德罗电站浅埋式引水压力钢管设计

李 坤，陈 锐，周亚峰，周少龙

（长江勘测规划设计有限责任公司，430010，武汉）

德罗电站浅埋式引水压力钢管设计

李 坤，陈 锐，周亚峰，周少龙

（长江勘测规划设计有限责任公司，430010，武汉）

受当地环境及地质条件制约，德罗电站引水压力钢管采用了浅埋式布置形式，较好解决了高寒、软基地区布置压力钢管保温、地基处理等难题。浅埋式布置，加快了施工进度，减少了弃渣，大大降低了工程造价，回填后与原山体地形基本保持一致。

拉洛；德罗电站；高水头；压力钢管；浅埋；设计

一、德罗电站工程概况

1.电站概况

德罗电站是拉洛水利枢纽及配套灌区工程的重要建设内容之一。电站装机2台，总装机40 MW，是配套灌区的渠首工程，发电尾水用于灌溉，设计引水流量19.40 m3/s，加大流量23.30 m3/s。

德罗电站主要建筑物有进水口、德罗引水隧洞、前池、泄槽、引水压力钢管、镇墩与地面厂房等。

2.环境及地质条件

工程地区太阳辐射强烈，气温日差较大，平均达 15.9°C，无霜期短，极端最高气温28.2°C，极端最低气温-23.9°C，最大冻土深度101 cm。

压力钢管沿线地表高程4 280～4 080 m，地形坡度5°。上部为第四系洪坡积碎石土、碎块石土，厚15.2～45.9 m，其中表层为碎石土，厚度一般2～5 m，下部为碎块石土，厚度12～40 m。下伏基岩为侏罗系上统日当组页岩，强风化厚度5～15 m，微风化厚5～10 m。

二、引水管路选择浅埋管设计缘由

水电工程中引水管路多采用明管、隧洞设计，但受限于拉洛水利枢纽当地环境因素，日照强烈，昼夜气温变幅较大，加上地表覆盖层较厚，如采用明管设计则需进行严格的保温措施和基础处理，在限制钢管相对变位、镇支墩不均匀沉降等方面需要大量的投资；如采用隧洞设计，因岩石条件较差、埋深大，加之空气稀薄且不便于出渣，可能会遭遇各种地质隐患，施工工期难以保证且施工难度较大，因而在引水线路敷设方式选择上采用了浅埋式回填管。

浅埋式回填管是将钢管埋设于冻土层以下，利用填土隔绝外部温差，不需要外包隔热垫层，同时钢管与回填土紧密接触，基础均匀受力，大幅度减小基础应力；开挖边坡高度小，只需要临时保护，可减小大量金属结构、混凝土及钢筋工程量，可加快施工进度，且回填后与原山体地形基本保持一致。

在苏联、日本、美国等国家的压力钢管规范中均有对回填管的设计理论，而我国现行的电力行业标准《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）和水利行业标准《水电站压力钢管设计规范》（SL 281—2003）中，暂无回填管的设计依据，但市政行业标准中已有回填管相关设计规定，目前国内外已有如老挝南梦3、斐济南德瑞瓦图、新疆雅玛渡等水电站采用浅埋式回填管的设计。

浅埋式回填管的主要理论是利用镇墩来限制钢管水平和竖向转弯的径向力，利用回填土石来约束钢管直线段的径向与纵向变形。德罗电站浅埋式压力钢管在设计中根据其工程特点，参考了相关规范，借鉴了上述工程的设计经验，扬长避短，进行了回填管方案的精细设计。

三、压力钢管布置

压力钢管起于压力前池进水口（两机一管），全程沿山脊布置，采用浅埋回填的敷设方式。为避免设置上游调压室，钢管直径3.3 m，最大设计内压水头365m（含水击水头）。根据钢管纵向及垂直向受力、变位情况，在转弯处设置镇墩，在镇墩前后设伸缩节。

根据山脊地形，压力钢管纵向坡度约9.7%～12.48%，在平面上依次经过1°、22°、7°、20°角转弯后接至主厂房上游，钢管进行对称Y形一级分岔，分别引向#1机组、#2机组，压力钢管后接地面厂房，钢管全长约2.1 km。见图1。

图1 德罗电站引水压力钢管布置图

四、浅埋式回填管设计

1.设计难点

德罗电站压力钢管全部埋设于碎块石土中，仅在转弯处设置镇墩，相邻两个镇墩间最大相隔530 m，超过一般明管敷设镇墩的 100～150 m范围。根据受力与运行情况，需要解决以下难点：①各工况下压力钢管整体安全并能长期稳定运行；②镇墩及回填土结构稳定；③回填土石内部排水及地表排水设计；④埋设深度设计。

图3 压力钢管有限元三维计算模型

表1 材料计算参数表

2.压力钢管结构及其稳定性

德罗电站额定水头238 m，机组突然关机时蜗壳进口处最大冲击水头365 m，引水压力钢管直径3.3 m，管道HD值最高达1 150 m2，属于高水头压力管道。按照敷设方式，钢管主要承受内水压力、外水压力、填土压力、温度应力及自重、水重，设计中主要采用了如下措施：①钢管设计上采用明管设计，各处钢管强度均能满足内水压力要求，钢管不会因内压失稳；②在钢管水平和竖向转弯处采用镇墩固定，承担该部位钢管各向不平衡力，确保稳定；③钢管四周采用碾压密实的回填土石 （压实系数96%）进行约束，限制钢管径向变形；同时钢管外部设置较为密集的加劲环，保证钢管能承受外部填土及水压力；④压力钢管底部采用柔性砂壤土基础以适应钢管变形，避免钢管局部约束过大导致钢管应力集中发生破坏；⑤管槽底部铺设10 cm混凝土垫层，保证底部承载基础不受雨水渗漏后冲刷影响，保持管槽基础稳定性；⑥根据冻土深度、温差及填土重量合理设计钢管的埋设深度，钢管不能过度受外界温度影响，也不能椭圆化；⑦镇墩上、下游均设伸缩节，以承担压力钢管施工期及运行期部分轴向变形及径向变形。⑧镇墩间钢管合拢温度选择在5～15℃，与管内流水温度相近，钢管按12℃温差进行设计，从而保证钢管承受温度应力安全；⑨施工单位在管槽回填、钢管定位施工时需报专项施工方案，并进行生产性试验，保证精细化施工。

德罗电站浅埋式回填管设计典型断面如图2。

3.镇墩及回填土结构稳定

引水压力钢管沿线一共有9个镇墩，每个镇墩均进行了整体稳定、应力计算，均满足规范要求。对于转角较大的#5镇墩，体积较大，尺寸为18 m×8 m×17 m（长×宽×高），其下部采用扩大基础设计，并进行固结灌浆，下游边坡采用平面有限元计算，各工况下最小安全系数为1.52，满足规范要求，保证#5镇墩基础的安全稳定性。

各镇墩基础竖向位移分别为18～21 mm。根据不同的覆盖层厚度，钢管回填后采用有限元进行计算，竖向位移如下：#1～#2镇墩管段沉降位移为15～19 mm，相对位移值为4 mm；#2～#3镇墩管段沉降位移为19～21 mm，相对位移值为3 mm；#3～#4镇墩管段沉降位移为15～20 mm，相对位移值为5 mm。各段相对位移值均较小，与镇墩相对位移为0～5 mm，均在伸缩节、钢管、砂壤土可调整范围内。

4.回填土石内部排水及地表排水设计

压力钢管埋设于山脊顶部，自然降雨时，水流主要流向两侧，回填区表面以下50 cm处铺设一层防水土工布，以阻隔地表雨水垂直下渗，管槽内部水主要来自于两侧边坡侧向渗水，因而回填区受雨水影响较小，不会在底部管槽中形成流水；此外，浅埋式回填管施工后，并未明显改变原地形地质条件及地下水环境，且回填土石、砂壤土碾压密实，各管段下部均设有镇墩等结构阻隔，管槽纵向坡度较缓、渗透比降较小，即使发生渗水，也不会发生沿钢管轴线方向的渗透破坏。管槽底部设有混凝土垫层，可防止渗水向山体内渗透，保证了砂壤土基础不被渗水淘松。

部分地表雨水顺坡而下，在管槽沿线每隔80 m以及各镇墩上下游10 m处均设有挡水坎及排水沟，将回填管区域表面来水排至两侧山坡，尽量减少地表水渗漏，从而保证钢管运行安全。

5.埋设深度设计

当地昼夜温差较大，最低气温-23.9°，最大冻土深度101 cm，压力钢管上部应保证一定覆盖厚度以避开冻土层，减少受外界温差的影响。但钢管埋置深度太大可能导致钢管变形，从而引起钢管振动，且引起开挖及回填量的增加。

本工程未进行地温观测，根据漫湾、小湾、糯扎渡等水电站的多处地温观测资料形成的经验，钢管埋深1.6 m以内，地温随气温变化较大；1.6 m埋深以下，地温随地表气温变化较小。综合上述因素，管顶最小埋深2 m，为防止车辆、设备碾压导致钢管变形，在回填土石碾压过程中，管内支撑不得撤走。

五、压力钢管整体有限元计算

为进一步复核德罗电站引水压力钢管设计的合理性，进一步验证压力钢管结构、变形均满足设计要求，本节选取了典型钢管段进行三维有限元计算。

1.计算条件

图4 水击工况钢管Mises应力（单位：MPa）

选取桩号Y0+010.50～Y0+328.87之间的#1～1-#1镇墩间浅埋式回填压力钢管建立三维有限元模型，采用通用有限元软件ABAQUS进行计算分析。采用接触单元模拟钢管与镇墩混凝土、外围回填土之间的滑移，钢管与混凝土间摩擦系数取0.6，钢管与回填土间摩擦系数取0.15。

边界条件：模型的上、下游端面和右侧及底部施加法向约束，模型左侧施加对称约束，模型顶面按力边界或自由边界考虑。计算模型如图3，材料计算参数如表1所示。

本节选取水击工况（最大设计内压）作为典型工况进行分析，主要考虑结构自重及内水压力，对钢管整体稳定性进行有限元计算，水击压力最大值为0.6 MPa。

2.计算结果

计算整理了钢管的Mises应力如图4所示。该工况下钢管的应力主要受内水压力控制，钢管环向应力整体呈现受拉应力状态，最大应力出现在斜直段下游末端，由于该管段内水压力数值较小，钢管Mises应力最大值为68.76MPa。

由于引水钢管和镇墩位于碎块石土之上，结构受自重作用影响在铅直方向上位移较大，引水钢管斜直段大部分区域铅直向位移在13 mm左右，镇墩位置铅直向沉降量最大值为20.93mm，整体结构合位移如图5所示。

图5 水击工况结构合位移（单位：m）

考察伸缩节室受力变形情况，整理#1镇墩与1-#1镇墩之间两个伸缩节室的铅直向位移和轴向位移，详见表2。可以看出：该管段范围内上游镇墩区域铅直向相对位移为2.484 mm，轴向相对位移为0.114 mm，下游镇墩区域铅直向相对位移为0.185 mm，轴向相对位移为0.104 mm，均在伸缩节可调节范围内，能够满足设计要求。

通过对#1～1-#1镇墩间管段的有限元计算分析，可以看出：在结构自重和水击压力作用下，压力钢管应力水平小于70 MPa，满足强度设计要求。伸缩节的设置有效吸收了镇墩和钢管的不均匀沉降变形，伸缩节最大铅直向相对位移小于2.5 mm，轴向最大相对位移小于1.4 mm，满足伸缩节设计允许位移值。

六、结 语

拉洛水利枢纽工程地处西藏高海拔地区，环境、地质条件复杂，在德罗电站浅埋式引水压力钢管设计中，充分考虑了气象、地质、施工、投资等多项因素，从方案、材料、结构安全、排水、回填等要求方面做了较为精细的设计，并进行了三维有限元计算，钢管强度及沉降位移差均满足设计要求，各结构均安全稳定，能保证压力钢管长期稳定运行。

Design of semi-embedded penstock for water diversion in Deluo Hydropower Station

Li Kun，Chen Rui，Zhou Yafeng，Zhou Shaolong

Restrained by local environment and geological conditions,semi-embedded penstock was adopted for water diversion in Deluo Hydropower Station,so as to keep temperature of penstock stable under cold weather and consolidate foundation in soft base area.The design not only accelerates construction speed and reduces abandon wastes but also lowers the construction cost.After backfilling,the landscape can be restored to its original topography.

Laluo;Deluo Hydropower Station;high head;penstock;semi-embedded;design

TV6+TV7

B

1000-1123（2016）20-0048-03

2016-10-18

李坤，工程师。