某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨

冯 华

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨

冯 华

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

某抽水蓄能电站高压管道具有内水压力和外水压力均较高的特点，文章针对该电站招标阶段高压管道设计情况进行了详细地分析和总结，并针对设计中遇到的问题结合已建抽水蓄能电站的设计经验进行了深入剖析，提出解决方法。结合该抽水蓄能电站高压管道的设计，提出若干建议以供类似工程借鉴。关键词：抽水蓄能电站；高压管道；排水廊道；外水压力；折减；地勘洞

1 高压管道布置概况

某抽水蓄能电站高压管道采用1洞2机的布置方式，由高压主管、岔管和高压支管组成，除上平段采用钢筋混凝土衬砌外，其余洞段均设置压力钢管。每条高压主管立面上采用双斜井布置，设有上平段、上斜井段、中平段、下斜井段和下平段。下平段后接高压岔管，岔管采用对称“Y”形内加强月牙肋钢岔管，岔管后为高压支管，高压支管斜向进入厂房，与厂房轴线夹角为70°。

该抽蓄高压管道段地下水位较高，天然地下水水头约为25～315 m。地下水主要以围岩裂隙渗水为主，该工程高压管道设置2套排水系统，即钢管贴壁直接排水系统和高压管道排水廊道的间接排水系统。贴壁排水系统是在钢管壁上沿洞轴线方向布置排水角钢和环向槽钢，并通过槽钢下的排水钢管将外水引至高压管道排水廊道，最终汇入地下厂房集水井。间接排水系统是在立面上布置3层水平排水廊道，将高压主管“切割”为4段，分别将高压管道周围的围岩渗水收集到排水廊道中，从而降低外水压力。

2 高压管道布置问题探讨

2.1 排水廊道布置难点分析

受地形地质条件、施工场地和对内对外交通布置的限制，该抽蓄电站地下厂房采用尾部式布置，高压管道及地下厂房均离下水库较近；建筑物所处围岩以硬质花岗岩为主，洞周围岩石在爆破开挖后易产生裂隙，形成地下水渗流通道。因此，运行期地下水位保持高位运行的可能性较大。这将使如何解决好高压管道排水问题成为该工程高压管道布置的重点和难点。

(1) 上层排水廊道

抽水蓄能电站一般会在高压管道中平段设置高压管道的第1层排水廊道(上层排水廊道)，廊道中渗水通过中平施工支洞排出洞外。该电站因为地形条件限制，中平施工支洞为顺坡，即“内低外高”，无法将洞内渗水排出，因此在上层排水廊道的末端设置一直径1.4 m的排水竖井，将渗水引至高压管道第2层排水廊道(中层排水廊道)。排水竖井的高度近150 m，对施工期定位以及运行期的竖井底部防护都提出了较高要求。此外，由于竖井检修难度较高，顶部须布置间距较密的钢格栅，防止杂物及岩块进入竖井。

(2) 中层排水廊道

该电站利用地下厂房地勘洞做为第2层排水廊道(中层排水廊道)，但受前期布置调整的影响，地下厂房地勘洞洞口低于下水库正常蓄水位，施工后期将对地勘洞进行封堵，因此无法将围岩渗水利用地勘洞排出洞外。由于中层排水廊道距离第3层排水廊道(下层排水廊道)的垂直高度只有50 m，故采用排水孔将上层排水廊道渗水引至下层排水廊道。

(3) 下层排水廊道

高压管道下层排水廊道与地下厂房上层排水洞高程相近，通过一定坡度的水平排水洞将2部分排水系统连接。

整个高压管道的排水系统渗水最终通过地下厂房的排水系统汇入地下厂房集水井，由此给地下厂房的排水造成一定压力。该电站在自流排水洞的过流能力设计中，通过详细的输水发电系统围岩渗流计算，并充分考虑下水库蓄水后对整个渗流场的影响作用，保证所有渗水在机组检修等不利工况下顺利排出洞外。

2.2 高压管道检修通道布置分析

由于高压管道管线长、高差大，该电站在高压管道中平段利用中平施工支洞设置检修通道，检修通道与1号和2号高压管道在平面上呈“干”字形布置。如按照常规布置，检修2号高压管道只需放空2号高压管道即可，但检修1号高压管道时，2号高压管道必须同时放空，且2号高压管道需设置2个检修进人门，对管道压力钢管稳定十分不利。为解决问题，该电站将2号高压管道与检修通道相接部分的压力钢管设计成明管，明管和围岩之间留1.2 m的检修通道，需要检修1号高压管道时，检修人员只需利用2号高压管道的检修通道，翻过2号压力钢管，即可进入1号高压管道的检修通道，从而避免了同时停机、放空高压管道的低效率检修方式。

此种布置的优势在于高压管道检修的灵活性，但对压力钢管的设计提出了较高的要求。首先，该电站高压管道的最大内水压力达到了8 MPa[1]，中平段的内压基本达到了4.8 MPa，压力钢管按照明管设计，需要使用800 MPa级钢板；其次，由于2号高压管道留了检修通道，管道轴线方向两侧岩体受到临空面以及爆破松动的影响，压力钢管不能再按照钢管和围岩共同受力来设计，同时考虑到压力钢管管节壁厚过渡的构造要求，受影响的压力钢管长度接近60 m，增加了工程造价；最后，压力钢管明管相比埋管而言，在安全性上有一定的差别，所以对钢管的焊接施工以及外包混凝土裂缝控制设计方面提出了较高的要求。

3 压力钢管设计问题探讨

3.1 内水压力分级计算

抽水蓄能电站水头一般都比较高，在压力钢管结构计算时，必须进行分级计算，分级原则控制在每级100 m左右，既要做到满足压力钢管管材种类不易过多、管壁厚度不易频繁变化等要求，更重要的是保证压力钢管结构安全。该电站两级斜井的高差基本都在250 m左右，结构设计按照每级斜井的中部为计算分界线，中部以上按照分界线内水压力计算，分界线以下按照斜井与平段相接部分的内压控制；中平段按照中平末端内水压力计算；下平段按照最大内水压力计算。这样，内水压力大致可以分为6个等级。

3.2 外水压力折减原则

该电站地下水位较高，高压管道3层排水廊道将高压管道“分成”4级。上层排水廊道以上部分外水压力按照常规电站计算原则取用即可，主要考虑围岩完整性及裂隙发育程度，完整性越高、裂隙越不发育，则折减系数越小。

上层排水廊道至中层排水廊道之间的高压管道外水压力计算取值可分2部分，上层排水廊道以上部分外水压力从设置排水廊道目的的角度出发应该不用再考虑，但从安全运行以及排水孔失效等因素出发，可按照工程重要程度以及围岩裂隙发育程度等情况综合确定一个“安全性”折减系数，该电站根据电站自身情况，取用0.3。排水廊道以下部位的高压管道，虽然两侧有自排水廊道底板向下的排水孔围绕，但由于是倒“U”形布置，且考虑到围岩渗水收集不如排水廊道顶部向上的排水孔自流收集渗水效果好，故自排水廊道向下至高压管道计算位置的外水压力不考虑折减。

中层排水廊道和下层排水廊道之间的高压管道，以及下层排水廊道以下的高压管道，均按照相同的原则，即计算点以上最近一层排水廊道以上外水压力按照一定“安全性”折减系数折减，排水廊道至计算点之间的外水压力按照排水廊道和计算点间的实际高度差计算，两部分外水压力相加即为最终高压管道的外水压力。

3.3 排水措施失效验算

虽然该电站为保证高压管道运行期不受外水压力的影响，不但设置了3层排水廊道，还沿压力钢管外壁设置了排水角钢及排水钢管，可以说从工程设计的角度出发，能够保证高压管道的安全运行；但是，从抽水蓄能电站高压管道的重要程度、造价占比高、检修难度高等方面考虑，中国抽水蓄能电站高压管道外水压力设计目前形成了一个较为统一的原则[2-4]——“抗外压稳定安全系数大于1”原则，即假定地下水位线抬升至地表，所有排水措施失效，高压管道压力钢管的抗外压稳定安全系数大于等于1。由于抽水蓄能电站内水压力较高，管壁厚度和选用钢材的抗力限值也会随发电工况下水流方向变厚、变大，与之对应的是外水压力也逐渐变大，但加劲环之间的管壁抗外压安全系数却远远大于1，故“抗外压稳定安全系数大于1”原则其实主要是针对加劲环的。由于加劲环过密会影响回填混凝土浇筑密实度，而加劲环的高度过高会影响焊接施工的操作空间，因此加劲环的设计就成为决定是否满足“抗外压稳定安全系数大于1”原则的关键。

3.4 围岩弹性抗力系数选取方法

压力钢管地下埋管计算时，根据《水电站压力钢管设计规范》[5]的相关计算公式，需要选取围岩弹性抗力系数作为计算参数，但在施工图设计阶段以前，地质专业只能根据围岩类别提供一个范围，由于围岩弹性抗力系数对钢管计算结果影响较大，如何在这个范围内选取参数，则显得尤为重要。判断围岩覆盖厚度和钢管内承压时，均会用到弹性抗力系数，但两者的取法却是恰恰相反，判断围岩覆盖厚度时要取弹性抗力系数最大可能值，判断钢管内承压时，要取弹性抗力系数较小值。围岩抗力系数最大可能值可选用提供范围的上限值，抗力系数越大，作为判断地下埋管的围岩覆盖层厚度要求越高，对于钢管的计算结果是偏安全的。

围岩抗力系数较小值的选用直接影响压力钢管承担内水压力的比例，而地质专业给出的围岩类别一般也是介于2个类别之间(例如Ⅱ～Ⅲ围岩类)，而弹性抗力系数针对围岩类别也是一个范围，这就对抗力系数的选取造成一定难度。为简化选取方法，对于Ⅱ～Ⅲ类围岩，该电站取Ⅱ类围岩最大值、Ⅲ类围岩最小值之和的0.4倍，稍低于中间值；对于以Ⅲ类围岩为主，少量Ⅱ类围岩时，取Ⅲ类围岩的最大、最小值之和的0.4倍，稍低于Ⅲ类围岩中间值，不考虑Ⅱ类围岩影响；对于此Ⅱ类围岩为主，局部为Ⅲ类围岩时，取Ⅲ类围岩的最大、最小值之和的0.55倍，稍高于Ⅲ类围岩的中间值，此种工况由于Ⅲ类围岩占比不详，故可按照Ⅲ类围岩的中间偏高值取用。

3.5 压力钢管管材选取方法

由于抽水蓄能电站水头高，则压力钢管钢材种类一般会涉及到500、600和800 MPa级钢材[6-7]。压力钢管管材选取应遵循以下3个原则。

(1) 在保证压力钢管管壁厚度满足设计要求的同时，尽可能减少不同管壁厚度的种类。

(2) 在压力钢管设计中，可选用结构钢，也可以选用压力容器钢，但对受力状况比较复杂、岩体承载能力较差的情况，建议采用压力容器钢。

(3) 为降低钢管焊接难度，保证焊接质量，同时尽量避免低合金钢焊后消应处理工艺，在钢管管材选取上宜遵循以下原则：500 MPa级低合金钢钢板厚度不宜超过38 mm，如超过则需跳档至600 MPa级高强度调制钢；600 MPa级高强度调制钢钢板厚度不宜超过48 mm，如超过则需向上跳档一级，以此类推，但各高强度调制钢钢板[8]厚度不宜超过50 mm。

该电站在压力钢管管材选择上结合电站自身特点，并遵循上述3个选择原则，选用钢材如下：500 MPa级钢板厚度在26～34 mm；600 MPa级钢板厚度在38～50 mm；800 MPa级钢板厚度在54～60 mm。

3.6 加劲环布置及选材方法

加劲环的布置可有效增加主管的抗外压能力，加劲环的布置原则是尽量使加劲环的高度降低、间距避免过密。抽水蓄能电站一般内水压力和外水压力都较大，尤其是尾部式地下厂房，外水压力问题尤其突出。抽水蓄能电站压力钢管(地下埋管情况)的结构计算按照压力控制可分为2种情况：外压控制和内压控制。当为外压控制时，可通过调整主管管壁厚度、加劲环间距、高度、壁厚等参数，找出合理的参数，既能满足结构要求，又能节省钢材用量[9]；内压控制时，由于抽水蓄能电站内水压力大，由内水压力计算所得的管壁较厚，管壁本身的抗外压能力较强，因此抗外压计算一般就集中在加劲环自身的抗外压稳定上。按照加劲环临界外压的计算公式[1]可知，管材的屈服强度与加劲环的3个参数(间距、高度、壁厚)共同影响计算结果[10-12]，管材屈服强度只是4个指标中的一个，故加劲环的选材上就有了一个原则，即选择与主管最低级别相同的管材，如加劲环的参数无法满足要求时，可选择高一级别的管材，以此类推。该电站绝大部分管段的加劲环都选用的是500 MPa级低合金钢钢板，只有外压较大的一部分管段选用了600 MPa级钢板。

3.7 地下厂房地勘洞布置

地下厂房地勘洞作为探明地下洞群围岩状况的重要建筑物，在完成前期勘探的重要使命后，运行期应继续发挥其重要作用，真正做到“永临结合”。因为地勘洞的位置特殊，距离地下厂房和高压管道的距离都较为适中，可以将其用作两建筑物的重要辅助洞室。该电站虽然无法利用其作为中层排水洞的排水通道，但可将它用做中层排水洞的施工支洞，同时担负起排风排烟洞运行期检修通道的重要职责。因此，在前期枢纽布置中，地勘洞应按照等同永久建筑物的地位参与到枢纽格局布置比选中。

3.8 高压管道中层施工支洞布置

抽水蓄能电站水头较高，装机100万kW左右的电站高压管道的立面高差基本在400～500 m左右，而目前无论竖井还是斜井的施工工艺，250 m左右的高度是比较成熟的，因此设置高压管道中平段及中平段施工支洞就成为常规布置。如前所述，如高压管道中层施工支洞布置成“内高外低”，则结合上层排水廊道布置，可将围岩渗水直接排出洞外，从而减轻其他排水廊道或地下厂房排水压力。这就要求在枢纽布置方案比选时，深入研究施工支洞的布置方案，选出最优方案。

3.9 地下厂房位置选取

常规水电站地下厂房位置选取的2个重要指标是围岩地应力方向及围岩构造面的走向，但对于抽水蓄能电站，则应同时考虑因下水库蓄水后库区地下水位抬高的因素，因此，尾部式地下厂房的布置型式给高压管道的布置带来了诸多“麻烦”，不但要充分考虑外水压力对压力钢管稳定的影响，同时还得兼顾各种辅助建筑物为降低压力管道外压而进行的各种布置优化。因此，在条件等同甚至差距不是很大的前提下，地下厂房布置型式应尽量选用首部式或中部式布置型式。

4 结 语

鉴于高压管道在抽水蓄能电站枢纽建筑物中的重要地位，尤其针对重要抽水蓄能电站、采用尾部式地下厂房的抽水蓄能电站，笔者认为电站高压管道应参照地下厂房永久洞室排水设计方法进行设计，即高压管道系统布置排水孔并采用分部和集中引排水的措施将围岩渗水收集、排出，以提高压力钢管管壁抗外压安全系数。

[1] 刘君,张继成,刘立峰.抽水蓄能电站调节保证设计的控制参数取值分析[J].西北水电,2015(06)：64-68.

[2] 张春生,姜忠见.抽水蓄能电站设计[M].北京：中国电力出版社,2012.

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Study on Design of High-pressure Pipeline for Pumped Storage Power Plant

FENG Hua

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The high-pressure pipeline of one pumped storage power plant features both high external and internal hydraulic pressure. In the paper, design of the high-pressure pipeline of the power plant at tendering stage is analyzed and summarized in detail. Issues encountered in the design are deeply analyzed based on the design experience on the built pumped storage power plant. Solution is proposed. In combination of the design of the high-pressure pipeline of the power plant, suggestions are provided for reference by the similar projects. Key words: pumped storage power plant; high-pressure pipeline; drainage gallery; external hydraulic pressure; deduction; exploration adit

1006—2610(2016)06—0036—04

2016-09-29

冯华(1982- )，男，陕西省延安市人，工程师，从事水工结构工作.

TV743；TV732.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.009