对水电站压力明管浅埋地梁式支墩设计的探讨

熊 燕，马 夺，周 斌，黄志平

（1.广东省汕尾市水利水电规划设计院，广东汕尾516600；2.湖南省宁乡县水利水电勘测设计院，湖南宁乡410600；3.江西省上饶市水利电力勘测设计院，江西上饶334000）

对水电站压力明管浅埋地梁式支墩设计的探讨

熊 燕1，马 夺2，周 斌1，黄志平3

（1.广东省汕尾市水利水电规划设计院，广东汕尾516600；2.湖南省宁乡县水利水电勘测设计院，湖南宁乡410600；3.江西省上饶市水利电力勘测设计院，江西上饶334000）

随着我国水电能源的逐步开发，低流量、高水头的水电站日趋增多。高水头电站的压力明管穿越线路较长，高差变化较大，地质条件也相对复杂，独立式支墩在这种复杂地质条件地区应用时会产生一定的沉降问题，而压力明管对支墩的沉降十分敏感，会产生附加应力从而带来压力明管的安全风险。本文研究和分析了一种新型的浅埋地梁式支墩的基本特性，并对其设计计算的方法进行了一些探讨，可供相关工程技术人员参考。

压力明管；地梁式；支墩；倮马水电站

1 前言

水电是可再生、无污染的清洁能源，开发利用水电有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先开发水电大力利用水能资源。

随着我国水电能源的逐步开发，水电能源开发的重点逐步转向了云、贵、川等西南地区。我国西南地区海拔较高，地形起伏大，开发水能的电站往往具有低流量、高水头的特性，较多电站采用了压力明管沿山直下数百米以获得较高的压力水头的设计方案。由于钢管穿越线路较长，高差变化大，致使明管穿越线路的地质条件复杂多变，在这种地质条件下常规独立支墩容易产生沉降差，使钢管产生附加应力，恶化了钢管的运行条件。因此有工程师针对复杂地基条件提出了浅埋地梁式支墩［1］以保证工程安全运行。本文将剖析浅埋地梁式支墩的受力特性，并对浅埋地梁式支墩的设计计算进行一些初步的探讨。

2 独立式支墩的特点及缺陷

传统支墩通常为独立式，其上支承的支座通常可分为鞍形滑动支座、平面滑动支座、滚动支座和摇摆支座［2］。独立式支墩承担支座传来的管重和水重的法向分力、钢管与支座之间的摩擦力［3］，并将荷载传递给地基。为保证支墩能安全地传递荷载，独立式支墩设计时通常需进行抗滑稳定验算、抗倾覆稳定验算和地基承载力验算［3，4］。

由于独立式支墩基础面积小，在上部荷载的作用下基底应力有可能较大，致使支墩的沉降变形会偏大，加大了管轴线的竖向变位，易使钢管产生附加应力恶化钢管的运行条件。因此支墩的地基应坚实、稳定，宜设置在岩基上［2］。对地基要求高、对复杂地质条件适应性差，是独立式支墩的一个主要缺点。

3 浅埋地梁式支墩的受力特点和地基计算

浅埋地梁式支墩是在沿管线地表浅层开挖的基础上浇筑一条通长或分段连续的钢筋砼地梁，再在地梁上设支承钢管的支座形成的连续性的支墩结构。通过地梁的作用，使得基础的受力面积增加，基底应力急剧减小，对地基产生的附加应力也随之大幅降低，从而使沉降变形相应减少，达到能充分适应地质条件变化的作用。

浅埋地梁式支墩同样承担支座传来的管重和水重的法向分力、钢管与支座之间的摩擦力，并将荷载传递给地基。浅埋地梁式支墩设计时通常需进行地基承载力验算和沉降计算。

浅埋地梁式支墩的基底应力计算通常取一个连续段作为计算段，地梁梁身的竖向荷载为地梁自重产生的均布荷载，支座处为上部钢管传来的集中荷载。地梁梁底的地基反力可按直线分布法或弹性地基梁法［5］计算，计算所得的地基反力（基底应力）的平均值应小于修正后的地基承载力特征值fa、最大值应小于1.2fa。

浅埋地梁式支墩的沉降变形，可根据计算的基底应力减去自重应力得到的基底附加应力，地基内的应力分布采用各向同性均质线性变形体理论计算，再采用分层总和法计算地基变形量，最后用地基变形量乘以沉降计算经验系数得地基最终变形量［5］。

4 浅埋地梁式支墩的结构计算

浅埋地梁式支墩内力计算时可简化为支座为简支的受地基反力作用下的倒置多跨连续梁，计算简图如图1所示。

图1 地梁受方结构简图

浅埋地梁式支墩简化为倒置多跨连续梁计算，地梁的跨中一般为负弯矩（上部受拉），支座附近为正弯矩（下部受拉），应根据正截面受弯承载力计算抗弯极限承载力［6］配置主筋；支座附近是剪力最大的部位，应按斜截面受剪承载力计算斜截面抗剪极限承载力［6］配置箍筋和弯起钢筋；支座坐落在地梁上，应验算支座与地梁顶面接合处的局部受压承载力［6］。还应验算地梁的裂缝开展宽度［6］以满足正常使用极限状态的要求。

5 浅埋地梁式支墩在云南倮马水电站压力管道的运用情况

倮马水电站［1，7］位于云南省维西傈僳族自治县巴迪乡境内的倮马河中下游，为径流引水式水电站，总装机容量2×30MW，年发电量2.3×108kw ·h，额定水头为596m，最大静水头651m，发电引用流量为2×5.79m3/s。枢纽主要建筑物有大坝、发电引水隧洞、调压井、压力管道、发电厂房及升压站等。

压力管道位于隧洞出口山坡上，地形上缓下陡，管道全长1220m，山坡角为10～37°。管道沿线出露的岩性为第四系坡积碎（块）石土、二叠系上统下段a粉砂质绢云千枚状板岩、长石细砂岩，岩体裂隙和层间挤压破碎带发育，岩体较破碎，沿管线地表岩土层地质条件复杂，差异较大，主管管径2.0m，采用10～38mm厚Q345C钢管，钢管支座间距6.0m。对管道沿线最软弱的坡积土，取沉降计算经验系数ψs=0.8、变形计算深度范围内平均压缩模量Es=6Mpa，独立支墩和浅埋地梁式支墩方案在不同可压缩层深度条件下对地基变形的影响见表1。

表1 独立支墩和浅埋地梁式支墩方案对比（坡角37°）

采用浅埋地梁式支墩后，基底平均应力降低为独立支墩的34%，地基变形量降低为独立支墩的50%～70%，浅埋地梁式支墩对降低基底应力和地基沉降变形的作用较为明显。倮马水电站采用的浅埋地梁式支墩结构如图2、图3所示。

图2 倮马水电站压力明管纵剖图

图3 倮马水电站压力明管横剖图

倮马水电站于2007年开工建设，2010年11月建成并网发电。电站运行至今正常，未发现浅埋地梁式支墩有明显沉降变形，压力钢管运行正常。

6 结语

在地质条件复杂多变的地区，常规的压力管道独立式支墩由于基底应力较大容易产生沉降，加大了压力明管的附加应力，增加了压力明管的安全风险。浅埋地梁式支墩通过地梁的条形基础作用可使支墩的基底应力大幅减小、沉降量得到有效的控制，虽然地梁式支墩的投资与独立支墩相比有所增加，但大大降低了上承压力明管的安全风险。地梁式支墩的设计思路，可供类似工程参考。

［1］黄志平.地梁式支墩在倮马水电站压力管道中的应用［J］.小水电，2012（02）：11-13.

［2］郭潇，张军劳，张秀崧.万家寨水电站浅埋式引水压力钢管的设计［J］.水利水电工程设计，1998（02）.

［3］SL281-2003.水电站压力钢管设计规范［S］.

［4］马善定，汪如泽.水电站建筑物［M］.第2版.北京：中国水利水电出版社，1996.

［5］王仁坤，张春生.水工设计手册·第8卷·水电站建筑物［M］.第2版.北京，中国水利水电出版社，2014.

［6］GB50007-2011.建筑地基基础设计规范［S］.

［7］SL191-2008.水工混凝土结构设计规范［S］.

［8］王义邦.云南省维西傈僳族自治县倮马水电站可行性研究报告［R］.上饶市水利电力勘测设计院，2005.

TV732+4

B

1672-2469（2015）12-0000-00

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.039

熊 燕（1986年—），女，工程师。