KEWZK水电站压力管道设计方案综述

刘庆胜

(山西汾河灌溉管理有限公司，山西 晋中 030012)

0 引 言

水电站压力管道是工程的重要组成部分，对水电站功能的正常发挥有重大影响。水电站工程多修建于山区，地形、地质条件复杂，压力管道工程设计时需要充分考虑实际情况，选取合理的方案，降低施工难度，保障工程正常运行。以KEWZK电站为例，对其压力管道工程设计进行分析。

1 工程概况

水电站引水口位于DJEGL河莫合大桥附近，灌区内社会经济用水分布在电站引水口以下，为满足流域农业灌溉的用水需求，在确定KEWZK电站发电流量时应首先保证现状年及规划水平年农业灌溉的用水量[1]。为减轻对电站引水对河谷生态环境的影响，应按有关规定在减水河段预留一定的生态用水量。

2 压力管道布置比选

根据工程实际情况，初步确定管道形式为明钢管，并进行大小管(两管三机)、三管三机进行经济技术比较。由于钢管抗震性和抗疲劳性能较好，重量轻，在斜坡上利于运输，故管材选用钢材。

大小管方案:管道长度为405.5m，设两根钢管，管径分别为3.6m和3.0m，流量分别为35m3/s和23.01m3/s，流速分别为3.44m/s和3.26m/s，支墩每6m设一道，加劲环间距为2m，管道坡比为为1:2.6；根据压力分级，大管道按壁厚18mm、20mm、22mm和24mm分为四段，小管道按壁厚14mm、16mm、18mm和20mm分为四段,管材采用Q235D。投资3614.7万元

三管三机方案两大一小方案:管道长度为405.5m，管径分别为2.8m、2.8m和2.0m，流量分别为23.69m3/s、23.69m3/s、10.57m3/s，流速分别为3.85m/s、3.85m/s、3.37m/s，支墩间距6m，加劲环间距为2m，管道坡比为为1:2.6；根据压力分级，大管道按壁厚16mm、18mm、20mm、22mm分为四段，小管道按壁厚10mm、12mm、14mm和16mm分为四段,管材采用Q235D。投资3783.3万元

三管三机方案由于采用相同管径的钢管和相同机组，运行调度灵活，易于检修，确定三管三机方案为压力钢管的推荐布置方案[2]。

3 压力管道设计

3.1 总体方案

压力管坡地基土岩性以部分黄土、冲积卵砾石、泥岩为主，局部分布坡积物。卵砾石层顶面高程1168m左右，高程1168m以上为黄土，20m深度内具自重湿陷性，湿陷等级为Ⅳ级，为自重湿陷场地。卵砾石层承载力500kPa，坡积物承载力200kPa，泥岩承载力300kPa。建议压力管道基础置于砂卵砾石层及泥岩上。卵砾石开挖边坡1∶1.25，泥岩开挖边坡1∶0.75。

据工程规划，压力水管静水头为133.85m，设计引用流量Q=58.01m3/s。管道长度为405.5m，3根管道直径分别为2.8m、2.8m、2.0m(3根管道)，流量分别为23.71m3/s、23.71m3/s、10.59m3/s，流速分别为3.85m/s、3.85m/s、3.37m/s，支墩间距6m，加劲环间距为2m，管道坡度为1∶2.6；根据压力分级，大管道按壁厚16mm、18mm、20mm、22mm分为4段，小管道按壁厚10mm、12mm、14mm和16mm分为4段。

管道垂直陡坎布置，以缩短管道长度和降低造价，管道坡比取1∶2.6。

压力水管采用明钢管形式，共3根，直径分别为2.8m、2.8m、2.0m，管长405.5m，流速分别为3.85m/s和3.37m/s，设计水头133.85m，最大水锤压力1.72MPa，钢管管线结合地形地质进行布置，0+000-0+091.311段地基为黄土，具强湿陷性，承载力较低(地基承载力120Kpa)，对该段基础采用桩基加固，并设置排水设施。管道0+091.311-0+200段地基为砂砾石；管道0+200-0+251.16段地基为上层为坡积物，下层为砂砾石，为了满足管坡稳定，进行砂砾石换填，将该段管道基础布置在砂砾石层上；管道0+251.16-0+337.41段管道地基为泥岩。管道全线采用一个纵坡，坡度为1∶2.6。大钢管按不同壁厚分为四段:分别为16mm、18mm、20mm、22mm。小管道按壁厚10mm、12mm、14mm和16mm分为四段。钢管每2m设一加劲环，断面为高20cm的扁钢。钢管管材采用Q235D,加劲环采用Q235D。管沟底宽17.82-31.81m，下设10cm混凝土护面，两侧设混凝土护面的排水沟。管道左侧设1.5m宽混凝土踏步，高于管底护面2.0m。镇、支墩采用C20埋石混凝土[3]。

3.2 水力计算

3.2.1 压力管直径和壁厚

1)经济管径计算：

(1)

式中:k为系数，取5.2；Qmax为压力钢管最大引用流量；H设计水头，171m。

计算得:管径分别为D=2.55m和D=1.86m。

取D=2.8m和D=2.0m，流速分别为V=3.85m/s和V=3.37m/s。满足压力钢管的经济流速为3-5m/s的要求。

2)壁厚：

压力钢管最小管壁:

(2)

结构要求在计算得最小管壁厚度上增加2mm的锈蚀裕度。

根据锅炉公式计算管壁厚度:

(3)

式中:δ为钢管管壁厚度，mm；D为钢管内径，m；φ为焊缝系数，取0.9。[σ]为降低的管壁容许应力(Pa)，取138.37MPa。

计算结果见表1。

表1 压力管壁厚计算表

3.2.2 水头损失

压力管道的水头损失包括沿程损失和局部水头损失。

1)沿程水头损失：

(4)

式中:α为沿程损失系数，取0.000826；m为考虑钢管使用年限的系数，取1.2；D为压力钢管直径，m；L为压力钢管长度，取405.5m。

2)局部损失：

(5)

通过计算大管的水头损失为3.3m，大管水头损失为3.47m，总水头损失以小管水头损失取大管水头损失，则Δh沿=1.68m，Δh局=1.89m，总水头损失Δh损=Δh沿+Δh局=3.47m。

3)水锤计算：

a)水锤压力形式判断：

导叶关闭时间:5s。

水锤波传播速度:

(6)

式中:ε水的弹性模量，约2.1×109Pa；E钢的弹性模量，约2.1×1011Pa；D钢管内径，2.8m、2.0m。

水锤压力形式判断:Ts1=2L/a=0.9<5s、Ts1=2L/a=0.88<5s。

调节时间Ts≥2L/a，因此发生间接水锤。

b)最大水锤压力：

计算系数ρ、σ

(7)

(8)

计算水锤分别按两种工况如下:

阀门关闭:

(9)

(10)

取以上两式计算较大值，ΔH=H净×ζ1=-51。

阀门开启:

(11)

(12)

计算后取绝对值大者，ΔH=H净×ζm=36。

式中:τ0为起始开度。

计算后取大者，

所以，Hmax=137.36+36-3.47=171.7m。

3.3 结构及稳定计算

3.3.1 钢管的抗外压计算

管壁、加劲环、支撑环及支座的滚轮和支撑板采用Q235D级钢，屈服强度235MPa。根据压力钢管的重要性，压力钢管在基本荷载情况下：容许应力[σ]=0.55σ=112N/mm2；特殊情况下：[σ]=0.675σ=138.37N/mm2。压力钢管抗外压计算可以看出大、小管均需要设加劲环。加劲环间距为2m，断面采用扁钢，壁厚16mm，高度150mm。

3.3.2 镇、支墩稳定计算

1)镇墩稳定：

按镇墩最小受力情况分析:

Kc=f(∑Y+∑G)/∑X=3.87>1.

(13)

式中：Kc为抗滑安全系数。摩擦系数，f取0.45。Gb镇墩自重。

偏心矩e:

(14)

地基应力:

(15)

表2 压力水管镇墩稳定成果表

结果表明:各镇墩处的抗滑安全系数均大于规范值1.5，地基应力均小允许承载力，满足要求，不需对地基进行处理。

2)支墩：

间距根据规范规定的结构要求(6-12m)取8m。根据钢管直径，采用滚动式支座。

支墩承受水管法向作用力和摩擦力a8，允许水、管自重轴向分力，计算方法同镇墩。

抗滑稳定系数:

Kc=f(∑Y+∑G)/∑X=3.87>1.5

(16)

地基应力:

(17)

支墩1所处地基为黄土，黄土地基通过桩基处理后承载力计算所得；支墩2所处地基为砂砾石，由地质可知，承载力为500kPa；支墩3所处地基为泥岩地质可知，承载力为300kPa。基础表层换填40cm砂砾石垫层，垫层下设横向排水，横向排水与纵向排水连通。0+000-0+078段黄土换填为砂砾石垫层。

支墩稳定计算结果见表3。

表3 压力水管支墩稳定成果表

结果表明:其中支墩1地基应力大于允许值，故该处地基需要进行处理，其余各支墩处的抗滑安全系数均大于规范值1.5，地基应力均小允许承载力，满足要求。

4 结 论

水电站地形起伏大，地质条件较为复杂，为了保证压力管道工程设计的安全、经济、合理性，通过方案比选，确定采用三管三机方案，可降低施工难度，易于维护。经过安全复核，采用该方案压力管道安全性可满足要求，局部地基需进行加固处理，可为类似工程设计提供参考。