新疆HB电站埋藏式压力管道设计

2016-05-15陈艳

陕西水利 2016年3期

关键词：岔管洞段抗力

陈艳

（新疆水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000）

新疆HB电站埋藏式压力管道设计

陈艳

（新疆水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000）

H B电站工程任务为发电，电站装机容量200M W，属Ⅲ等中型工程。本文主要介绍了埋藏式压力管道及岔管的设计，通过布置排水洞减少外压，采用有限元计算对围岩抗力敏感性和钢管与围岩缝隙敏感性分析，总结出围岩对管道内水压力的分担作用是有限的，随着岩石抗力系数的变化而变化；同时钢管以外缝隙大小对管壁应力影响十分显著。

发电引水系统；埋藏式；压力钢管；排水洞；敏感性计算

1 工程概况

本工程属中型Ⅲ等工程，主要任务为发电。水库总库容0.171亿m3，电站装机容量200MW，保证出力13.2MW，多年平均年发电量6.04亿kW·h，工程总投资14.988亿元。

枢纽建筑物主要由大坝、溢洪洞、导流兼泄洪洞、发电引水系统及地下厂房、尾水洞等组成。主要建筑物为3级建筑物。

压力管道段长362.706m，渐变段、上平洞段、竖井段和下平洞段内径5.0m，采用钢板衬砌，外部回填C20混凝土，厚60cm。岔管及支管为埋藏式钢管，回填C20素混凝土。通过1#、2#和3#卜型内加强月牙肋岔管将主管分为四个支管。岔管采用Q390C钢材，支管内径2.2m，采用Q345C钢材。支管间距14.5m。

2 工程地形、地质条件

压力管道出露基岩岩性为泥盆系下泥统（D1ka）康布铁堡组上亚组，混合岩夹片麻岩、片岩，局部片理发育，多呈层状、流纹状结构。压力管道围岩质量总体较完整，局部有小的断层及花岗岩脉出露，对洞室的稳定影响不大，由于施工开挖中爆破扰动影响，洞壁表层一定范围内存在松动圈（洞壁表层0.6m～2.4m），该层岩体的各项指标稍差。压力管道岩体围岩类别以ⅢA类为主。

3 压力管道设计

压力管道段长362.706m，由渐变段、上平洞段、竖井段和下平洞段组成。

3.1 结构设计

调压井后接渐变段，内径由6.0m渐变至5.0m，末点中心点高程1022.263m，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度1.2m。

渐变段后主管段内径均为5.0m。上平洞段长5m，纵坡为i=0；竖井段断面中心点高程1022.263m～812.000m；下平洞段长51.482m，纵坡为i=0。断面中心点高程812.000m（水轮机安装高程）。上平洞段、竖井段和下平洞段采用钢板衬砌，在钢管和围岩之间回填C20混凝土，厚60cm。随着压力值的增加，钢管采用Q345C和Q390C，其中Q345C厚度为20mm～30mm，加劲环材质、壁厚同钢管，间距为1000mm～2000mm，高200mm；Q390C厚度为32mm～40mm，加劲环材质、壁厚同钢管，间距为1000mm～1180mm，高200mm。

岔管及支管为埋藏式钢管，回填C20素混凝土。通过1#、2#和3#卜型内加强月牙肋岔管将主管分为四个支管，岔管采用Q390C钢材，钢板厚度分别为38mm、32mm和28mm。支管内半径1.1m，采用Q345C钢材，钢板厚度为24mm～38mm，支管间距14.5m。

帷幕灌浆预留灌浆孔，在上平洞段布置，深入围岩10.0m，共2排，每排7孔，排距3m，梅花型布置。固结灌浆在上平段和下平洞段布置，预留灌浆孔，深入围岩3.0m，排距3m，每排7孔，梅花型布置。帷幕、固结灌浆分两部分，第一部分：高程1007.263m以上灌浆压力为0.6MPa；第二部分：纵剖面图中高程827.00m以下灌浆压力为1.0MPa。帷幕、固结灌浆孔采用自上而下分段灌浆法，分两段：第一段为接触段，接触段伸入基岩长度：1.5m(主管段、岔管段)、1.0m(支管段)，灌浆压力为0.3MPa；第二段达到设计灌浆深度和灌浆压力。岔管、支管段（桩号压0+100.982～桩号压0+172.302）固结灌浆采用无盖重灌浆，灌浆压力为1MPa。回填灌浆为0.3MPa，接触灌浆压力为0.2MPa。

为降低外水，在压力管道下平洞段左侧斜上方与压力管道平行布置了排水洞，排水洞与压力管道轴线水平间距20m，起点至末点与压力管道中线高差为34.325m～22.035m，排水洞的水排入厂房排水洞，排水洞断面尺寸为2.5m×3m，坡度i=10%，起点高程为846.325m，末点高程为834.135m。在排水洞沿线右侧（即靠近压力管道）边墙，底部向下倾斜30°和边墙中间向上倾斜30°布置截水孔，其中在桩号压0+049.500m～压0+065.251m之间排水洞顶部垂直排水洞布置三个截水孔，截水孔均为Φ=100mm，间距5m，长L=25m。

3.2 钢管主管段结构设计

洞内埋管采用钢管内衬，在钢管与围岩之间回填C20混凝土，主管段0.6m、岔管段为2.0m，支管段位0.6m。渐变段和压力钢管的连接处设置止水，并在压力钢管段前端设两道阻水环，阻水环的材料和厚度与加劲环相同，高度为200mm。

埋管的结构计算分别计算以下三种工况：

①运行期（荷载组合）：内水压力（含水击压力）+围岩弹性抗力，其中竖井段（桩号压0+034.500高程1007.263m以下至高程827.00m以上）不考虑围岩弹性抗力；

②检修期（荷载组合）：外水压力；③施工期（荷载组合）：灌浆压力。

围岩岩性：混合岩夹片麻岩、片岩，岩层产状：300°NE∠80°，局部片理发育，多呈层状、流纹状结构。压力管道岩体围岩类别以ⅢA类为主。

内水压力：水库正常蓄水位时管内的压力+水锤压力，钢管最大内水压力320m。

图3 .1埋藏式1#岔管应力云图

图3 .2埋藏式1#岔管肋板应力云图

图3 .3埋藏式2#岔管应力云图

图3 .4埋藏式2#岔管肋板应力云图

图3 .5埋藏式3#岔管中面应力云图

图3 .6埋藏式3#岔管肋板应力云图

外水压力线起点（上弯点）为正常蓄水位1071.0m，出口为正常尾水位两点的连线，考虑围岩情况，并且在下平洞段左侧布置一个排水洞。对下弯道及下平洞外水压力进行折减，折减系数采用0.75。

接触灌浆压力为0.2MPa，回填灌浆为0.3MPa。

经计算，施工期不作为控制工况，运行期和检修期作为控制工况。

上平洞段和下平洞段钢管和围岩联合受力、竖井段因不进行固结灌浆不考虑围岩的作用，钢管从上至下采用Q345C及Q390C的钢板，厚度20mm～40mm。加劲环间距1000～2000mm，高度200mm。

3.3 钢岔管结构计算

采用钢岔管，钢材采用Q390C，在钢岔管外回填C20素砼，厚度2m。

通过埋藏式钢岔管有限元计算分析，运行期设计内水压力（加水锤压力）320m。

3.3.1 岔管应力计算

通过1#、2#和3#卜型内加强月牙肋岔管将主管分为四个支管，岔管采用Q390C钢材，钢板厚度分别为38mm、32mm和28mm。计算结果分别见图3.1、图3.2、图3.3、图3.4、图3.5、图3.6。

按照埋藏式岔管的应力控制标准，1#、2#、3#岔管各个部位应力均符合Q390C钢材的应力控制标准，岔管的结构方案在埋藏式运行工况下均具备一定的安全裕度。

3.3.2 围岩抗力敏感性计算分析

在缝隙为1.1mm时，对单位弹性抗力分别为：0MPa/cm、10MPa/cm、20MPa/cm、30MPa/cm、40MPa/cm、50 MPa/cm、60MPa/cm、70MPa/cm、80MPa/cm、100MPa/cm、125MPa/cm、150MPa/cm、175MPa/cm、200MPa/cm进行了计算。计算结果几乎所有控制点内壁、外壁、中面的应力均随着K0（岩石单位抗力系数）的增加而降低，围岩对内水压力的分担作用十分明显，即便是很小的围岩抗力即起到很明显的分担作用，但在缝隙为1.1mm时，围岩分担率随着K0的增加逐步趋缓，最终达到40%，当K0=40MPa/cm时，围岩分担率已达30%，而当K0=200MPa/cm时，围岩分担率只达到40%。这说明围岩对内水压力的分担作用是有限的。

3.3.3 钢管与围岩缝隙敏感性计算分析

取K0=70MPa/cm时，缝隙值分别取0.0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、8.0mm、10.0mm，对1#岔管进行埋藏式工况的有限元计算。

计算结果表明，在本工程围岩条件较好的情况下，缝隙大小对岔管管壁应力影响十分显著，缝隙越小，围岩影响作用越大，当缝隙为1.5mm时，围岩的分担作用开始显著减弱，当缝隙超过2mm时，围岩分担率则不到15%，当缝隙超过4mm时，围岩基本起不到分担作用。

因此，埋藏式岔管控制回填混凝土和灌浆施工质量对于围岩发挥分担内水压力作用起着决定性作用，本工程要求钢管与围岩缝隙小于1.1mm。