毛　利　鑫

摘要:HM水電站屬于小流量、高水頭的引水式電站，該電站壓力管道部分全線采用地下埋管，調(diào)壓井與主廠房之間采用一豎井一平洞連接。本文結(jié)合壓力鋼管設(shè)計，對壓力鋼管主、岔、支管的總體布置、水力計算、管材及壁厚選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析。
關(guān)鍵詞: 地下埋管   豎井　外水壓力   結(jié)構(gòu)設(shè)計分析  岔管
Abstract: HM hydropower station belongs to a small flow, high water head of water diversion type power station, the power of the pressure piping all buried pipes, surge tank and main building between the shaft well a flat a hole connection. Combining with the design pressure pipe, steel pipe to pressure the bifurcation, pipe, the overall layout, hydraulic calculation, piping and wall thickness selection, structure design for analysis.
Keywords: buried pipes external water pressure of vertical shaft structure design analysis bifurcation pipe


中圖分類號：TU318        文獻標識碼：A         文章編號：
1 工程概況
HM水電站發(fā)電引用流量19.71 m3/s,總裝機容量為3×25MW，年發(fā)電量3.6125億kW·h，其年利用小時數(shù)為4817h。
2 水力計算
選定主管直徑為3.0m、2.8m、2.6m和2.2m四種，支管直徑1.2m，管道過最大引用流量19.71m3/s，主管的流速為2.79～5.16m/s，支管的流速為5.81m/s，相應(yīng)壩前正常蓄水位1430.0m時，壓力鋼管的最大靜水頭為457m，在該水頭下，電站帶滿負荷時，水頭損失按9.67m計。
電站引水系統(tǒng)為一管三機布置，經(jīng)計算該電站ΣLV=4426.6m2/s，GD2=180t.m2，按三臺機同時甩100%負荷進行調(diào)保計算，噴針關(guān)閉時間為20s時，壓力上升率為7%，最大壓力上升絕對值為487.9m；壓力管道的設(shè)計最大壓力設(shè)計值按規(guī)范要求不小于正常蓄水位鋼管靜水壓力的10%，所以設(shè)計值為502.7m。對照規(guī)范，該電站調(diào)節(jié)保證計算滿足規(guī)范要求。
3鋼管管材選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計
本工程壓力管道的設(shè)計分為高程1330m以上豎井段鋼筋混凝土襯砌設(shè)計和1330m高程以下豎井、平洞鋼襯鋼筋混凝土襯砌設(shè)計和岔支管段的砼包管設(shè)計共三部分。
鋼筋砼襯砌設(shè)計開挖斷面為直徑3.8m的圓形斷面，全斷面采用C20鋼筋砼襯砌，襯砌厚度0.4m，襯砌后過水斷面直徑為3.0m的圓形斷面。并進行固結(jié)灌漿處理。
以下結(jié)構(gòu)計算專門針對后兩部分的設(shè)計進行論述。
3.1計算假定及原則
（1）豎井段埋管按鋼襯鋼筋混凝土設(shè)計；平洞段埋管內(nèi)水壓力原則上由鋼板單獨承擔，抗力限值σR按地下埋管取值；岔支管砼包管段按明管設(shè)計。
（2）所有材料都在彈性階段工作，圍巖為各向同性材料且在開挖后已充分變形。
（3）全部外壓由鋼管承擔。
（4）軸向應(yīng)力一般不大，應(yīng)力分析中不計入。
3.2主管及支管段結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）鋼襯抗內(nèi)壓計算公式：
t=+1000K0(-)
式中：t—鋼管管壁厚度（mm）
p—內(nèi)水壓力設(shè)計值（N/mm2）
r—鋼管內(nèi)半徑（mm）
—鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值，=
式中：—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，本工程壓力鋼管道為3級，取=1；
—設(shè)計狀況系數(shù)，持久狀況：=1.0，短暫狀況：=0.9，偶然狀況：=0.8
—結(jié)構(gòu)系數(shù)，本工程均采用雙面對接焊，焊縫系數(shù)為0.95，所以明管=1.6，埋管=1.3，支管段部分廠內(nèi)明管=1.92；
f—鋼材強度設(shè)計值（N/mm2）。
K0—圍巖單位抗力系數(shù)較小值（N/mm2）
Es2—平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量（N/mm2）
δ2—縫隙值（mm）
δ2=δb+δs+δr
式中：δb—施工縫隙值（mm）；
δs—鋼管冷縮縫隙值（mm）；
δr—圍巖冷縮縫隙值（mm）；
（2）光面管抗外壓穩(wěn)定計算公式：
t=612
式中：t—鋼管管壁厚度（mm）
—鋼材屈服點（N/mm2）
r—鋼管內(nèi)半徑（mm）
整個埋管段的平洞段洞頂120°范圍內(nèi)作回填灌漿處理，回填灌漿外壓取為0.3MPa。結(jié)合持久、偶然和短暫三種狀況，進行主管和支管段抗內(nèi)壓和抗外壓穩(wěn)定計算，在充分考慮了運輸、施工吊裝、混凝土澆筑時的壓力、灌漿壓力、外水壓力，管道首段還考慮了內(nèi)水負水錘，經(jīng)過各種計算分析，主管段采用Q345C鋼和國產(chǎn)WDB620高強鋼，支管段采用Q345C鋼，在確定了管道板厚后、進行抗外壓穩(wěn)定分析，均滿足抗外壓穩(wěn)定的管段，進行構(gòu)造性加勁環(huán)形式及布置設(shè)計，壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算成果見表。
3.3岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）體型選擇及設(shè)計
岔管體型，初擬1#岔管采用非對稱“Y”型內(nèi)加強月牙肋鋼岔管，2#岔管采用 “卜”型內(nèi)加強月牙肋鋼岔管。
其中1#岔管HD值為1105.94m2，分岔角為72度，按明岔管設(shè)計，結(jié)構(gòu)計算表明，如果采用Q345C鋼板，板厚已高達45mm，根據(jù)規(guī)范要求，制安存在焊接過程中的預(yù)熱后熱，給制作安裝帶來很大困難，本階段決定采用已在多個水電站成功使用的國產(chǎn)WDB620高強鋼板制作，其最大壁厚為36mm，肋板厚度為80mm，其板材的最大優(yōu)點就是制安過程不需要預(yù)熱后熱，既有技術(shù)保證，又有較好的經(jīng)濟性。
2#岔管HD值為854.59m2，分岔角為70度，按明岔管設(shè)計，結(jié)構(gòu)計算表明，采用Q345C鋼板，其最大壁厚為34mm，肋板厚度為80mm。本階段仍采用國產(chǎn)WDB620高強鋼板制作，其最大壁厚為34mm，肋板厚度為80mm。
（2）岔管管壁計算
a、計算方法和公式
鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值計算公式
=
式中：—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，本工程壓力鋼管道為3級，取=1；
—設(shè)計狀況系數(shù)，持久狀況：=1.0，短暫狀況：=0.9，偶然狀況：=0.8
—結(jié)構(gòu)系數(shù)，采用雙面對接焊，焊縫系數(shù)為0.95，
正常運行：整體膜應(yīng)力 =1.6×1.1=1.76
           局部膜應(yīng)力 =1.3×1.1=1.43
  局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力 =1.1×1.1=1.21
f—鋼材強度設(shè)計值（N/mm2）。
b、岔管處設(shè)計內(nèi)水壓（含水錘壓力）
本階段設(shè)計內(nèi)水壓（含水錘）按502.7m計。
c、岔管壁厚計算
按膜應(yīng)力估算的管壁厚度ty1：
ty1=
式中：ty1—按膜應(yīng)力估算的壁厚(mm)；
p—設(shè)計內(nèi)水壓力（N/mm2）；
R—該節(jié)管殼計算點到旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)半徑（即垂直距離），對于等徑管即為鋼管半徑（mm）；
A—該節(jié)鋼管的半錐頂角；
—壓力鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件按整體膜應(yīng)力計的抗力限值（N/mm2）；
按局部應(yīng)力估算的管壁厚度ty2：
ty2=
式中：ty2—按膜應(yīng)力估算的壁厚(mm)；
p—設(shè)計內(nèi)水壓力（N/mm2）；
R—該節(jié)管殼計算點到旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)半徑（即垂直距離），對于等徑管即為鋼管半徑（mm）；
A—該節(jié)鋼管的半錐頂角；
—壓力鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件按整體膜應(yīng)力計的抗力限值（N/mm2）；
式中：
k2—腰線轉(zhuǎn)折角處應(yīng)力集中系數(shù)邊。
d、最終計算選定結(jié)果見表。

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