董箐水电站压力钢管设计

申显柱，李晓彬

1 工程概况

董箐水电站位于贵州省西部贞丰县与镇宁县交界的北盘江上，装机容量880MW，为Ⅱ等大（2）型工程。引水系统位于右岸，四台机组采用单元供水方式布置，压力钢管由上、下弯段、斜井和下平段组成，地质构造较简单，基本为单斜层面，岩层走向与洞轴线交角较小，董箐压力钢管结构平面、纵剖面布置见图1和图2。

压力钢管内径7m，最大内水压力水头181m，外水压力约70m，属高水头压力钢管。从布置上，受工程地形条件限制，使得压力钢管线路靠近河床岸边，上部及侧向岩石覆盖较浅，作为地下埋管其岩石覆盖不均一。因此，此种埋管的受力状态、工作性能的研究分析与评价，对压力钢管结构安全非常重要。从材料上，大部分采用Q345R钢材，靠近厂房上游墙30m左右范围内采用620MPa级高强钢，焊接工艺要求严格，尽量不在钢板上开孔或少开孔，且取消了伸缩节设计，这些关键技术的研究和应用对保证压力钢管安全运行，加快施工进度及节省工程投资都有着重要意义。

2 压力钢管结构设计

2.1 设计参数

引水系统压力钢管按2级水工建筑物设计，设计参数见表1。

2.2 结构设计

2.2.1 材质选择原则

用于压力钢管的材质主要有低合金钢和高强调制钢。当钢板超过一定厚度后，不仅给钢管的加工制作带来困难，而且规范规定钢板焊接后还需要进行焊后消除应力热处理，该工序不仅容易引起高强钢板的回火脆化、硬化、裂缝等材质劣化现象，而且工艺复杂。因此，为了免除焊后消应热处理的工序，需要通过提高钢板材质的强度等级来减少钢板厚度，同时，也要避免过多地选取价格相对较高的高强钢。本工程压力钢管材质选择原则：通过结构计算，若低合金钢Q345R厚度超过32mm，则需要跳档为620MPa级高强钢，而且钢板厚度也宜控制在40mm以内（蜗壳连接管管壁厚度为40mm）。当时620MPa级高强钢较Q345R每吨单价多3000元左右，通过分段选材，节省工程投资约928万元。

2.2.2 结构计算原则

董箐水电站引水系统压力钢管的结构分析计算主要包括两个方面：①钢管承受内水压力的承载能力计算，确定管壁厚度及刚度验算；②抗外压稳定分析（放空情况和施工情况）及抗外压承载能力验算，确定加劲环参数。

在设计时，该工程压力钢管距厂房上游墙0～15m范围内按明管计算，距厂房上游墙15～30m范围内取围岩单位抗力系数为0按埋管计算。主厂房内的明管，结构系数γ_d增大20%。

结合排水洞布置进行压力钢管承受外水压力折减，按最大外水压力为40m进行压力钢管抗外压稳定分析计算。

2.2.3 结构计算成果

（1）钢管上、下弯段及斜井段为Ⅳ类围岩：满足埋管的3个判别条件，内压为控制工况，受力情况为钢管独立承担内压，抗力限值σ_R按地下埋管取值。

（2）钢管下平段Ⅲ类围岩：满足埋管的3个判别条件，外压为控制工况，受力情况为钢管与围岩联合承载，围岩承受的最大内水压力为0.598MPa，最大分担率为34.4%，抗力限值σ_R按地下埋管取值。

（3）钢管下平段Ⅳ类围岩：不满足埋管判别条件3，外压为控制工况，受力情况为钢管独立承担内压，抗力限值σ_R按地下埋管取值。

（4）钢管厂内明管段：按厂内明管计算，内压为控制工况，受力情况为钢管独立承担，抗力限值σ_R按厂内明管取值。

在保证压力钢管承载能力满足强度要求和抗外压稳定计算满足设计要求的前提下，通过对以上四种情况进行计算分析，大部分钢管段采用Q345R，壁厚20～32mm，靠近厂房上游墙30m左右范围内采用620MPa级高强钢，壁厚32～36mm，加劲环均为Q345R，厚22mm，高150mm，间距1m。

3 压力钢管辅助设计

3.1 回填混凝土设计

地下埋管的结构设计，与钢管外的缝隙关系密切，缝隙值越小，对结构受力越有利。因此，为减少施工缝隙和混凝土收缩所产生的缝隙，达到不开孔及少开孔做接触灌浆的目的，钢管段采用掺3.5%MgO微膨胀混凝土进行回填。混凝土施工工艺：浇筑混凝土时，先从钢管一侧下料，覆盖住钢管底部后再从两边下料，以排空钢管底部的空气；为防止钢管偏移，混凝土应对称均匀上升；在压力钢管底部浇筑混凝土时，为保证钢板与混凝土的接触良好，应对钢管底拱部位、加劲环及阻水环附近加强振捣，防止钢管底部混凝土脱空。

3.2 灌浆设计

（1）固结灌浆。压力钢管全洞段采用无盖重固结灌浆，排距2～3m，每排9孔，深入基岩6m，全断面梅花型布置，灌浆按环间分序、环内加密的原则进行。先喷15cm厚的C20聚丙烯纤维混凝土，聚丙烯纤维掺量0.9kg/m³，完成喷锚支护后，待混凝土达到设计强度时，再钻孔灌浆，灌浆压力Ⅰ序孔为0.2～0.5MPa，Ⅱ序孔为0.5MPa。

（2）回填灌浆。除斜井段外，其他洞段顶拱120°范围通过钢管顶部的排水洞进行回填灌浆。灌浆工艺采用“推赶灌浆法”的新工艺，即施工自较低的一端开始，向较高的一端逐环推进。灌浆应分区段进行，各设一个进浆管一个回浆管，进、回浆管设在φ75mm钻孔内，钻孔从钢管上方的排水洞打至洞顶。在混凝土回填之前预埋灌浆管，范围为顶拱120°，灌浆管采用φ50mm聚乙烯硬管；纵向灌浆管顶部开孔距1000mm孔径φ30mm出浆孔；顶拱120°设横向灌浆管，其排距为3m，管顶部开孔距300mm孔径φ30mm出浆孔。在进、回浆管下端管与钻孔间设止浆塞，灌注水灰比为0.6（或0.5）∶1的水泥浆，灌浆压力不得小于0.2～0.3MPa，压力应由小到大逐级增大。

（3）接触灌浆。在混凝土浇筑结束60d后，采用物探声波检查脱空缝隙大小和脱空面积。对脱空缝隙值大于0.5mm，同时脱空面积大于1.0m²的脱空区打孔进行接灌。在脱空区中部开灌浆孔，在高处打回浆排气孔，孔径均为φ14mm。先用0.2MPa风压吹孔，再灌水泥浆。浆液配比0.8∶1和0.6∶1两个比级依次变化灌浆，并掺减水剂（扩散剂）提高浆液流动性。灌压0.10～0.25MPa。在规定灌压下不吸浆5min结束灌浆。灌后7d进行敲击检查，脱空面积小于0.5m²为合格。封孔时，先打入锥台，仅在管壁内留5mm，最后用配套焊条进行封焊。

3.3 排水系统设计

压力钢管为埋藏式钢管，根据国内外压力钢管事故分析，多为外压失稳造成，压力钢管的排水系统直接影响电站的安全运行。董箐水电站压力钢管排水系统由布置在压力钢管上方的排水洞、洞壁及管壁预埋排水盲材组成。沿管道全长设纵横向排水系统，采用新型盲沟排水材料，排水盲材外裹90g无纺土工布；洞壁设置4道纵向排水盲材，管壁设置3道纵向排水盲材，分别布置于两侧腰线处和底部，盲材规格为140mm×35mm型中空塑料；环向排水盲材沿管道轴线按4m间距设置盲材规格为70mm×30mm型中空塑料。为降低压力钢管外水压力及兼顾厂房后坡的稳定，在每条压力钢管正上方顶部约391.00m高程（约28m高度）顺压力钢管向布置一条排水洞，排水洞长约165m，在山体端横向连通，出口在厂房后高程390.50m，隧洞纵坡i=1.1%，断面为2.8m×2.9m（宽×高）城门洞型，洞内布置直径为φ50mm排水孔，孔深6m，排距3m，每个断面5个排水孔，在山体端靠上游侧斜井段布置两排直径为φ75mm排水孔，孔深15m，排距3m，洞内渗水引至发电厂房390.50m高程的排水沟内排走，洞壁及管壁排水盲材中的最后渗水从引水2号施工支洞排出，以降低压力钢管下平段钢管的外压。

4 取消伸缩节设计

4.1 提出设想

董箐水电站在引水钢管末端与发电厂房蜗壳连接处设置有筒形阀，其上下游附近无伸缩节，存在变形应力协调问题，因此，按照通常设计需要在钢管末端设置波纹管伸缩节来适应变位。但是波纹管伸缩节存在制造、安装周期长，造价较高等问题。由于本工程施工工期紧张，在研究坝后背管有关垫层钢管替代伸缩节应用成果的基础上，提出了采用垫层钢管代替伸缩节的设想。垫层钢管具有多向位移的伸缩的功能，可以利用垫层钢管弹性变形及软垫层的变形特点，使垫层钢管在设定的有限结构长度上实现变位，适应引水钢管末端与发电厂房蜗壳连接应力变形协调。垫层钢管设置弹性垫层范围为钢管外壁全断面，长度为中间副厂房底板以下接蜗壳段的11m压力钢管。

4.2 计算分析

引水钢管末端与发电厂房蜗壳连接处采用垫层钢管取代波纹管伸缩节，按材料力学及结构力学方法对钢管进行承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计，包括垫层钢管适应轴向变位值估算、承载能力计算、铅直变位计算、因变位产生的垫层钢管抗外压稳定计算、厂房地基变位估算；通过对垫层钢管结构的受力及变形进行分析，研究其合理性及其主要技术指标，确保垫层钢管能满足厂房沉降引起的变位要求。计算结果如下。

（1）从垫层钢管适应变位的能力估算可知，适应轴向伸长变位最大可达11.4mm，适应轴向压缩变位最大可达2.7mm，适应铅直向沉降变位最大可达12.5mm。

（2）由厂房变位计算可知，厂房地基可能产生的均匀沉降变位最大值为7.4mm，小于垫层钢管的铅直方向的沉降变位12.5mm，因此满足厂房均匀沉降的要求。

（3）当厂房发生最不利不均匀变位时，垫层钢管轴向拉伸3.37mm，端部沉降2.74×10^-4mm，分别小于垫层钢管轴向变位11.4mm和铅直变位12.5mm的适应能力，承载能力复核也满足规范要求。

（4）按独立的梁计算钢管底部承受的最大压应力为σ=0.214N/mm²，据此应力选择弹性垫层的主要指标。垫层钢管的抗外压计算满足规范要求。

因此，可以采用垫层钢管代替波纹管伸缩节，并可通过加强此段钢管的变位监测及钢管的制造安装施工来保证工程安全。

4.3 结论

通过对董箐水电站引水钢管末端与发电厂房蜗壳连接处采用的垫层钢管结构进行受力及变形分析，结果显示垫层钢管可满足厂房沉降引起的变位要求。采用垫层钢管取代波纹管伸缩节，可降低施工难度、缩短工期，同时节省工程投资约210万元，该做法具有良好的推广应用价值。

5 结语

（1）通过对高水头，大直径压力钢管合理选材，并结合复杂的水文地形条件，正确选择结构设计原则，达到了既经济又安全的目的。

（2）压力钢管辅助设计也是很重要的，采用恰当的回填混凝土设计、无盖重固结灌浆、顶部排水洞回填灌浆等方法，使高强钢压力钢管不开孔和少开孔，取得了较好的效果。排水洞、洞壁及管壁预埋排水盲材相结合的排水系统，对高外水埋藏式压力钢管抗外压稳定安全是很有必要的。

（3）采用垫层钢管取代波纹管伸缩节，具有良好的推广应用价值。

（4）董箐水电站四台机组于2009年12月全部并网发电，至今运行良好。