔，梅花形布置，灌漿壓力由試驗確定。最后，為進一步改善鋼管受力的均勻性，并在一定程度上截斷鋼管外滲水通道，有效改善回填混凝土質(zhì)量，在平洞段鋼管底部90°范圍內(nèi)進行接觸灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。

6 降排水設(shè)計

本工程壓力鋼管埋深較大，地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水豐富，為保證電站投運后壓力鋼管安全，應(yīng)對鋼管沿線設(shè)置合理的地下水降排措施，結(jié)合相關(guān)規(guī)范[3]和手冊[4]規(guī)定，鋼管外排水設(shè)計具體為：（1）壓力鋼管與引水隧洞交接處設(shè)置帷幕灌漿，入巖12 m，排距1 m，每排8孔，共3排，梅花形布置；灌漿壓力由試驗確定；（2）鋼管始端布置3道阻水環(huán)，環(huán)高300 mm，環(huán)厚14 mm，間距400 mm；（3）沿鋼管管線設(shè)置巖壁排水系統(tǒng)，由洞壁兩側(cè)PVC排水管和鋼管底部墊層處鍍鋅鋼管組成，在洞壁兩側(cè)每隔3 m設(shè)置2根Φ32的PVC排水管，排水管與洞壁夾角20°～30°，距底部墊層面1.5～2.0 m，排水管與鍍鋅鋼管相連組成巖壁排水系統(tǒng)。巖壁排水系統(tǒng)末端引入廠房內(nèi)集水井，從而實現(xiàn)壓力鋼管區(qū)域地下水降排，保證壓力鋼管安全運行。

7 防腐設(shè)計

為提高壓力鋼管耐久性，鋼管管壁除按照常規(guī)增加2 mm的銹蝕馀量外，根據(jù)規(guī)范[3]要求還對內(nèi)外壁按照運行環(huán)境的不同以如下3種類型進行防腐處理。

（1）類型1。對于鋼管內(nèi)壁，底層涂裝100μm環(huán)氧富鋅底漆，面層涂裝350μm超厚漿型環(huán)氧瀝青。

（2）類型2。對于廠房內(nèi)鋼管外表面，底層涂裝60μm環(huán)氧富鋅底漆，中間層采用100μm環(huán)氧云鐵，面層涂刷100μm丙烯酸聚氨酯。

（3）類型3。對于和混凝土接觸的鋼管外表面，采用不含苛性鈉水泥漿或無機改性水泥漿，干膜厚度300～500μm。

8 結(jié) 語

（1）本項目壓力鋼管布置充分考慮了工程所在區(qū)域的地形地質(zhì)條件、工程造價、施工便利等因素，以工程安全運行為首要目標，經(jīng)充分論證和比選，壓力鋼管布置由招標階段的“埋藏式鋼管+回填鋼管”調(diào)整為全地下埋管的布置型式，該布置規(guī)避了原方案回填管邊坡及鋼管的整體穩(wěn)定問題，同時降低了地震作用對鋼管的影響，提高了鋼管運行安全性，此外，改為地下埋管也在一定程度上降低了對生態(tài)環(huán)境的破壞。

（2）國外項目實施過程中，各影響因素復(fù)雜多變，本項目壓力鋼管管材選擇歷經(jīng)波折，其經(jīng)驗對類似項目有借鑒作用。

（3）壓力鋼管結(jié)構(gòu)依據(jù)美國壓力鋼管設(shè)計規(guī)范ASCE No.79-2012進行設(shè)計，通過計算，各工況下鋼管應(yīng)力滿足規(guī)范要求，但應(yīng)注意規(guī)范中相關(guān)公式應(yīng)用細節(jié)。

（4）鋼管灌漿、地下水降排及防腐等對提高壓力鋼管安全性和耐久性等具有良好的效果。

（5）目前本工程壓力鋼管設(shè)計已獲得了業(yè)主工程師的批復(fù)，其設(shè)計有待工程投運后進行檢驗并可供類似項目借鑒。