水电站压力管道管材比选及结构设计范文

本站小编为你精心准备了水电站压力管道管材比选及结构设计参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

［摘要］恰木萨水电站主要任务是水力发电，采用引水式开发，电站属于大流量低水头电站，发电引用流量358m3/s。压力管道长455m，因管道规模较大，对工程的运行安全及投资影响较大，通过对压力管道管材比选，选择较优的管材形式。

［关键词］压力管道；管材比选；结构设计；恰木萨水电站

1工程概况

恰木萨水电站是叶尔羌河下游河道规划梯级开发中的第2级电站，为径流式电站，采用引水式开发，开发任务是水力发电。工程主要由拦河引水枢纽（土石坝、泄洪建筑物、引水闸）、输水建筑物（输水渠道）、压力前池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。水库正常引水位1550.0m，校核洪水位1551.30m，相应库容577万m3，最大坝高14.5m；主电站发电流量358.0m3/s，前池正常水位1547.334m，发电引水系统为引水明渠，全长11.48km，主电站装机容量200MW；生态电站发电流量41.2m3/s，生态电站装机容量3MW。多年平均发电量6.20（5.96+0.24）亿kW•h，装机利用小时数3054h。电站建成后向南疆四地州电网供电，在电力系统基荷运行。根据《防洪标准》及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，电站装机容量位于300―50MW之间，由电站装机容量确定恰木萨水电站工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。主要建筑物为3级建筑物（拦河引水枢纽、引水闸、输水渠道、前池、压力管道、厂房及渠道排洪建筑物），次要建筑物为4级建筑物（生态电站、泄水陡坡、尾水渠等），临时建筑物为5级建筑物。本工程的特点是大流量低水头电站，引水渠道引水流量365m3/s（其中发电引用流量358m3/s），水轮机额定水头为63.5m，发电引水系统规模较大。

2工程地质

2.1基本地质条件

发电引水渠道、压力前池、压力管道及厂房均位于叶尓羌河左岸冲洪积平原区，引水线路沿线地形起伏不大，发育有大小冲沟上百条，切割深度一般5―15m，个别深达25m。引水发电建筑物区均为大厚度第四系地层，主要为下更新统西域组砾岩（Q1x）及冲洪积物。（1）第四系下更新统西域组（Q1x）岩性为西域砾岩，局部夹薄层砂岩及砂质泥岩透镜体，层理不明显，以泥钙质胶结为主，属软岩。（2）第四系堆积物（Q）①第四系中更新统冲积物（Q2al）：岩性为冲积砂卵砾石，具弱-微胶结，胶结不均一，局部缺细粒充填，呈架空结构。②第四系上更新统～全新统冲、洪积物（Q3al+pl）：岩性以砂砾石为主，局部夹薄层低液限粉土及透镜体，结构密实。③第四系全新统-上更新统洪积物（Q3-4pl）：岩性以含砾（砂）低液限粉土为主，局部夹含土砂砾石及透镜体，结构中密。④第四系全新统冲积物（Q4al）：分布于现代河床、河漫滩及Ⅰ级阶地，岩性为含漂石砂卵砾石层，夹砂层透镜体。⑤第四系全新统冲洪积物（Q4pl）：主要分布于冲沟底，岩性为含土砂砾石，局部夹厚度约0.5―1.0m含砾（砂）低液限粉土透镜体。（3）地质构造发电引水系统沿线及厂房出露区为大厚度的第四系地层，工程区无区域性断裂构造分布。

2.2压力管道地质条件

压力管道段地形平坦，地面高程1530―1532m，均为大厚度第四系地层，自上至下可分为三层，上部为含砾（砂）低液限粉土层、中部为含土砂砾石层、下部为砂砾石层。地下位低于设计底板高程。桩号0+350m以前段大部分处于含砾（砂）低液限粉土层内，局部为含土砂砾石层。低液限粉土存在湿陷性、高含盐、腐蚀性等问题，建议采取相应处理措施。桩号0+350m以后段处于砂砾石胶结层或砾岩层内。

2.3地震烈度

根据GB18306-2015《中国地震动峰值加速度区划图》(1/400万)，恰木萨水电站工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.2g，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

3压力管道布置

主电站为四台等大机组，压力管道采用正面进水单机单管布置形式，压力管道前设有拦污栅、事故检修闸门，管道从前池沿地面到电站厂房，钢管垂直进入厂房。因压力管道较长，采用混凝土管与钢管结合的方式，低压段采用混凝土管，高压段采用钢管（斜管段）。由于电站处于寒冷地区，并处于地震设计烈度为Ⅷ度的地震区，综合考虑压力钢管稳定及保温要求，压力钢管采用浅埋式钢内衬外包混凝土结构方式。

4压力管道材质比选

4.1方案拟定

本工程发电引水流量358m3/s，工程地质条件较为复杂，基础湿陷性粉土分布不均匀，无规律性，压力管道运行安全对整个电站的安全至关重要。经过研究分析后，对压力管道管材拟定两个方案进行比选。方案一：压力管道由混凝土管和钢管组成。低压段采用混凝土管（桩号0+000―0+290m），管道承受内压0.2―0.59MPa（包含甩负荷时水击压力升高值）。高压段采用钢管（桩号0+290―0+451m），管道承受内压0.59―1.1MPa（包含甩负荷时水击压力升高值）。混凝土管长293m、钢管长162m。混凝土管为钢筋混凝土结构，钢筋混凝土承担全部内压，管径5.4m，衬砌厚度0.6m；钢管采用钢内衬外包混凝土结构，钢管承担全部内压，管径5.4m，外包混凝土厚度0.5m。方案二：压力管道全部采用钢管，管道承受内压0.2―0.59MPa（包含甩负荷时水击压力升高值）。钢管长455m，钢管管径5.4m，外包混凝土厚度0.5m。

4.2方案一

压力管道布置压力管道共4根，由混凝土管和钢管组成，管径均为5.4m，其中混凝土管长293m、钢管长162m。进口中心高程为1534.70m，出口中心高程1475.20m，由斜管段、转弯段及下平管段组成，斜管段坡度为1∶5.6、1:40、1:3，每根管道4个竖向转弯段，转弯半径均为20m，斜管倾角为10.1°、8.7°、17°、18.4°。桩号0+000―0+290m段为混凝土管段，混凝土管管内径5.4m，衬砌厚度为0.6m。桩号0+290―0+451m段为钢管段，压力钢管采用钢内衬外包混凝土结构，管内径5.4m，外包混凝土厚0.5m，引四条钢管垂直进副厂房与机组相接。钢管厚度随压力分段变化，钢管采用Q345C制作，管壁厚度20―24mm。钢管内、外壁表面进行防腐处理；钢管内壁：喷锌厚度160μm，并在镀层外喷涂一道环氧沥青防锈漆封闭涂料，表面喷涂环氧沥青防锈面漆，厚度分别为125、125μm；钢管外壁：采用无机改性水泥浆防腐，厚度400μm。

4.3方案二

压力管道布置压力管道共4根，全部采用钢管，管径均为5.4m，管道长455m。管道进口高程、出口高程、转弯段布置及钢管防腐材料同方案一。钢管厚度随压力分段变化，钢管采用Q345C制作，桩号0+000―0+290m段为管壁厚度16mm，桩号0+290―0+451m段管壁厚度20―24mm。

4.4工程量及工程投资对比方案

一与方案二桩号0+290―0+451m段均采用钢管，方案一桩号0+000―0+290m段为混凝土管，方案二桩号0+000―0+290m段为钢管，因此只针对压力管道桩号0+000―0+290m段进行工程量及工程投资对比分析。两个方案压力管道土石方开挖及填筑量基本接近，工程投资只考虑混凝土、钢筋、止水、钢材等主要工程量的直接费，方案一直接费2721万元，方案二直接费4788万元。

4.5方案比选分析

针对压力管道桩号0+000―0+290m段，对混凝土管和钢管管材比选，从工期、工程投资、运行安全等方面综合分析比较。（1）从工期考虑，方案一采用混凝土管施工工期较长，施工工艺较复杂，方案二采用钢管施工工期较短，施工简单。（2）从工程量及工程投资上来看，方案一直接费2721万元，方案二直接费4788万元，方案一较方案二投资少2066万元。（3）从工程运行维护方面考虑，方案一和方案二都能满足安全运行要求。4.5比选结论方案一和方案二都能满足设计及安全运行要求，方案一较方案二投资少2066万元，方案一工期较方案二长，但压力管道不是本工程的控制工期，对工程整体工期影响较小，因此推荐方案二为拟定方案。

5压力管道设计

压力管道采用单机单管的单元供水方式，总装机容量4×50MW，管径为5.4m，电站额定水头63.5m。

5.1压力管道基础处理

压力管道基础湿限性粉土厚度为4―15m，采用换填砂砾石处理。为提高压力管道基础的承载力，将压力管道基础下的低液限性粉土全部清除，采用砂砾石换填。严格控制换填料中粒径小于0.05mm的土重占总土重的比例不大于6%，以保证换填砂砾料的防冻要求，换填料压实相对密度Dr≥0.85。

5.2混凝土管设计

混凝土管管径5.4m，每10m设一道结构缝，结构缝垂直于管道轴线布置。结构缝设两道止水，一道采用W型铜片止水，一道采用651型（B-P-300×10）橡胶止水带。嵌缝材料迎水面至止水之间采用聚氨酯砂浆，止水至衬砌外侧采用聚乙烯闭孔塑料板。混凝土管段基础低液限性粉土虽已全部换填，但基础周围仍然有粉土，且粉土具有腐蚀性，因此混凝土衬砌采用高抗硫酸盐水泥。混凝土管结构考虑运行期和检修期两种工况，计算荷载组合为：运行期：内水压力＋外水压力＋衬砌自重＋回填土压力+其他外部荷载（如汽车荷载、行人荷载等）；检修期：外水压力＋衬砌自重＋回填土压力（如汽车荷载、行人荷载等）。通过结构力学方法，计算出混凝土管弯矩、轴力、剪力，并进行裂缝宽度控制验算，根据《钢筋混凝土结构设计规范》，钢筋混凝土管处于三类环境，最大裂缝开展宽度限值为0.3mm。经计算，混凝土管管径5.4m，衬砌厚度0.6m，与县道公路交叉处衬砌厚度1m。

5.3钢管设计

钢管管径5.4m，采用钢内衬连续外包混凝土结构，外包混凝土衬砌厚度0.5m。压力钢管结构计算按照《水电站压力钢管设计规范》进行，管壁厚度除应满足承载能力的要求外，还应根据制造、运输、安装等要求，保证必需的刚度，满足管壁最小厚度（包括壁厚裕度）的要求。内水压力全部由钢管承担，通过对压力钢管壁厚计算、管壁及加劲环抗外压稳定计算，钢管采用Q345C钢材，管壁厚度为20―24mm，加劲环高度200mm，厚度与钢管壁厚相等，间距2m。

5.4伸缩节设计

压力管道上段基础为人工换填砂砾石及天然砂砾石，下段基础为胶结砂砾石及Q1砾岩，考虑到基础不均匀沉降，在桩号0+300m处设伸缩节。本工程采用波纹管伸缩节，波纹管伸缩节应保证适应沿管轴向位移±30mm、沿管切向位移±50mm、角向位移量±1度要求，承受内压0.65MPa。伸缩节段沿管轴向长2m（包括连接钢管），压力管道管道内径5400mm，与之相连接的钢管材料与压力管道管壁材质及壁厚相同，采用为Q345C钢板，壁厚20mm。为满足运行期检修条件，根据吊装、检修的所需空间要求，设伸缩节检修井，检修井底板及边墙采用现浇钢筋混凝土结构，结构净尺寸6.6×8.4×10m（长×宽×高），顶板采用预制混凝土梁。

5.5其他

为保证压力管道整体稳定性，在水平及竖向转弯处设镇墩，镇墩采用钢筋混凝土结构，混凝土管段镇墩钢筋混凝土还应承担内水压力。为满足防冻要求，压力管道顶部回填1.5m厚砂砾石，砂砾石回填标准Dr≥0.75。压力管道永久开挖边坡与厂房边坡相连，采用C20预制网格梁支护。考虑到雨水对基础的影响，压力管道两侧回填坡脚处设排水沟，并与厂房排水沟相接，将坡面汇水排至尾水渠。考虑到人行方便，在压力管道左侧坡脚处设踏步，与厂区平台相接。

6结语

恰木萨水电站发电引用流量较大，压力管道规模较大，地质条件复杂多变，基础为湿陷性粉土且分布无规律性，压力管道设计及管材的选取对整个工程的安全及工程投资有较大影响，通过管材比选，选择采用混凝土管+钢管的布置形式。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家经济贸易委员会．DL/T5141-2001．水电站压力钢管设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2002．

[2]中华人民共和国国家能源局．DL/T5057-2009．水工混凝土结构设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2009．

[3]王仁坤，张春生．水工设计手册：水电站建筑物（第二版第8卷）[M]．北京：中国水利水电出版社，2013．

[4]钟秉章．水电站压力管道、岔管、蜗壳[M]．浙江：浙江大学出版社，1994．

作者：陈刚 单位：新疆水利水电勘测设计研究院