冶勒水电站压力管道设计

2011-04-23苟芳蓉陈子海

水电站设计 2011年1期

苟芳蓉,黄煌,陈子海

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 前言

冶勒水库是南桠河梯级开发的龙头水库。电站正常蓄水位 2650.00m,机组安装高程 2005.20m,水库总库容 2.98亿 m3,装机容量 2×120MW。主要水工建筑物包括:沥青混凝土心墙堆石坝、泄洪洞、放空洞、引水隧洞、调压室、压力管道、地下厂房等。电站设计水头 644.8m,引用流量 52.66m3/s。

2 压力管道布置

2.1 压力管道管线布置

压力管道置于厂房后坡,为地下埋藏式,采用由一条主管分为两条支管向机组供水的方式,总长 1768.64m,其中主管长 1706.56m,内径3.4m。设有上、中 (1)、中 (2)、下四个平段;斜(1)、斜(2)、斜(3)三个斜井段;在主管末端带一个分岔角为 60°的月牙内加强肋 Y形岔管,支管正向进厂。主管方位角为 N88°27′12.2″W,支管方位角为 N 68°E。上平段与斜(1)井段由转角为60°、半径为 11.2m的立面弯管连接 ,中 (1)、中(2)、下平段分别与斜(2)、斜(3)斜井段由转角为59°8′26.26″、半径为 11.2m的立面弯管连接。主管上平段轴线纵坡 i=0,其余平段轴线纵坡 i=0.015,支管轴线纵坡 i=0.052。支管内径为2.2m。主、支管均采用钢管衬护并回填微膨胀混凝土。压力管道纵剖面详见图1。

2.2 压力管道地质条件

图1 压力管道纵剖面

压力管道置于厂房后坡雄厚的山体内,围岩由致密坚硬的石英闪长岩组成,局部有辉绿岩脉和石英岩脉穿插。压力管道上覆围岩厚度一般达 150～250m,岩体呈微风化状态,压力管道沿线次及小断层以近 SN～NE向、中陡倾角 50°～85°为主,岩体具镶嵌状结构,完整程度中等偏好,围岩以Ⅲ类为主,有一定的自稳能力,地下水较丰富。

3 压力管道设计

3.1 压力管道水力计算

压力管道主管最大流速为 5.80m3/s,支管最大流速为 6.93m3/s。钢板衬砌段糙率采用 0.011、0.012和 0.013,另计入渐变段、蝶阀、球阀、岔管及弯管等局部水头损失,求得压力管道在不同设计糙率值情况下的总水头损失(见表1)。

表1 压力管道水头损失

3.2 压力管道内水锤计算

压力管道设计内压按调压室最高涌浪及压力管道水锤升压计算确定。其最大水锤内压为水库水位2650.00m、两台机满负荷运行、丢弃全负荷时的工况,经计算水锤升压系数为 0.06,压力升高值 ΔH=38.688m,钢管末端压力升高的采用值,不应小于正常蓄水位钢管静水压力的 10%,取 ΔH=65m。压力钢管末端最高水头 Hs=709.8m,相应水位2715.0m,而调压室最高涌浪水位为 2654.443m,故压力管道设计内水压按水锤升压控制。

经计算水锤降压系数 η=0.07143,压力降低值 ΔH=42.487m,压力管道末端最小压力为552.313m。

3.3 压力管道结构设计

3.3.1 压力钢管管壁厚度结构设计

3.3.1.1 钢管结构构件的抗力限值σR

按DL5141-2001《水电站压力钢管设计规范》,埋管独立承担内水压力设计,即

式中 Ψ——设计状况系数;

γ0——结构重要性系数;

γd—— 结构系数;

σR——钢结构构件的抗力限值,N/mm2;

f—— 强度标准值,N/mm2。

经计算,按埋管设计的主管段采用钢材 16MnR的强度设计值 f取 300N/mm2,则抗力限值σR为230.77N/mm2;按埋管设计的主管段采用钢材WDB620的强度设计值 f取 410N/mm2,则抗力限值σR为315.38N/mm2。按明管设计的支管段采用钢材WDB620的强度设计值f取 410N/mm2,计算得抗力限值σR为 256.25N/mm2。

3.3.1.2 钢板厚度 t的确定

式中 P0——设计内水压力,N/mm2;

ri—— 钢管内半径,mm;

t—— 钢板厚度,mm;

c——钢板锈蚀厚度,mm。

钢材:16MnR,板厚 10～34mm;WDB 620,板厚22～38mm。

3.3.2 钢管承受外压的弹性稳定设计

压力管道地下水从弱风化线开始计,并考虑0.6的折减系数,根据压力管道钢衬管壁厚度及外水压力大小,在钢管外壁每间隔 1.4～1.6m设置了一个高 20cm加劲环,在每条支管末端每间隔 0.8m设置三个高 20cm止推环,加劲环、止推环板厚与管壁钢板相同。

3.3.2.1 加劲环间管壁的抗外压稳定

其临界抗外压稳定 Pcr按米赛斯公式计算:

式中 Pcr——加劲管的临界外压,N/mm2;

n——相应于最小临界压力波数;

l——加劲环间距,mm;

E——钢材的弹性模量,N/mm2;

μ——钢材泊松比;

r——钢管内半径,mm。

3.3.2.2 加劲环的抗外压稳定

其临界抗外压 Pcr采用下式计算:

式中 σs——钢材的屈服极限,N/mm2;

FR——加劲环有效截面面积,mm2;

r——钢管内半径,mm。

计算结果均满足 K=1.8的安全系数要求。

4 灌浆设计

压力管道钢衬外侧回填微膨胀混凝土,在首端设置 3排深 8m的帷幕(固结)灌浆。

压力管道在平段设置回填灌浆和接触灌浆。在钢管主管段布孔,排距 1.6m,每排 3孔,分布于顶拱和底拱。当顶拱为 1孔时,底拱则为 2孔;反之亦然。顶拱为回填灌浆孔,底拱为接触灌浆孔。顶拱回填灌浆分两序进行,灌浆压力 0.3MPa。底拱接触灌浆只作一序,灌浆压力 0.2MPa。压力管道接触灌浆完成不小于 7天后进行脱空检查,在脱空面积大于 0.5m2的位置,增设接触灌浆(包括平段和斜段)。