陳艷

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院新疆烏魯木齊830000）

新疆HB電站埋藏式壓力管道設(shè)計(jì)

陳艷

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院新疆烏魯木齊830000）

H B電站工程任務(wù)為發(fā)電，電站裝機(jī)容量200M W，屬Ⅲ等中型工程。本文主要介紹了埋藏式壓力管道及岔管的設(shè)計(jì)，通過布置排水洞減少外壓，采用有限元計(jì)算對圍巖抗力敏感性和鋼管與圍巖縫隙敏感性分析，總結(jié)出圍巖對管道內(nèi)水壓力的分擔(dān)作用是有限的，隨著巖石抗力系數(shù)的變化而變化；同時(shí)鋼管以外縫隙大小對管壁應(yīng)力影響十分顯著。

發(fā)電引水系統(tǒng)；埋藏式；壓力鋼管；排水洞；敏感性計(jì)算

1 工程概況

本工程屬中型Ⅲ等工程，主要任務(wù)為發(fā)電。水庫總庫容0.171億m3，電站裝機(jī)容量200MW，保證出力13.2MW，多年平均年發(fā)電量6.04億kW·h，工程總投資14.988億元。

樞紐建筑物主要由大壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及地下廠房、尾水洞等組成。主要建筑物為3級(jí)建筑物。

壓力管道段長362.706m，漸變段、上平洞段、豎井段和下平洞段內(nèi)徑5.0m，采用鋼板襯砌，外部回填C20混凝土，厚60cm。岔管及支管為埋藏式鋼管，回填C20素混凝土。通過1#、2#和3#卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管將主管分為四個(gè)支管。岔管采用Q390C鋼材，支管內(nèi)徑2.2m，采用Q345C鋼材。支管間距14.5m。

2 工程地形、地質(zhì)條件

壓力管道出露基巖巖性為泥盆系下泥統(tǒng)（D1ka）康布鐵堡組上亞組，混合巖夾片麻巖、片巖，局部片理發(fā)育，多呈層狀、流紋狀結(jié)構(gòu)。壓力管道圍巖質(zhì)量總體較完整，局部有小的斷層及花崗巖脈出露，對洞室的穩(wěn)定影響不大，由于施工開挖中爆破擾動(dòng)影響，洞壁表層一定范圍內(nèi)存在松動(dòng)圈（洞壁表層0.6m～2.4m），該層巖體的各項(xiàng)指標(biāo)稍差。壓力管道巖體圍巖類別以ⅢA類為主。

3 壓力管道設(shè)計(jì)

壓力管道段長362.706m，由漸變段、上平洞段、豎井段和下平洞段組成。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)壓井后接漸變段，內(nèi)徑由6.0m漸變至5.0m，末點(diǎn)中心點(diǎn)高程1022.263m，采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.2m。

漸變段后主管段內(nèi)徑均為5.0m。上平洞段長5m，縱坡為i=0；豎井段斷面中心點(diǎn)高程1022.263m～812.000m；下平洞段長51.482m，縱坡為i=0。斷面中心點(diǎn)高程812.000m（水輪機(jī)安裝高程）。上平洞段、豎井段和下平洞段采用鋼板襯砌，在鋼管和圍巖之間回填C20混凝土，厚60cm。隨著壓力值的增加，鋼管采用Q345C和Q390C，其中Q345C厚度為20mm～30mm，加勁環(huán)材質(zhì)、壁厚同鋼管，間距為1000mm～2000mm，高200mm；Q390C厚度為32mm～40mm，加勁環(huán)材質(zhì)、壁厚同鋼管，間距為1000mm～1180mm，高200mm。

岔管及支管為埋藏式鋼管，回填C20素混凝土。通過1#、2#和3#卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管將主管分為四個(gè)支管，岔管采用Q390C鋼材，鋼板厚度分別為38mm、32mm和28mm。支管內(nèi)半徑1.1m，采用Q345C鋼材，鋼板厚度為24mm～38mm，支管間距14.5m。

帷幕灌漿預(yù)留灌漿孔，在上平洞段布置，深入圍巖10.0m，共2排，每排7孔，排距3m，梅花型布置。固結(jié)灌漿在上平段和下平洞段布置，預(yù)留灌漿孔，深入圍巖3.0m，排距3m，每排7孔，梅花型布置。帷幕、固結(jié)灌漿分兩部分，第一部分：高程1007.263m以上灌漿壓力為0.6MPa；第二部分：縱剖面圖中高程827.00m以下灌漿壓力為1.0MPa。帷幕、固結(jié)灌漿孔采用自上而下分段灌漿法，分兩段：第一段為接觸段，接觸段伸入基巖長度：1.5m(主管段、岔管段)、1.0m(支管段)，灌漿壓力為0.3MPa；第二段達(dá)到設(shè)計(jì)灌漿深度和灌漿壓力。岔管、支管段（樁號(hào)壓0+100.982～樁號(hào)壓0+172.302）固結(jié)灌漿采用無蓋重灌漿，灌漿壓力為1MPa?；靥罟酀{為0.3MPa，接觸灌漿壓力為0.2MPa。

為降低外水，在壓力管道下平洞段左側(cè)斜上方與壓力管道平行布置了排水洞，排水洞與壓力管道軸線水平間距20m，起點(diǎn)至末點(diǎn)與壓力管道中線高差為34.325m～22.035m，排水洞的水排入廠房排水洞，排水洞斷面尺寸為2.5m×3m，坡度i=10%，起點(diǎn)高程為846.325m，末點(diǎn)高程為834.135m。在排水洞沿線右側(cè)（即靠近壓力管道）邊墻，底部向下傾斜30°和邊墻中間向上傾斜30°布置截水孔，其中在樁號(hào)壓0+049.500m～壓0+065.251m之間排水洞頂部垂直排水洞布置三個(gè)截水孔，截水孔均為Φ=100mm，間距5m，長L=25m。

3.2 鋼管主管段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洞內(nèi)埋管采用鋼管內(nèi)襯，在鋼管與圍巖之間回填C20混凝土，主管段0.6m、岔管段為2.0m，支管段位0.6m。漸變段和壓力鋼管的連接處設(shè)置止水，并在壓力鋼管段前端設(shè)兩道阻水環(huán)，阻水環(huán)的材料和厚度與加勁環(huán)相同，高度為200mm。

埋管的結(jié)構(gòu)計(jì)算分別計(jì)算以下三種工況：

①運(yùn)行期（荷載組合）：內(nèi)水壓力（含水擊壓力）+圍巖彈性抗力，其中豎井段（樁號(hào)壓0+034.500高程1007.263m以下至高程827.00m以上）不考慮圍巖彈性抗力；

②檢修期（荷載組合）：外水壓力；③施工期（荷載組合）：灌漿壓力。

圍巖巖性：混合巖夾片麻巖、片巖，巖層產(chǎn)狀：300°NE∠80°，局部片理發(fā)育，多呈層狀、流紋狀結(jié)構(gòu)。壓力管道巖體圍巖類別以ⅢA類為主。

內(nèi)水壓力：水庫正常蓄水位時(shí)管內(nèi)的壓力+水錘壓力，鋼管最大內(nèi)水壓力320m。

圖3 .1埋藏式1#岔管應(yīng)力云圖

圖3 .2埋藏式1#岔管肋板應(yīng)力云圖

圖3 .3埋藏式2#岔管應(yīng)力云圖

圖3 .4埋藏式2#岔管肋板應(yīng)力云圖

圖3 .5埋藏式3#岔管中面應(yīng)力云圖

圖3 .6埋藏式3#岔管肋板應(yīng)力云圖

外水壓力線起點(diǎn)（上彎點(diǎn)）為正常蓄水位1071.0m，出口為正常尾水位兩點(diǎn)的連線，考慮圍巖情況，并且在下平洞段左側(cè)布置一個(gè)排水洞。對下彎道及下平洞外水壓力進(jìn)行折減，折減系數(shù)采用0.75。

接觸灌漿壓力為0.2MPa，回填灌漿為0.3MPa。

經(jīng)計(jì)算，施工期不作為控制工況，運(yùn)行期和檢修期作為控制工況。

上平洞段和下平洞段鋼管和圍巖聯(lián)合受力、豎井段因不進(jìn)行固結(jié)灌漿不考慮圍巖的作用，鋼管從上至下采用Q345C及Q390C的鋼板，厚度20mm～40mm。加勁環(huán)間距1000～2000mm，高度200mm。

3.3 鋼岔管結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用鋼岔管，鋼材采用Q390C，在鋼岔管外回填C20素砼，厚度2m。

通過埋藏式鋼岔管有限元計(jì)算分析，運(yùn)行期設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力（加水錘壓力）320m。

3.3.1 岔管應(yīng)力計(jì)算

通過1#、2#和3#卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管將主管分為四個(gè)支管，岔管采用Q390C鋼材，鋼板厚度分別為38mm、32mm和28mm。計(jì)算結(jié)果分別見圖3.1、圖3.2、圖3.3、圖3.4、圖3.5、圖3.6。

按照埋藏式岔管的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，1#、2#、3#岔管各個(gè)部位應(yīng)力均符合Q390C鋼材的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，岔管的結(jié)構(gòu)方案在埋藏式運(yùn)行工況下均具備一定的安全裕度。

3.3.2 圍巖抗力敏感性計(jì)算分析

在縫隙為1.1mm時(shí)，對單位彈性抗力分別為：0MPa/cm、10MPa/cm、20MPa/cm、30MPa/cm、40MPa/cm、50 MPa/cm、60MPa/cm、70MPa/cm、80MPa/cm、100MPa/cm、125MPa/cm、150MPa/cm、175MPa/cm、200MPa/cm進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果幾乎所有控制點(diǎn)內(nèi)壁、外壁、中面的應(yīng)力均隨著K0（巖石單位抗力系數(shù)）的增加而降低，圍巖對內(nèi)水壓力的分擔(dān)作用十分明顯，即便是很小的圍巖抗力即起到很明顯的分擔(dān)作用，但在縫隙為1.1mm時(shí)，圍巖分擔(dān)率隨著K0的增加逐步趨緩，最終達(dá)到40%，當(dāng)K0=40MPa/cm時(shí)，圍巖分擔(dān)率已達(dá)30%，而當(dāng)K0=200MPa/cm時(shí)，圍巖分擔(dān)率只達(dá)到40%。這說明圍巖對內(nèi)水壓力的分擔(dān)作用是有限的。

3.3.3 鋼管與圍巖縫隙敏感性計(jì)算分析

取K0=70MPa/cm時(shí)，縫隙值分別取0.0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、8.0mm、10.0mm，對1#岔管進(jìn)行埋藏式工況的有限元計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，在本工程圍巖條件較好的情況下，縫隙大小對岔管管壁應(yīng)力影響十分顯著，縫隙越小，圍巖影響作用越大，當(dāng)縫隙為1.5mm時(shí)，圍巖的分擔(dān)作用開始顯著減弱，當(dāng)縫隙超過2mm時(shí)，圍巖分擔(dān)率則不到15%，當(dāng)縫隙超過4mm時(shí)，圍巖基本起不到分擔(dān)作用。

因此，埋藏式岔管控制回填混凝土和灌漿施工質(zhì)量對于圍巖發(fā)揮分擔(dān)內(nèi)水壓力作用起著決定性作用，本工程要求鋼管與圍巖縫隙小于1.1mm。

4 結(jié)論

（1）本工程壓力管道的設(shè)計(jì)，較好的適應(yīng)了地形地質(zhì)條件，分析了埋置于巖體中與圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力的是埋藏式鋼管。設(shè)置專用排水洞降低鋼管外水壓力，妥善的解決了壓力鋼管今后長期安全運(yùn)行問題。

（2）本工程通過對圍巖抗力敏感性和鋼管與圍巖縫隙敏感性分析，圍巖對內(nèi)水壓力的分擔(dān)作用是有限的，同時(shí)鋼管以外縫隙大小對管壁應(yīng)力影響十分顯著，最終確定了壓力鋼管的設(shè)計(jì)方案，即滿足工程運(yùn)行安全要求，又節(jié)省投資。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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