活断层附近高水头压力管道设计方案研究

石江琳

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆石河子832000）

活断层附近高水头压力管道设计方案研究

石江琳

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆石河子832000）

新龙口电站水头321m，压力管道处于活断层影响范围内，本文分别从管材、布置、管径层次进行比选，每个层次又通过不同方案进行比选，根据不同的方案优势，最终选定可行方案。

活断层附近；引水式电站；高水头压力管道；方案比较；伸缩节

1 工程概况

新龙口电站引水渠首位于G217国道603.5km处，距上游将军庙水文站约3.3km。发电厂房位于新龙口渠首下游约1.5km的河道右岸，电站厂房距奎屯市约46km，有砂石路与G217国道相接，交通较为便利。

新龙口电站为引水式电站，工程由引水枢纽、引水隧洞、前池、压力管道、泄水陡坡、主副厂房等组成。设计引水流量50.5m3/s，发电水头321.44m，装机容量140MW。

根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）的规定，属中型Ⅲ等工程，因此，新龙口电站各建筑物级别按其从属的不同工程等别分开确定。压力管道为3级。

2 工程地质

由于压力管坡需穿清水河断裂（F3）带，该断裂破碎带宽50～100m，上盘影响带宽可达500m，下盘影响带宽约300m，电站前池位于上盘影响带上，山区隧洞出口处平洞，上盘影响带宽约500m，其对前池地基稳定性影响较大。现场开挖探槽及平洞，断层破碎带岩性主要为碎裂岩（母岩为凝灰质砾岩）和断层泥（母岩为第三系泥岩），碎裂岩多呈黄色、灰绿色，松散，风化强烈，不适宜直接作为建筑地基；断层泥颜色差异大，主要为红色、黑色，受挤压作用影响形成片状，硬塑状态，断层泥遇水会发生一定的软化，其压缩性大，不适宜作为建筑物地基，由于该断裂为区域性断裂，在多期次的活动中地表表现差异性大，其延伸方向及断层破碎带物质极为复杂，考虑其活动性时压力钢管需采取避让或其他措施，以减小差异沉降。

断层破碎带土质不均，压缩性大，不适宜作为建筑地基，需采取一定处理措施。建议破碎带开挖边坡临时1∶1.5，永久1∶1.75，高度大于10m需设马道和加固措施。

压力管坡及泄水陡坡需穿越全新统坡积层、西域砾岩和上新统昌吉河组砾岩夹泥岩，建议坡积层开挖边坡临时1∶1.25，永久1∶1.5，西域砾岩开挖边坡临时1∶1.0，永久1∶1.25；砾岩夹泥岩开挖边坡临时1∶1.0，永久1∶1.25，边坡高度超过10m时需设马道和加固措施。电站厂房处地下水埋深1～2m，基础设于水位以下时需考虑降排水措施，砂砾石层水下开挖边坡临时1∶1.5，永久1∶1.75，高度大于10m边坡需设马道。

3 压力管道设计

（1）管材的比选。本工程压力管道较长，压力管道工程量对总投资影响较大。为了尽量降低投资，就必须要考虑采用最为经济的管材；可供进行比选的管材分别为钢管、钢筋混凝土管、钢管外包混凝土、PCCP管等。PCCP管可承受高的内压和外部荷载，对地基适应性好，且耐腐蚀性强，在引水工程及输水工程上已得到了广泛的应用，采用PCCP管替代部分压力钢管，可降低工程造价。经过多方面的咨询和调研认为PCCP管道在本工程应用中还存在很多缺点和隐患。电站运行中的一些误操作是客观存在的，采用钢管会比PCCP管大大提高安全裕度；PCCP管道采用承插口接头，施工简便，但接头橡胶圈止水耐久性不如钢材，且接头很多会存在诸如漏水等问题，为工程安全运行带来隐患，PCCP管单节管道重量超过70t，在斜坡上施工难度较大。目前，PCCP管在水电站工程中应用的最大管径为3.0m，直径4.0m的PCCP管道仅在供水和排水等工程中应用过，由于物价波动，采用PCCP管在经济上的优势已不再突出。

本工程对剩余3种管材方案进行了研究比较，采用现浇钢筋混凝土管的方案，满足抗裂要求的管壁厚度较大，0.5MPa压力下需要75cm厚的C30混凝土并在单位长度配置4900mm2的钢筋，每造价约18900元/m，采用钢衬钢筋混凝土管道方案，钢衬和钢筋混凝土联合受力可减少混凝土工程量，但钢板和钢筋总量较大，经计算0.5MPa以下钢衬钢筋混凝土管（钢衬6mm，C30混凝土40cm，钢筋2000mm2）每延米造价19100元，同级别的压力钢管（壁厚12mm）造价19200元/m。内水压力增加到1MPa压力时，钢筋混凝土管造价达到27700元/ m，钢衬混凝土管造价约25600元/m，而同压力等级的钢管方案约为23150元/m。综上可知，在低压段管道3种方案投资相差很小，随着压力的增加钢管方案的经济性逐渐明显，且钢管具有比钢衬钢筋混凝土管施工简便等优点。

综合考虑以上各种因素，本工程选用钢管。

（2）布置比选。压力管道单根管线总长1174.67m。缓坡段长639.55m，纵坡1/7，最大静水头90m，陡坡段和下平段总长596m，纵坡1/ 2.1，最大净水头321.5m，电站总装机140MW，设计引用流量50.5m3/s。按2大2小机组（2台50MW、2台18MW）方案进行了压力管道各方案布置和比选。

方案1∶2大2小机组，单管单机，采用露天明钢管（在断层影响范围设伸缩节，来调整断层的活动量，同时结合事故泄水道，避免断层活动对工程安全的影响，露在明处有利于安全巡视）钢材Q345R，全长1174.67m。坡比依次取1∶3.1、1∶11.14、1∶2.1。采用4根钢管布置，管道直径从右至左依次为2.6、2.6、1.5、1.5m，流量分别为19.37、19.37、5.79和5.79m3/s，管中流速为3.65、3.28m/s。管道全线设镇墩12个，上镇墩结合前池设计；下镇墩设于副厂房前水平段，管坡中间设10个镇墩；管道采用滚动支座，支墩间距6m。

管沟底宽18.8m，下设10cm混凝土护面，管道至护面0.6m，两侧设混凝土护面的排水沟。管道左侧设1.5m宽砼踏步，高于管底护面1.0m。镇、支墩采用C25钢筋砼。

方案2∶2大2小机组，大机组2机1管，小机组单管单机，采用露天明钢管（在断层影响范围处设伸缩节，来调整断层的活动量，同时结合事故泄水道，避免断层活动对工程安全的影响，露在明处有利于安全巡视），钢材Q345R，全长1174.67mm。坡比依次取1∶3.1、1∶11.14、1∶2.1。采用3根钢管布置，3根管道从右至左直径依次分别为3.5、1.5、1.5m，流量分别为38.74、5.79和5.79m3/s，管中流速为4.03、3.28m/s。管道全线设镇墩12个，上镇墩结合前池设计；下镇墩设于副厂房前水平段，管坡中间设10个镇墩；管道采用滚动支座，支墩间距6m。

管沟底宽14.6m，下设10cm混凝土护面，管底至护面0.6m，两侧设混凝土护面的排水沟。管道左侧设1.5m宽砼踏步，高于管底护面1.0m。镇、支墩采用C25钢筋砼。

方案3：考虑到冬季运行，且冬季流量较小，采用1管4机，而明管首先要考虑保温的要求，故采用地埋外包混凝土钢管（对应断层影响范围，采用增加壁厚和外包钢筋混凝土来抵抗由于断层活动影响的变形量）。

压力水管采用地埋外包混凝土钢管形式，直径均为4.1m，管长1174.67m，管坡0+000—0+ 708.67段管道坡比顺地形采用1∶3.24、1∶13.2，该段为地埋管；管道0+708.67—1+154.11段为隧洞段，分为2级竖井，每级竖井深123m。

地埋管段管道直径4.1m，外包40cmC25钢筋砼，钢管抵抗内压，钢筋砼抵抗外压，管底采用40cm细砂垫层，管沟开挖底宽6.1m，开挖边坡1∶1，考虑的冻深，管顶覆土2m，管道两侧回填土压实度不小于0.9，管顶上回填土压实度不小于0.8。

隧洞段管道内径4.1m，外包70cmC25钢筋砼，竖井底部转弯段局部加厚20cm。竖井段及下平段采用内钢衬，壁厚18～42mm。

3种方案布置和投资比较见表1。

表1 压力管道布置方案比较

结论：投资最小方案为方案3，其次是方案2，最大为方案1；方案1运行调度最为灵活，其余次之；方案3冬季运行效果最好，方案1、方案2相对较差；故本工程推荐方案3，即地埋管1管4机方案。

（3）管径比较。本工程管线长，压力管道工程总投资较大，该电站总装机容量139Mw，引用流量为50.5m3/s，隧洞总长1420m。根据沿线的岩石地质情况分析，初拟管线0+000—0+708.67共708.67m长采用钢管外包钢筋砼衬砌，初拟砌厚40cm、管线0+708.67—1+154.11段采用钢管外包钢筋砼衬砌，初拟砌厚70cm；钢管管径3.9、4.0、4.1、4.2、4.3m；3个方案进行比较，各方案动能经济指标见表2。

表2 管径选择方案比较

从表2可看出：管径为4.1m的方案最优。

综上所述，本设计推荐衬后钢管4.1m的方案。

（4）压力管道设计。考虑到冬季运行，且冬季流量较小，采用1管4机，而明管首先要考虑保温的要求，故采用地埋外包混凝土钢管。管长1174.67m，设计引水流量50.5m3/s，设计水头321.5m。

压力水管采用地埋外包混凝土钢管形式，共1根，直径均为4.1m，管内流速3.82m/s，设计水头321.5m，最大水锤压力4.2Mpa，管线结合地形地质进行布置，0+000—0+398.45段地基为Q4dl崩坡积物，本阶段对该段镇墩基础采用桩基加固，该段管道坡比顺地形采用1∶3.24和1∶13.2，由于基础较差宜采用较缓坡比。管道0+398.45—0+ 708.67段地基为砂砾石，该段管道坡比为1∶13.2；管道0+708.67—1+154.11段为隧洞段，该段由2级123m竖井和上、下2级平洞组成。

地埋管段管道直径4.1m，外包40cmC25钢筋砼，钢管抵抗内压，钢筋砼抵抗外压，管底采用40cm细砂垫层，管沟开挖底宽6.1m，开挖边坡1∶1，考虑的冻深，管顶覆土2m，管道两侧回填土压实度不小于0.9，管顶上回填土压实度不小于0.8。

埋管段管沟底宽6.1m，管顶覆土后两侧设混凝土护面的排水沟。管道左侧设1.5m宽砼踏步。

隧洞段管道内径4.1m，外包70cmC25钢筋砼。隧洞段固结灌浆孔深入围岩4.0m，间距取2.0m，排距取2.0m；隧洞段回填灌浆范围为洞顶180°，灌浆孔径50mm；竖井段及下平段采用内钢衬，钢衬采用Q345R。

4 结论

压力管道布置设计中要求尽量远离不良地质条件布置，但若不能完全避开，则需要采用工程措施来保证相应的安全，对于高水头压力管道位于断层附近，采取的主要措施：①为增加壁厚抵抗断层位移，②结合增加壁厚和设置3伸缩节来平衡断层位移量。本工程主要针对这2方案进行比较，最终选定了较为经济的方案作为推荐方案。但本工程还处于前期阶段，对应各个方案的研究还不尽深入，需要进一步研究。希望能对同行能提供一些比选思路。

［1］胡蕾，石长征，伍鹤皋，等.高水头电站地面压力管道结构选型［J］.水利水电科技进展，2015（02）.

［2］张葛良.露水河电站压力管道在断层处的处理［J］.吉林水利，1992（12）.

［3］石长征，伍鹤皋，李云，等.跨活断层倒虹吸明钢管对断层错动的适应性及抗震性研究［J］.水力发电学报，2012（02）.

［4］郭志兵.金河二级电站压力管道基础设计［J］.四川水力发电，2003（22）.

［5］朱秀星，仝兴华，薛世峰.跨越断层的埋地管道抗震设计［J］.油气储运，2009（28）.

［6］吉乔伟，刘伟荣，唐颖栋.基于改进型压力管道镇墩的理论分析［J］.水利规划与设计，2013（04）.

［7］唐星.电站出水压力管道经济管径计算［J］.水利技术监督，2014（01）.

TV732+4

B

1672-2469（2015）12-0109-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.038

石江琳（1984年—），女，工程师。