李守志

（北方國(guó)際合作股份有限公司，北京100040）

1 引言

北方國(guó)際投資建設(shè)的老撾南湃（Nam Phay）水電站項(xiàng)目屬于典型的“大庫(kù)容、小流量、高水頭、長(zhǎng)引水”電站，工程主要由首部樞紐和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。首部樞紐建筑物主要由高97 m的混凝土面板堆石壩和溢洪洞組成；引水發(fā)電系統(tǒng)由岸塔式電站進(jìn)水口、6.74 km長(zhǎng)的引水隧洞、長(zhǎng)約1.5 km的壓力鋼管、地面廠房等組成。其中，埋入洞內(nèi)壓力鋼管長(zhǎng)度為762.55 m，地面段壓力鋼管長(zhǎng)696.10 m。電站額定水頭700 m，不利工況下最大瞬時(shí)水頭達(dá)到810 m。

在項(xiàng)目可研階段，地面壓力鋼管采用常規(guī)的明敷方案，即：壓力鋼管明敷沿線共布設(shè)的6個(gè)鎮(zhèn)墩，每個(gè)鎮(zhèn)墩之后均設(shè)伸縮節(jié)，兩鎮(zhèn)墩間每間隔6 m設(shè)置一個(gè)支墩。壓力鋼管與管槽底凈距保留60 cm，鋼管槽底做漿砌石襯護(hù)，邊坡采用噴混凝土支護(hù)，以避免雨季邊坡塌滑，危及鋼管安全。

項(xiàng)目開(kāi)工后，剝離壓力鋼管沿線的覆蓋層，確認(rèn)鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)置于變質(zhì)凝灰質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化中部，管槽基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化上部，整個(gè)明敷壓力鋼管沿線的邊坡穩(wěn)定性較差。另外，原設(shè)計(jì)有6個(gè)伸縮節(jié)，用于補(bǔ)償溫度變化引起的變形和位移，而伸縮節(jié)發(fā)生滲漏的可能性較大，一旦發(fā)生較大的滲漏，就會(huì)增加邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。如果采取增加錨索和加強(qiáng)支護(hù)等常規(guī)措施，則會(huì)增加很多費(fèi)用，在不利地質(zhì)情況下未必能夠達(dá)到預(yù)期的效果。需要找到一個(gè)既可以解決問(wèn)題，又不增加投資的辦法。設(shè)計(jì)人員提出一種壓力鋼管外包混凝土的解決方案，即將整個(gè)鋼管包裹在鋼筋混凝土內(nèi)，溫度變化對(duì)不再暴露在陽(yáng)光下的鋼管的影響減少到可以忽略的程度，無(wú)需再設(shè)置伸縮節(jié)，消除了伸縮節(jié)可能泄漏的隱患，同時(shí)，也增加了整個(gè)壓力鋼管的穩(wěn)定性。同時(shí)，這種壓力鋼管外包混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)大大減少壓力鋼管沿線的邊坡及槽底修整工程量。為此，對(duì)南湃水電站壓力鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)課題研究是非常必要的。

2 研究的目的和要求

2.1 研究的目的

為了得到壓力引水管道采用鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，項(xiàng)目委托武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬計(jì)算和相關(guān)的模型試驗(yàn)分析，用三維有限元方法對(duì)鋼管外包混凝土方案進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)比較鋼管外包混凝土方案和明管方案，對(duì)高水頭電站壓力鋼管的各種型式進(jìn)行深入的分析研究，為本工程壓力管道的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為其他類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

本研究課題目的明確，即；通過(guò)計(jì)算了解鋼管應(yīng)力狀態(tài)、變形程度、鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性及基礎(chǔ)變形，為鋼襯鋼筋混凝土方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)；結(jié)合具體地形地質(zhì)條件和工程布置，了解鋼管應(yīng)力狀態(tài)、變形程度,并得出合理支護(hù)措施；根據(jù)計(jì)算進(jìn)一步確定鋼管的管壁厚度、支撐環(huán)加勁環(huán)尺寸、支墩間距等。

2.2 研究的必要性

雖然南湃水電站鋼管直徑2 m不算太大，但最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力達(dá)810 m，HD值（水頭與直徑的乘積）高達(dá)1620 m2以上，接近舉世矚目的三峽水電站壓力鋼管的HD值1730 m2。如果按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用地面明鋼管布置方案，那么將存在以下幾個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題：

（1）根據(jù)初步估算，如果本工程采用明鋼管布置方案，需要采用600 MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼，管壁厚度大約在30～44 mm，在下部?jī)?nèi)水壓力較大的管段（包括鋼岔管）值可達(dá)2.2%，超過(guò)了水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)和安裝規(guī)范規(guī)定的2.08%，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后消應(yīng)熱處理，給施工工藝帶來(lái)很大困難。

（2）采用明鋼管布置時(shí)，管道沿線管槽部位將形成高度不一的邊坡，由于本工程地質(zhì)條件較差，不僅這些邊坡的支護(hù)工程量非常大，而且在電站運(yùn)行期間特別是雨季情況下，邊坡的穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響到地面明鋼管的安全。

（3）已有工程實(shí)踐表明，采用明鋼管布置時(shí)，鋼管不僅可能遭遇滑坡、滾石的影響，而且當(dāng)管道放空檢修時(shí)受鋼管兩側(cè)溫差荷載作用，鋼管可能側(cè)向彎曲，除非采取嚴(yán)格側(cè)向限位措施，否則可能導(dǎo)致鋼管從支墩上脫落，并引起伸縮節(jié)嚴(yán)重變形甚至漏水。

（4）為了保證明鋼管適應(yīng)溫度變化和地基不均勻沉陷，一般均在各管段上鎮(zhèn)墩下游部位設(shè)置伸縮節(jié)；對(duì)于像本工程這樣的高水頭水電站，伸縮節(jié)均采用波紋管伸縮節(jié)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，本工程壓力鋼管所需波紋管伸縮節(jié)數(shù)為6個(gè)，如果按單價(jià)50萬(wàn)元/個(gè)計(jì)算，光波紋管伸縮節(jié)就將增加投資300萬(wàn)元以上。

2.3 研究的具體要求

為了確保計(jì)算的針對(duì)性，特別提出了以下具體要求：

（1）分別按明管方案和鋼管外包混凝土方案計(jì)算分析，根據(jù)兩個(gè)方案計(jì)算成果確定壓力鋼管合理的布置型式，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

（2）三維模型中應(yīng)包括地下埋管段、明鋼管段、地面鋼襯鋼筋混凝土管段。

（3）地下埋管段仿真分析中應(yīng)模擬開(kāi)挖、支護(hù)、灌漿、運(yùn)行等過(guò)程。

（4）對(duì)設(shè)計(jì)方案地下埋管及地面鋼襯鋼筋混凝土管段進(jìn)行三維有限元分析，提出可行的工程措施。

（5）壓力鋼管分別按采用同種鋼材（鋼管段全部采用高強(qiáng)鋼）和不同鋼材（鋼管段部分采用高強(qiáng)鋼）的管壁厚度、變形、應(yīng)力、外壓穩(wěn)定等計(jì)算成果。由于鋼管承載較大的內(nèi)水壓力，在滿(mǎn)足安全和施工要求情況下盡量采用普通鋼材。

（6）充分考慮縫隙值對(duì)地面鋼襯鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)的影響，適當(dāng)取幾組縫隙值進(jìn)行敏感性分析。

（7）鋼管管壁厚度盡量按壓力上升逐漸加厚，在保證壓力鋼管結(jié)構(gòu)安全性的情況下，考慮壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)性及合理性。

（8）取幾組的溫差荷載進(jìn)行敏感性分析。

2.4 研究的主要內(nèi)容

2.4.1 國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程資料收集

搜集國(guó)內(nèi)外水電站壓力鋼管采用外包混凝土的設(shè)計(jì)狀況，重點(diǎn)了解高水頭壓力鋼管外包混凝土的設(shè)計(jì)，溫度對(duì)壓力鋼管變形的影響，細(xì)部措施（如設(shè)置誘導(dǎo)縫，裂縫保護(hù)等）以及工程實(shí)例。

2.4.2 地下埋管段設(shè)計(jì)研究

（1）對(duì)地下埋管段進(jìn)行仿真分析，模擬開(kāi)挖、支護(hù)、灌漿、運(yùn)行等過(guò)程，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)施工期支護(hù)措施和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)管內(nèi)水壓力分布確定鋼管管壁厚度。

（2）根據(jù)運(yùn)行期地下水位線和施工期灌漿壓力，進(jìn)行鋼管抗外壓穩(wěn)定分析，提出相應(yīng)的抗外壓措施。

2.4.3 地面鋼襯鋼筋混凝土管方案計(jì)算

（1）根據(jù)內(nèi)水壓力分布，按解析法分段確定鋼管管壁厚度，分為全部采用高強(qiáng)鋼和部分采用高強(qiáng)鋼兩種情況。

（2）對(duì)地面鋼襯鋼筋混凝土管進(jìn)行整體三維有限元分析和抗外壓穩(wěn)定分析，進(jìn)一步確定管壁厚度、加勁環(huán)尺寸外圍混凝土厚度等。

（3）根據(jù)管線布置，復(fù)核鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定和沉降變形。

（4）對(duì)于鋼管外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按聯(lián)合承載原則確定各段鋼管管壁厚度和鋼筋配置，進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

（5）按照壓力鋼管全線不設(shè)伸縮節(jié)的方案整體建模（含鋼襯鋼筋混凝土管、鎮(zhèn)墩、地基），計(jì)算不設(shè)伸縮節(jié)時(shí)鋼管應(yīng)力是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，若不滿(mǎn)足提供建議的工程措施。

（6）對(duì)溫度和初始縫隙值進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)。

2.4.4 取消伸縮節(jié)的驗(yàn)算

針對(duì)選定的鋼襯鋼筋混凝土管道結(jié)構(gòu)，在不設(shè)伸縮節(jié)的狀態(tài)下，進(jìn)行仿真計(jì)算和驗(yàn)算，確認(rèn)不設(shè)置伸縮節(jié)的科學(xué)依據(jù)。

2.4.5 地面明鋼管方案（比較方案）計(jì)算

（1）根據(jù)內(nèi)水壓力分布，按解析法分段確定鋼管管壁厚度，分為全部采用高強(qiáng)鋼和部分采用高強(qiáng)鋼兩種情況。

（2）對(duì)地面明鋼管進(jìn)行三維有限元分析和抗外壓穩(wěn)定分析，進(jìn)一步確定管壁厚度、支撐環(huán)加勁環(huán)尺寸、支墩間距等。

3 研究的方法和結(jié)果

3.1 模型范圍

對(duì)壓力管道整體建模，模型應(yīng)包括鎮(zhèn)墩、鋼管、地基、鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)，計(jì)算域邊界不小于5倍鎮(zhèn)墩高度。

地下埋管計(jì)算模型中，計(jì)算域邊界距鄰近建筑外輪廓距離不小于5倍開(kāi)挖最大洞徑；距地表距離不足5倍開(kāi)挖高度時(shí)取至地表。

3.2 基本假定

（1）在計(jì)算中所采用的材料模型應(yīng)能反應(yīng)該類(lèi)巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，可將巖體視為彈塑性介質(zhì)。

（2）明管計(jì)算模型中應(yīng)包含鋼管、加勁環(huán)、伸縮節(jié)、鎮(zhèn)墩、支墩等結(jié)構(gòu)，地面鋼襯鋼筋混凝土管模型中應(yīng)包含鋼管、外包鋼筋混凝土、鎮(zhèn)墩等結(jié)構(gòu)。

（3）計(jì)算中應(yīng)將圍巖、噴錨支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)等一并作為有限元分析的研究對(duì)象，并考慮應(yīng)力路徑的影響。

3.3 計(jì)算工況

3.3.1 基本荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重。

（2）正常蓄水位的靜水壓力。

（3）正常工作情況最高壓力。

（4）特殊工作情況最高壓力。

（5）溫度荷載（最大溫升、溫降按16℃考慮，并做敏感性分析）。

（6）轉(zhuǎn)彎處內(nèi)水壓力。

（7）外壓，包管段外壓采用管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓差，埋管段外壓采用管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓差+地下水水壓力。

（8）灌漿壓力，鋼管和岔管接觸灌漿壓力取0.2 MPa。

3.3.2 基本荷載組合

可能存在的荷載組合見(jiàn)表1和表2。

表1 外包混凝土管荷載組合表（含明管）

表2 地下埋管荷載組合表

3.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)該工程引水系統(tǒng)壓力鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和有限元分析，得到以下結(jié)論和建議：

3.4.1 地下埋管段

（1）在施工期，洞室開(kāi)挖后，洞周?chē)鷰r產(chǎn)生朝向洞內(nèi)的變形，第三主應(yīng)力有所增加?？傮w上圍巖變形量較小，圍巖塑性區(qū)較小，地下埋管段在施工期整體穩(wěn)定能夠得到保證。

（2）在運(yùn)行期，在內(nèi)水壓力作用下，回填混凝土已全部開(kāi)裂，但各斷面鋼襯最大Mises應(yīng)力均小于相應(yīng)鋼材的允許應(yīng)力值，說(shuō)明按規(guī)范方法設(shè)計(jì)所確定的鋼襯厚度完全可以滿(mǎn)足運(yùn)行期的要求。

（3）埋管段起點(diǎn)由于埋深最大，考慮圍巖聯(lián)合承載后鋼襯厚度最薄，鋼襯厚度能滿(mǎn)足光面管的臨界壓力要求，理論上講無(wú)需再設(shè)加勁環(huán)。但如果工程正式運(yùn)行后地下水位線上升，超過(guò)了現(xiàn)在計(jì)算采用的外水壓力值，為了安全起見(jiàn)，那么建議本工程埋管起始段200 m左右范圍內(nèi)設(shè)置加勁環(huán)。

（4）縫隙值是影響鋼襯應(yīng)力和圍巖承載比的重要因素。為減小壓力鋼管與混凝土間的縫隙，充分保證混凝土澆筑和接觸灌漿的質(zhì)量，建議采用微膨脹混凝土進(jìn)行回填，以減小初始縫隙值。

3.4.2 地面明管段

（1）明鋼管方案：

經(jīng)過(guò)三維有限元計(jì)算，鋼管采用壁厚為30～40 mm的高強(qiáng)鋼WDB620可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)考慮溫升荷載作用時(shí)，由于上部結(jié)構(gòu)向上變形引起建基面局部區(qū)域方向呈拉應(yīng)力狀態(tài)，除此之外，鎮(zhèn)墩及支墩建基面方向受力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力數(shù)值均能滿(mǎn)足建基面承載力要求，因此明鋼管布置方案在技術(shù)上也是可行的，但需要在每2個(gè)鎮(zhèn)墩之間布置一個(gè)變形量大于80 mm以上的波紋管伸縮節(jié)。由此將引起鋼管和伸縮節(jié)一次性投資增加，另外地面明鋼管抗震能力較弱，后期維護(hù)工作量相對(duì)較大。

（2）鋼襯鋼筋混凝土管道方案：

在鋼襯和鋼筋滿(mǎn)足抗力限值的強(qiáng)度要求，且裂縫寬度滿(mǎn)足規(guī)范要求（0.3 mm）的情況下，鋼襯厚度和鋼筋配置以初始縫隙0.2 mm來(lái)確定。采用高強(qiáng)鋼WDB620鋼襯厚度為24～32 mm，鋼管外包混凝土厚度為500 mm，布置兩層鋼筋即可滿(mǎn)足要求。

（3）由于溫度荷載的作用，斜直段混凝土將出現(xiàn)垂直于管軸線的環(huán)縫，但從計(jì)算得到鋼襯軸向應(yīng)力，特別是軸向鋼筋應(yīng)力來(lái)看，數(shù)值一般在50 MPa以?xún)?nèi)，相應(yīng)的裂縫寬度不大，不會(huì)對(duì)管道安全造成影響。

（4）本工程采用鋼襯鋼筋混凝土管道方案可以滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定性要求，安全系數(shù)均在3.0以上。鎮(zhèn)墩建基面主要為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力數(shù)值可以滿(mǎn)足地基承載力均滿(mǎn)足要求。綜合比較，建議采用鋼襯鋼筋混凝土管道布置方案。

（5）設(shè)伸縮節(jié)后，各工況下管道結(jié)構(gòu)對(duì)上、下鎮(zhèn)墩的作用力沒(méi)有明顯的降低，反而在個(gè)別工況下，該作用力略微增大。不管是否考慮溫度作用，在管道中間布置伸縮節(jié)并不能很好地減小管道結(jié)構(gòu)傳給鎮(zhèn)墩的作用力，也即對(duì)于地面式鋼襯鋼筋混凝土管道上下游鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性影響不大。

4 成果應(yīng)用及結(jié)論

通過(guò)以上針對(duì)性的課題研究，南湃水電站最終采用地面式鋼襯鋼筋混凝土管道結(jié)構(gòu)，整個(gè)鋼管段不設(shè)伸縮節(jié)。

與可研規(guī)劃階段比較，優(yōu)化后的壓力管道鋼管制作和安裝工程量減少了1079.83 t，約1/3；外包混凝土增加5247 m3；鋼筋減少420 t。平段管槽采用石渣回填，減少部分開(kāi)挖邊坡支護(hù)工程量。

根據(jù)合同單價(jià)計(jì)算，優(yōu)化后的壓力管道工程合計(jì)減少工程成本206.5萬(wàn)美元，并且免去了伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)的后期運(yùn)行維護(hù)成本，成效顯著，用事實(shí)證明“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。

《老撾南湃水電站BOT項(xiàng)目超高壓壓力鋼管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究》技術(shù)合作研發(fā)合同于2014年5月6日在北京簽署。2015年9月9日，北方國(guó)際會(huì)同西北設(shè)計(jì)院在武漢大學(xué)召開(kāi)課題研究成果鑒定會(huì)。