黄龙滩电站1号厂房压力管道安全性复核方法

辛利春，胡世喜，赵 喆

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

湖北黄龙滩水电站位于汉江最大支流堵河下游，距离十堰市约30 km。黄龙滩水库大坝坝型为混凝土重力坝，坝面长度371 m，最大坝高107 m，坝顶高程252 m。水库正常蓄水位247 m，死水位226 m。

电站共安装4台水轮发电机组，均采用单管单机布置，分先后两期建成。总装机容量510 MW。电站一期工程为大坝和1、2号水轮发电机组(1号厂房)建设，1974年5月、6月两台机相继投产发电。由于电站建成投产时间较长，从运行安全角度出发，须结合日常实测资料对引水道压力钢管强度进行复核，以决定电站今后运行对策及注意事项。

本文通过介绍黄龙滩1号厂房1号机组压力管道安全性复核方法，旨在为类似运行时间较长水电站的引水道复核工作提供借鉴。

1 压力钢管强度计算复核

1.1 压力管道布置及其相关参数[1]

本工程采取单元引水方式，经两条引水道分别向二台水轮发电机组供水。每条引水道由坝式进水口和埋藏式钢管道两部分组成，见图1。

由本工程水力过渡过程计算可知，本电站①号、②号引水道长度分别为242.013、225.428 m，两者相差仅6.9%，沿程内水压力控制值相近，①号机内水压力值相对较大。①号、②号引水道沿程管道参数变化较一致，钢管周边外水压力值相差不大，故本次复核选取①号引水道各管段作为代表管段进行计算，外水压力标准值选取同一范围监测统计数值中的较大者。

①号引水道自桩号0+024.8 m以后，压力管道均采用钢管衬砌，钢管直径6.5 m(与蜗壳连接段为5.2 m)，壁厚10～20 mm，钢管及加劲环采用16Mn低合金结构钢板制作(对应新规范Q345低合金结构钢)；接近厂房一段增厚至22 mm，采用15MnTi低合金结构钢板制作(对应新规范Q390低合金结构钢)。

整个引水道上平段上游侧钢管设置加劲环，下平段渐缩管下游侧为光面管，其余管段除了设置加劲环外，均设置有加劲锚筋，规格为24Φ20@1600及36Φ20@1800两种。

1.2 地质条件

引水道通过河床左岸高程200.0～220.0 m台地的下部。外包混凝土管段底部为基岩，大部分为微风化的富含大颗粒石榴子石白云母石英钠长片岩及富云母石英钠长片岩，岩石具有足够的承载能力；地下埋管段最大埋深约45～50 m，由地表至新鲜岩石的深度约25～30 m。隧洞进口、出口段通过弱风化岩石，节理裂隙较为发育；洞身段大部分通过新鲜至微风化带岩石，节理裂隙不甚发育。

1.3 复核依据

1.3.1 工程等级、建筑物级别及设计安全标准

1)工程等级。黄龙滩水电站水库库容12.28亿m3，拦河坝坝高107 m，总装机容量510 MW。根据GB50201-2014《防洪标准》及DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，确定本工程为一等工程，工程规模为大(1)型。

2)建筑物级别。根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，确定发电引水系统等主要建筑物为2级建筑物，结构安全级别为Ⅱ级。

3)压力管道安全标准。钢管抗外压稳定安全系数Kc取值：地下埋管光面管管壁≥2.0；地下埋管加劲环和其间管壁≥1.8；钢衬钢筋混凝土管加劲环和其间管壁≥1.8。

1.3.2 计算原则及内外水压力设计值的选取[2-3]

本工程区域地震烈度为Ⅵ度，且压力管道为地下工程，根据NBT 35047-2015 《水电工程水工建筑物抗震设计规范》，可不进行抗震计算。

计算假定钢管结构在弹性状态下工作，采用承载力极限状态相关公式进行计算，拟定持久、短暂、偶然三状况，分别进行取值复核。拟定的主要工况如下。

1)工况一(持久工况)。水库正常蓄水位247.00 m，最大水头85.18 m，对应尾水位160.88(计算确定)，2台机组额定出力正常运行时，突甩全负荷(2台→0台)，最高内水压力下钢管结构分析复核计算。

2)工况二(偶然工况)。校核洪水位253.90 m，下游校核尾水位177.81 m，2台机组超额定出力10%正常运行时，突甩全负荷(2台→0台)，最高内水压力下钢管结构分析复核计算。

3)工况三(短暂工况)。压力管道放空检修时，最大外水压力下钢管及加劲环抗外压分析复核计算。

进行钢管承受内压结构分析时，按沿程管段壁厚及内压分布情况选择4个典型断面进行计算，其中Ⅰ号压力管道自桩号引0+024.800 m至引0+083.330 m段及厂房上游侧管段可视为钢衬钢筋混凝土管段，且假定钢管单独承受内压，采用相关公式进行取值计算；引0+083.330 m下游管段按地下埋管相关公式进行取值计算。

内水压力设计值采用①号厂房引水系统及机组过渡过程计算中相应工况内水压力控制值。各工况沿程内水压力分布情况见表1及图2～图3，计算断面管道参数见表2。

图2 工况一管道内水压力沿程分布图

图3 工况二管道内水压力沿程分布图

表2 承受内压计算压力管道典型断面参数表

进行抗外压分析时，首先对沿引水道布置的水位监测孔统计资料进行定性分性，根据分析结果确定典型断面。

通过对各测孔地下水位过程线分析，钢管周围区域地下水稳定，规律性较强，基本表现为夏秋季水位较冬春季水位高的特点，与钢管内水压力变化不相关。考虑地形地貌及管线布置情况，经对比分析，最终选择下平段中部引3点作为复核代表监测点，取多年平均水头值经折减后的压力值作为代表径向均布外压标准值，取引3点附近的引0+190.000 m断面作为计算断面。另外，引水道前端外包混凝土管段及厂房上游墙内钢管段尚需进行抗外压复核，本次选取引0+036.628 m及引0+241.073 m两个断面，将前者视为钢衬钢筋混凝土管，后者视为光面地下埋管进行计算，以策安全。

计算时地下埋管(断面B)在工况三(放空工况)承担外水压力根据引3点监测数据并考虑折减系数确定，气压差按0.5个标准大气压计；断面A及断面C放空时按管壁(加劲环)承担1个标准大气压计。

压力管道沿程地下水位观测孔见图4；

图4 压力管道沿程地下水位观测孔布置图

引2、3、6、7点测孔水位过程线(2015年)见图5；

图5 引2、3、6、7——2015年水位过程线图

地下水位统计值见表3；

表3 地下水位特征值统计表 m

抗外压断面计算参数见表4；

表4 抗外压计算压力管道典型断面参数表

Ⅰ号压力管道强度复核计算各典型断面见图6。

图6 引水道典型断面布置图

1.3.3 计算内容及复核结论

本次复核共分钢衬钢筋混凝土管段承受内水压力应力分析，地下埋管段承受内水压力应力分析，设有加劲环地下埋管段抗外压复核，光面管地下埋管段抗外压复核，钢衬钢筋混凝土段抗外压复核几个部分，均按《水电站压力钢管设计规范》(NB/T35056-2015)相关公式进行计算。钢材强度设计值f=295 N/mm2，标准值fsk=330 N/mm2，钢管结构重要性系数γ0=1.0，外包混凝土段及地下埋管段结构系数γd分别取1.5和1.25，加劲环应力校核时γd取1.6，持久设计状况(工况一)系数ψ=1.0，偶然设计状况(工况二)系数ψ=0.8，短暂设计状况(工况三)系数ψ=0.9。

钢衬钢筋混凝土段假定钢管承担全部内压，采用锅炉公式计算并进行强度复核。地下埋管复核过程中，钢管与混凝土衬砌、混凝土衬砌与围岩之间存在的缝隙值δ2按照《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056-2015)中的式(B.1.1-1)计算，钢管冷缩缝隙结合水文资料进行取值计算，通过对电站水温情况进行分析比较，并从安全角度出发，令钢管起始温度与最低温度之差为20℃，则最高温度运行情况初始温度与最高温度之差则取为-(33.8-1.6-20)=-12.2℃。初始缝隙值取0.2 mm，埋管段典型断面缝隙值及最高水温情况下钢管冷缩缝隙值计算结果如下：δs2=-0.61 mm，δ2=1.35 mm。

地下埋管段缝隙判别条件计算结果见表5。

表5 地下埋管段缝隙判别条件计算表

各管段典型断面强度复核计算结果见表6。

通过本次①号压力管道强度安全复核可知，黄龙滩水电站1号厂房引水道压力管道承担内水压力全部满足要求。抗外压方面，地下埋管加劲环可满足要求，环间管壁在只考虑加劲环的情况下稍有欠缺(Kc=1.77)，同时考虑了锚筋作用后满足要求(Kc=3.52)；地下埋管光面管段及钢衬钢筋混凝土管段抗外压计算亦满足要求。

表6 压力管道计算成果表

2 结 语

水电站在经过40年的运行后，管道金属材料难免有不同程度的锈蚀及疲劳运行情况，复核时根据现场踏勘掌握情况，暂未考虑管壁厚度折减，运行单位在进行引水发电系统安全复核时，应把压力管道强度复核作为工作重点，结合日常运行中收集的观(监)测成果，全面系统地进行分析复核，同时应根据DL/T709-1999《压力钢管安全检测技术规程》相关要求，压力钢管运行满40年，必须进行折旧期满安全检测，以确定钢管是否可以继续服役及必须采取的加固措施。