南田一级水电站压力管道设计

孙 磊,马克俊

(广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635)



南田一级水电站压力管道设计

孙 磊,马克俊

(广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635)

压力管道设计是水电站工程设计的重点,其布置方式、管道材质和结构设计是否合理,对水电站安全运行和工程造价以及可靠性具有显著的影响。以南田一级水电站为实例,针对该水电站工程建设中压力管道布置和管道材质进行比选及管道设计分析,以期为相关设计提供参考。

水电站；回填管；设计；南田一级水电站

1 工程概况

南田一级水电站位于清远市清新区龙颈镇石马圩境内,是一宗以发电为主,还承担周边灌溉任务的跨流域引水式水电站。电站装机容量为2×400 kW=800 kW。引水流量为2.8 m3/s,设计水头为42 m,工程主要建筑物由拦河坝、明渠、渡槽、隧洞、压力前池、压力管道、发电厂房及升压站等组成。该电站于1972年底建成投产发电,已运行40多a,现机组设备老化,压力管道漏水等,直接影响发电效益,为此决定对电站进行技术改造。

现状压力管道管材是混凝土管,采用单管单机供水方式,管径为0.8 m。压力管道出压力前池布置于14°左右的缓坡地形上,然后水平穿过石马水厂,管道继续前行布置于19°左右的缓坡地形上,然后穿过公路和水电站厂房前空地到达机组,采用回填埋设布置方式。

2 压力管道布置及管材比选

2.1压力管道布置

由于受地形条件的制约,改造后压力管道仍按原管线位置布置,现状压力管道是采用回填布置方式,因此，改造后的压力管道仍采用回填布置方式敷设。根据该电站水头、流量、机组台数、以及地形条件,通过技术经济论证确定该电站采用一管两机的供水方式,主管管径1.4 m,支管管径0.7 m。主管分岔处采用贴边岔管形式卜型布置,通过岔管,主管一分为二连接机组。

地勘资料显示管道沿线基础持力层坐落在全风化石英砂岩上,土样天然状态呈灰褐、灰黄、黄褐色,可见原岩结构,岩质极软,手易折断,岩芯呈土柱状,夹有强-中风化岩碎石、角砾。推荐承载力特征值fak为250 kPa。压力钢管沿线地下水埋深在4.10～9.10 m,对施工影响不大。

2.2压力管道管材比选[1-2]

压力管道材质选择是否合理,对水电站工程造价和安全运行具有显著的影响。管材的选择应根据电站所在区域的的地形、地质条件、管道布置形式等因素,按照经济合理、安全适用的原则,并结合已建工程的施工、运行等经验,通过方案比较确定管材。

目前水电站工程常用管材有钢筋混凝土管、钢管、预应力钢筋混凝土管等。钢筋混凝土管常用在低水头电站中,管材和施工质量较难控制,后期维护费用大。钢管常用于中、高水头电站中,能承受较高的压力,但造价高,前期投入大。

随着生产工艺的发展,近些年也出现了一些新的管材,如：预应力钢筒混凝土管(PCCP管)、螺旋焊钢管、玻璃钢管等。这些新的管材被应用在水电站中,取得了较好的效果。所以,本工程选择钢管(螺旋焊)、预应力钢筒混凝土管(PCCP管)、钢筋混凝土管三种管材方案进行技术经济比较。(见表1)。

表1 压力管管材方案比选

方案一：钢管(螺旋焊)是一种常用的管材。其特点是适应性强、能承受较高内压、施工方便。但造价高,作为回填管要做好防腐措施。

方案二：预应力钢筒混凝土管(PCCP管)是一种新型管材与以往管材相比,PCCP管具有适用范围广,经济寿命长、抗震性能好、安装方便、运行维护费低等优点。但该管材自重大,基础处理、运输及吊装难度大,不适宜用在地形复杂的工程。

方案三：钢筋混凝土管是传统压力管材,钢筋混凝土管具有成本低的突出优点,但其施工难度大、管糙率大、承压能力较低、维修非常困难等缺点也限制了其适用范围。

通过比选,以上三种方案从技术经济上均合理可行,考虑本电站的实际情况,同时结合当地管材的生产状况,施工及运输难度等因素,最终业主选用方案一做为压力管道的管材。

3 压力钢管设计

回填管在水电站压力钢管中应用不多,在《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》(SL 281—2003)中还没有针对回填管的设计理论,本文根据已有文献资料,参考给排水规范中相关回填管(埋地钢管)的设计方法并结合《水电站压力钢管设计规范》(SL/T 281—2003)进行设计。荷载不考虑分项系数,管壁的应力应满足以下条件：管壁单独内水压力引起的环向应力不应大于明钢管膜应力允许应力(0.55φσs),荷载组合引起的环向应力和等效应力不应大于明钢管局部应力允许应力(0.67φσs),其中φ为焊缝系数。回填钢管的设计包含3大内容 ,即强度设计、 稳定性设计和变形校核[3-6]。

3.1管壁厚度确定

回填钢管设计中,一般需要初步拟定管壁厚度,然后进行强度和稳定性的分析。在定管壁厚度时,通常是按明管进行设计,即假定钢管单独承担内水压力,采用锅炉式计算管壁厚度,同时考虑制造、安装和运输要求的最小管壁厚度要求,拟定管壁厚度。

经计算本工程压力钢管,主管管壁厚度(t)12 mm,支管管壁厚度(t)10 mm。

3.2计算

1) 相关参数

根据管道布置方式,选取主管管道末端断面按回填管进行计算。相关计算参数见表2。

2) 计算结果

表2 相关计算参数

表3 计算结果

从表3的计算结果可知,管道的强度设计均满足要求；钢管设计稳定性抗力系数均大于2,满足稳定性设计要求；干管管道变形40.02 mm<0.03D0(42.36 mm),支管12.70 mm<0.03D0(21.3 mm),管道变形也满足要求。

4 结语

压力管道设计应结合电站实际情况,以安全适用、经济合理、技术先进为设计原则。通过水力计算、管材比选、结构计算等,确定压力管道设计方案。该方案已经通过水务部门审定,现正实施。

[1] 潘秀玲. 基普克水电站压力管道经济比选分析[J]. 水利科技与经济,2015(7):104-106．

[2] 贾永军. 新疆某输水工程管材的选用[J]. 西北水电,2012(4):50-52．

[3] 石长征,伍鹤皋,袁文娜. 柔性回填钢管的设计方法与实例分析[C]∥第八届全国水电站压力管道学术会议论文集， 2014．

[4] 给水排水工程结构设计手册编委会. 给水排水工程结构设计手册(第二版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2007．

[5] 中华人民共和国建设部. 给水排水工程管道结构设计规范:GB 50332—2002[S].2002．

[6] 中华人民共和国水利部.水电站压力钢管设计规范:SL281—2003[S].2003．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Design of Pressure Pipeline of Nantian Ⅰ Hydropower Station

SUN Lei, MA Kejun

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635,China)

The design of pressure pipeline is the key point of the hydropower station engineering design,and the layout mode, pipeline material and structure design is reasonable, and has a significant impact on the safe operation of the hydropower station and the cost and reliability of the project. Taking the example of the Nantian Ⅰ hydropower station, the design and analysis of the pressure piping layout and pipe material in the construction of the hydropower station are carried out, in order to provide reference for the relevant design.

hydropower station； backfilling type of penstock； design；Nantian Ⅰ hydropower station

2016-05-27;

2016-07-04

孙磊(1981),男,硕士,工程师,从事水利水电工程规划与设计工作。

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