辛利春，胡世喜，趙 喆

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

湖北黃龍灘水電站位于漢江最大支流堵河下游，距離十堰市約30 km。黃龍灘水庫大壩壩型為混凝土重力壩，壩面長度371 m，最大壩高107 m，壩頂高程252 m。水庫正常蓄水位247 m，死水位226 m。

電站共安裝4臺水輪發(fā)電機組，均采用單管單機布置，分先后兩期建成?？傃b機容量510 MW。電站一期工程為大壩和1、2號水輪發(fā)電機組(1號廠房)建設，1974年5月、6月兩臺機相繼投產(chǎn)發(fā)電。由于電站建成投產(chǎn)時間較長，從運行安全角度出發(fā)，須結(jié)合日常實測資料對引水道壓力鋼管強度進行復核，以決定電站今后運行對策及注意事項。

本文通過介紹黃龍灘1號廠房1號機組壓力管道安全性復核方法，旨在為類似運行時間較長水電站的引水道復核工作提供借鑒。

1 壓力鋼管強度計算復核

1.1 壓力管道布置及其相關參數(shù)[1]

本工程采取單元引水方式，經(jīng)兩條引水道分別向二臺水輪發(fā)電機組供水。每條引水道由壩式進水口和埋藏式鋼管道兩部分組成，見圖1。

由本工程水力過渡過程計算可知，本電站①號、②號引水道長度分別為242.013、225.428 m，兩者相差僅6.9%，沿程內(nèi)水壓力控制值相近，①號機內(nèi)水壓力值相對較大。①號、②號引水道沿程管道參數(shù)變化較一致，鋼管周邊外水壓力值相差不大，故本次復核選取①號引水道各管段作為代表管段進行計算，外水壓力標準值選取同一范圍監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)值中的較大者。

①號引水道自樁號0+024.8 m以后，壓力管道均采用鋼管襯砌，鋼管直徑6.5 m(與蝸殼連接段為5.2 m)，壁厚10～20 mm，鋼管及加勁環(huán)采用16Mn低合金結(jié)構鋼板制作(對應新規(guī)范Q345低合金結(jié)構鋼)；接近廠房一段增厚至22 mm，采用15MnTi低合金結(jié)構鋼板制作(對應新規(guī)范Q390低合金結(jié)構鋼)。

整個引水道上平段上游側(cè)鋼管設置加勁環(huán)，下平段漸縮管下游側(cè)為光面管，其余管段除了設置加勁環(huán)外，均設置有加勁錨筋，規(guī)格為24Φ20@1600及36Φ20@1800兩種。

1.2 地質(zhì)條件

引水道通過河床左岸高程200.0～220.0 m臺地的下部。外包混凝土管段底部為基巖，大部分為微風化的富含大顆粒石榴子石白云母石英鈉長片巖及富云母石英鈉長片巖，巖石具有足夠的承載能力；地下埋管段最大埋深約45～50 m，由地表至新鮮巖石的深度約25～30 m。隧洞進口、出口段通過弱風化巖石，節(jié)理裂隙較為發(fā)育；洞身段大部分通過新鮮至微風化帶巖石，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育。

1.3 復核依據(jù)

1.3.1 工程等級、建筑物級別及設計安全標準

1)工程等級。黃龍灘水電站水庫庫容12.28億m3，攔河壩壩高107 m，總裝機容量510 MW。根據(jù)GB50201-2014《防洪標準》及DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規(guī)定，確定本工程為一等工程，工程規(guī)模為大(1)型。

2)建筑物級別。根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規(guī)定，確定發(fā)電引水系統(tǒng)等主要建筑物為2級建筑物，結(jié)構安全級別為Ⅱ級。

3)壓力管道安全標準。鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)Kc取值：地下埋管光面管管壁≥2.0；地下埋管加勁環(huán)和其間管壁≥1.8；鋼襯鋼筋混凝土管加勁環(huán)和其間管壁≥1.8。

1.3.2 計算原則及內(nèi)外水壓力設計值的選取[2-3]

本工程區(qū)域地震烈度為Ⅵ度，且壓力管道為地下工程，根據(jù)NBT 35047-2015 《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》，可不進行抗震計算。

計算假定鋼管結(jié)構在彈性狀態(tài)下工作，采用承載力極限狀態(tài)相關公式進行計算，擬定持久、短暫、偶然三狀況，分別進行取值復核。擬定的主要工況如下。

1)工況一(持久工況)。水庫正常蓄水位247.00 m，最大水頭85.18 m，對應尾水位160.88(計算確定)，2臺機組額定出力正常運行時，突甩全負荷(2臺→0臺)，最高內(nèi)水壓力下鋼管結(jié)構分析復核計算。

2)工況二(偶然工況)。校核洪水位253.90 m，下游校核尾水位177.81 m，2臺機組超額定出力10%正常運行時，突甩全負荷(2臺→0臺)，最高內(nèi)水壓力下鋼管結(jié)構分析復核計算。

3)工況三(短暫工況)。壓力管道放空檢修時，最大外水壓力下鋼管及加勁環(huán)抗外壓分析復核計算。

進行鋼管承受內(nèi)壓結(jié)構分析時，按沿程管段壁厚及內(nèi)壓分布情況選擇4個典型斷面進行計算，其中Ⅰ號壓力管道自樁號引0+024.800 m至引0+083.330 m段及廠房上游側(cè)管段可視為鋼襯鋼筋混凝土管段，且假定鋼管單獨承受內(nèi)壓，采用相關公式進行取值計算；引0+083.330 m下游管段按地下埋管相關公式進行取值計算。

內(nèi)水壓力設計值采用①號廠房引水系統(tǒng)及機組過渡過程計算中相應工況內(nèi)水壓力控制值。各工況沿程內(nèi)水壓力分布情況見表1及圖2～圖3，計算斷面管道參數(shù)見表2。

圖2 工況一管道內(nèi)水壓力沿程分布圖

圖3 工況二管道內(nèi)水壓力沿程分布圖

表2 承受內(nèi)壓計算壓力管道典型斷面參數(shù)表

進行抗外壓分析時，首先對沿引水道布置的水位監(jiān)測孔統(tǒng)計資料進行定性分性，根據(jù)分析結(jié)果確定典型斷面。

通過對各測孔地下水位過程線分析，鋼管周圍區(qū)域地下水穩(wěn)定，規(guī)律性較強，基本表現(xiàn)為夏秋季水位較冬春季水位高的特點，與鋼管內(nèi)水壓力變化不相關?？紤]地形地貌及管線布置情況，經(jīng)對比分析，最終選擇下平段中部引3點作為復核代表監(jiān)測點，取多年平均水頭值經(jīng)折減后的壓力值作為代表徑向均布外壓標準值，取引3點附近的引0+190.000 m斷面作為計算斷面。另外，引水道前端外包混凝土管段及廠房上游墻內(nèi)鋼管段尚需進行抗外壓復核，本次選取引0+036.628 m及引0+241.073 m兩個斷面，將前者視為鋼襯鋼筋混凝土管，后者視為光面地下埋管進行計算，以策安全。

計算時地下埋管(斷面B)在工況三(放空工況)承擔外水壓力根據(jù)引3點監(jiān)測數(shù)據(jù)并考慮折減系數(shù)確定，氣壓差按0.5個標準大氣壓計；斷面A及斷面C放空時按管壁(加勁環(huán))承擔1個標準大氣壓計。

壓力管道沿程地下水位觀測孔見圖4；

圖4 壓力管道沿程地下水位觀測孔布置圖

引2、3、6、7點測孔水位過程線(2015年)見圖5；

圖5 引2、3、6、7——2015年水位過程線圖

地下水位統(tǒng)計值見表3；

表3 地下水位特征值統(tǒng)計表 m

抗外壓斷面計算參數(shù)見表4；

表4 抗外壓計算壓力管道典型斷面參數(shù)表

Ⅰ號壓力管道強度復核計算各典型斷面見圖6。

圖6 引水道典型斷面布置圖

1.3.3 計算內(nèi)容及復核結(jié)論

本次復核共分鋼襯鋼筋混凝土管段承受內(nèi)水壓力應力分析，地下埋管段承受內(nèi)水壓力應力分析，設有加勁環(huán)地下埋管段抗外壓復核，光面管地下埋管段抗外壓復核，鋼襯鋼筋混凝土段抗外壓復核幾個部分，均按《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》(NB/T35056-2015)相關公式進行計算。鋼材強度設計值f=295 N/mm2，標準值fsk=330 N/mm2，鋼管結(jié)構重要性系數(shù)γ0=1.0，外包混凝土段及地下埋管段結(jié)構系數(shù)γd分別取1.5和1.25，加勁環(huán)應力校核時γd取1.6，持久設計狀況(工況一)系數(shù)ψ=1.0，偶然設計狀況(工況二)系數(shù)ψ=0.8，短暫設計狀況(工況三)系數(shù)ψ=0.9。

鋼襯鋼筋混凝土段假定鋼管承擔全部內(nèi)壓，采用鍋爐公式計算并進行強度復核。地下埋管復核過程中，鋼管與混凝土襯砌、混凝土襯砌與圍巖之間存在的縫隙值δ2按照《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》(NB/T 35056-2015)中的式(B.1.1-1)計算，鋼管冷縮縫隙結(jié)合水文資料進行取值計算，通過對電站水溫情況進行分析比較，并從安全角度出發(fā)，令鋼管起始溫度與最低溫度之差為20℃，則最高溫度運行情況初始溫度與最高溫度之差則取為-(33.8-1.6-20)=-12.2℃。初始縫隙值取0.2 mm，埋管段典型斷面縫隙值及最高水溫情況下鋼管冷縮縫隙值計算結(jié)果如下：δs2=-0.61 mm，δ2=1.35 mm。

地下埋管段縫隙判別條件計算結(jié)果見表5。

表5 地下埋管段縫隙判別條件計算表

各管段典型斷面強度復核計算結(jié)果見表6。

通過本次①號壓力管道強度安全復核可知，黃龍灘水電站1號廠房引水道壓力管道承擔內(nèi)水壓力全部滿足要求?？雇鈮悍矫?，地下埋管加勁環(huán)可滿足要求，環(huán)間管壁在只考慮加勁環(huán)的情況下稍有欠缺(Kc=1.77)，同時考慮了錨筋作用后滿足要求(Kc=3.52)；地下埋管光面管段及鋼襯鋼筋混凝土管段抗外壓計算亦滿足要求。

表6 壓力管道計算成果表

2 結(jié) 語

水電站在經(jīng)過40年的運行后，管道金屬材料難免有不同程度的銹蝕及疲勞運行情況，復核時根據(jù)現(xiàn)場踏勘掌握情況，暫未考慮管壁厚度折減，運行單位在進行引水發(fā)電系統(tǒng)安全復核時，應把壓力管道強度復核作為工作重點，結(jié)合日常運行中收集的觀(監(jiān))測成果，全面系統(tǒng)地進行分析復核，同時應根據(jù)DL/T709-1999《壓力鋼管安全檢測技術規(guī)程》相關要求，壓力鋼管運行滿40年，必須進行折舊期滿安全檢測，以確定鋼管是否可以繼續(xù)服役及必須采取的加固措施。