玻璃钢管在水电站压力管道中的应用复核分析

付成华1，周洪波

(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都610039；2.雅砻江水电开发有限责任公司， 四川 成都610051)

·能源与环境·

玻璃钢管在水电站压力管道中的应用复核分析

付成华1，周洪波2

(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都610039；2.雅砻江水电开发有限责任公司， 四川 成都610051)

结合玻璃钢管在水电站压力管道中的应用情况，对石马岱水电站压力管道上部由700 mm管径螺旋钢管调整为600 mm管径玻璃钢管的方案进行管径和压力等级复核。结果表明，调整设计方案中上部1#～12#镇墩之间816.8 m的压力管道，采用600 mm管径玻璃钢管能满足过水能力要求，按1.5倍工作内水压力确定玻璃钢管压力等级合适，且满足现行规程规范要求，验证了调整设计方案的合理性。根据复核分析提出的建议可为玻璃钢管在小型水电站压力管道中的应用提供参考。

玻璃钢管；压力管道；水电站；管径；压力等级

玻璃钢管的应用领域已遍布石油、化工、给排水、水利、国防军工等行业，管径和工作压力范围也很宽泛，最高工作压力达到30 MPa以上。玻璃钢夹砂管壁结构从内到外分别为内衬层、内增强层、结构层(夹砂层)、外增强层和外部保护层，内衬层起防腐、防渗作用，内增强层、结构层、外增强层担负起管道的强度和刚度作用，外部保护层起抗老化、防腐蚀、抗日晒的作用。玻璃钢夹砂管具有优异的耐腐蚀性能、轻质高强、输送流量大、热应力小、安装方便、工期短和综合投资低等优点，可用于输水、作循环水管和压力管道等[1-4]。

水电站压力管道一般为有压状态，集中了水电站大部分或全部的水头，坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力)，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求[5]。本文针对石马岱电站压力管道调整方案中的管道管径及管材压力等级进行复核，说明玻璃钢管在小型水电站压力管道中应用的可行性。

1 电站压力管道设计方案

1.1工程概况

石马岱水电站位于浙江省遂昌县黄沙腰镇境内，以发电为主要目的。水库总库容为85.20万m3，水库正常蓄水位为800.00 m，相应库容74.1万m3，调节库容71.6万m3，装机容量2×1 600 kW，属V等工程。枢纽由拦河坝、引水隧洞、压力管道、发电厂房及升压站等组成。引水隧洞进口为斜坡式，设一道拦污栅，一道检修闸门，进口底板高程772.50 m，引水隧洞为有压圆形隧洞，开挖洞径2.0 m，衬砌后洞径1.5 m，全长1 055 m。

1.2压力管道初设方案

压力管道连接于隧洞出口与发电厂房之间,初步设计方案全线采用T52螺旋钢管，管径700 mm，壁厚根据不同水头段取8 、10 mm等2种规格，全长1 371.85 m。根据地形条件，压力管道沿厂房后山脊线布置，共布置18个镇墩，其中水平转弯4个，镇墩采用混凝土结构，合计1 312.2 m3；支墩为垵型支墩，底部为浆砌块石，顶部为钢管安装的二期混凝土，支墩布置间距6.0 m。电站采用联合供水方式，压力钢管组合衬砌段长50 m，斜坡段长1 371.85 m，分17段，合计长度1421.85 m。沿线共布置17只DN700 mm伸缩节。隧洞出口配置一套紧急启动蝶阀，通径Dg700 mm，以便压力管道出现事故时快速截断水源。

1.3压力管道调整设计方案

从现场开挖情况看，1#～14#镇墩均处在强风化带上，管道纵坡最大开挖深度已达5 m，下部基础仍旧是强风化。管道施工存在以下问题：1)管道开挖土方量大，山坡上弃土场少，弃碴处理困难，引发管道处理难度大；2)管道边坡护坡工程量大；3)镇墩基础底部摩擦因数小，镇墩方量大。

根据已开挖管线情况和沿线地形条件，在线路不变的情况下，调整设计方案为：1#～12#镇墩之间816.8 m压力管道采用 600 mm管径玻璃钢管，12#～17#镇墩之间536.2 m仍采用700 mm管径螺旋钢管，压力管道纵剖面如图1所示。

(a)1～12#镇墩间

(b)12～17#镇墩间

2 复核计算及分析

根据水力学管道流量计算公式和CECS190:2005《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》，本文对调整设计方案中的玻璃钢夹砂管管道管径及管材压力等级进行复核计算。

2.1玻璃钢管管径复核

(1)

式中：Q为流量；A为管道的过水断面面积；C为谢才阻力系数；J为水力坡度；n为管道的糙率；R为水力半径，对于圆管R=D/4；hf为沿程水头损失；l为管道长度。

根据式(1)中的相关水力学公式可得

(2)

1)流量和沿程损失相同，当螺旋钢管为新管时，其糙率取0.012，有

当螺旋钢管为旧管时，其糙率取0.015，有

即在不降低电站出力的情况下，对比700 mm管径新螺旋钢管，玻璃钢管管径应为613 mm；对比运行时间较长、糙率降低的700 mm管径螺旋钢管，玻璃钢管管径应为560 mm。

2)玻璃钢管管径采用600 mm，流量相同，当螺旋钢管为新管时，有

当螺旋钢管为旧管时，有

考虑到沿程水头损失不超过总水头的5%，采用玻璃钢管时，对比新螺旋钢管，电站出力降低不超过0.5%；对比运行时间较长的螺旋钢管，电站出力能增大约1.4%：因此，玻璃钢管采用600 mm管径是合适的。

2.2管道压力等级复核

1)SL281-2003《水电站压力钢管设计规范》采用容许应力设计法，在基本荷载组合下，有：

明钢管

σ≤0.55σs，

(3)

钢衬和坝内埋管

[σ]≤0.67σs。

(4)

2)DL/T 5141-2001《水电站压力钢管设计规范》采用极限状态设计法，管上各点应力满足式(5)的要求：

(5)

式中：σ为钢管结构构件的作用效应计算值；σR为钢管结构构件的抗力限值；f为钢材强度设计值；γ0为结构重要性系数(1级水工建筑物取1.1，2、3级取1.0)；ψ为设计状况系数(持久、短暂、偶然状况分别取1.0、0.9、0.8)；γd为结构系数(计算明管整体膜应力时取1.6，钢衬和坝内埋管时取1.3)，因此，对明管f≥1.6～1.76σ。

3)GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》采用极限状态设计法，对化学管材，包括硬聚氯乙烯圆管(UPVC)、聚乙烯圆管(PE)和玻璃纤维增强塑料管(GRP、FRP)，管道设计内水压力按式(6)计算：

Fwd,k=(1.4～1.5)Fwk。

(6)

式中：Fwd,k为管道的设计内水压力标准值，MPa；Fwk为管道的工作内水压力标准值，MPa。

4)CECS190:2005《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》采用极限状态设计法，玻璃纤维增强塑料夹砂管的设计内水压力标准值按式(7)计算：

Fwd,k=1.4Fwk。

(7)

式中：Fwd,k为管道的设计内水压力标准值，MPa；Fwk为管道的工作内水压力标准值，MPa。

SL 281—2003《水电站压力钢管设计规范》、DL/T 5141—2001《水电站压力钢管设计规范》对钢衬和坝内埋管的容许应力系数或结构系数的规定，均同时考虑了管外围岩和混凝土共同承载；而埋地玻璃钢管一般用松软土体掩埋，且一般埋深不大，其管外土体不能分担内压，因此一般埋地玻璃钢管其设计内水压力可按1.4～1.5倍工作内水压力取值。

综合以上分析，调整设计方案中按1.5倍工作内水压力确定玻璃钢管压力等级合适。

3 结论及建议

3.1结论

1)调整设计方案中上部1#～12#镇墩之间816.8 m压力管道采用600 mm管径玻璃钢管，下部12#～17#镇墩之间536.2 m压力管道采用700 mm管径钢管可行。

2)调整设计方案中玻璃钢管按不同水头选择压力等级可行。

3.2建议

1)玻璃钢管压力等级选择较多，为便于施工、质量控制及后期维护，建议将压力等级减少至3～4个以内。

2)结合地基承载力、埋地深度、回填方式及地面荷载情况，根据GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》和CECS190:2005《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》等进一步明确玻璃钢管的刚度等级、管壁最小厚度，合理提出玻璃钢管的施工技术和运行维护要求。

3)采用通水试压的方式检验玻璃钢管制作及安装质量。根据SY 0323—2000《玻璃纤维增强热固性树脂压力管道施工及验收规范》、DGJ08-234—2001《玻璃纤维增强塑料夹砂排水管道施工及验收规程》、CECS129:2001《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规范》等，提出玻璃钢管通水试压技术要求，并在通水试压前编制详细通水试压方案，在生产厂家指导下进行通水试压，确保通水试压起到较好的检验作用。

[1]钟云.用玻璃钢管修复水电站压力管[J].人民珠江，1998(2):39-43.

[2]李鹏科.玻璃钢管在小型水电站工程中的应用[J].甘肃水利水电技术,2007,43(4)：274-275.

[3]李志坚,李征.玻璃钢夹砂管在小型水电站的应用探讨[J].广东水利水电，2006(3)：24-25.

[4]王坤雷,张光科,孙启亮.玻璃钢管在水电站引水系统中的应用[J].陕西水利,2012(1)：91-92.

[5]范土贵,朱苏华.玻璃钢管在石马岱电站中的应用[J].小水电，2008(5)：43-45.

(编校：夏书林)

ReviewAnalysisontheApplicationofFRPPipeinPressurePipeofHydropowerStation

FU Cheng-hua1, ZHOU Hong-bo2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.YalongjiangHydropowerDevelopmentCompany,LTD,Chengdu610051China)

Combined with the application of FRP pipe in pressure pipe of hydropower station, Diameter of pipe and the pressure rating are analyzed for the adjustment scheme from 700mm diameter spiral pipe to 600mm diameter FRP pipe in the upper of pressure pipe of Shimadai hydropower station. The results show that, in adjustment design scheme between 1#to 12#town pier 816.8m pressure pipes using 600m diameter FRP pipe can meet the requirement of discharge capacity, and it is appropriate that pressure rating of FRP pipe is determined by 1.5 times working water pressure, and it meets the requirements of the current codes and specification, Adjusted scheme is reasonable. Proposals from the review are references for the application of FRP pipe in pressure pipe of small hydropower station.

FRP pipe; pressure pipe; hydropower station; diameter of pipe; pressure rating

2014-07-10

西华大学流体及动力机械省部共建教育部重点实验室学术成果培育项目(SBZDPY-11-9)；水资源与水电工程科学国家重点实验室(武汉大学)开放基金(2011B087)。

付成华(1978—)，女，副教授，博士，主要研究方向为水利水电工程。

TV732

：B

：1673-159X(2015)04-0080-03

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.04.016