罗家店水电站压力明管的计算与应力分析

孟 莹，曹春顶，石立恒

(1.佳木斯河道管理处，黑龙江佳木斯154000;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;3.桦川县悦来灌区管理站，黑龙江桦川154300)

1 工程基本概况

罗家店水电站工程位于东宁县，东宁县供电系统是区域性独立电网，随着东宁县经济迅速发展，各行各业用电需求不断提升，用电高峰期严重缺电，电力电量供需矛盾日益突出，为合理开发利用绥芬河流域水能资源缓解当地供电与需求的矛盾，罗家店水电站装机容量1.5万kW，多年平均发电量4 073万kW·h，发电年保证率90%。罗家店水电站工程主要由挡水建筑物、泄水建筑物、电站引水系统、电站厂房组成。挡水建筑物为浆砌石重力坝，泄水建筑物为浆砌石溢流坝，坝长104 m;电站引水系统设在坝址上游660 m山体内，进水口为岸塔式，压力管道总长185.8 m。

2 水锤波引起特殊荷载的确定

2.1 水锤波传播速度的确定

水锤波的传播速度与管壁材料、厚度、管径以及水的弹性模量等有关。其传播速度可表示为:

式中:Ew为水的体积弹性模量;γ、r分别表示水的容重、管道半径;K为管道的抗力系数。

2.2 水锤形式的确定

水锤的产生形式有直接水锤和间接水锤。间接水锤是指当阀门关闭过程结束前，水库异号反射回的降压波已到达阀门外，如果Ts≥2L/a，这种水锤称为间接水锤，可以按以下公式进行计算:

作用在压力明管上的特殊荷载按作用力方向可分为径向荷载、垂直管轴向荷载、平行管轴向荷载。

3 压力钢管厚度与强度计算

压力管道钢板衬砌计算采用《水电站压力钢管设计规范》中公式及要求进行设计。

3.1 管壁厚度计算

式中:σR为钢管结构构件的抗力限值，N/mm2;γ0为结构重要性系数;ψ为设计状况系数;γd为结构系数;f为钢材强度设计值，取fs值，N/mm2;ES2为平面应变问题的钢材弹性模量，N/mm2。

3.2 管壁厚度t的计算

t按下式计算:

式中:p为内水压力设计值，N/mm2;r为钢管内半径，mm;σR为钢管的抗力限值，N/mm2。

3.3 管壁应力计算

钢管最大环向正应力按下式计算:

式中:σθ为钢管环向正应力，N/mm2;K0为围岩单位抗力系数较小值，N/mm3;t为钢管管壁厚度，mm。

4 采用锅炉公式复核管壁厚度

采用锅炉公式估算管壁厚度时，只考虑明管仅受内水总压力的作用，即内水总压力与管壁的环向拉力相平衡，建立平衡方程。考虑焊缝的强度降低，允许应力应乘以小于1的焊缝系数φ，当为单面焊时φ取0.9，双面焊时φ取0.95。此外，考虑锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁厚度应至少比计算值厚2 mm，即

按上述锅炉公式复核压力明管的厚度时，当明管管壁实际厚度δ实≥δ计时，则认为明管强度满足要求。

5 结语

经过上述的分析，在进行一般钢管计算时对于明管的局部结构应采用结构力学法较为可靠，应力分布在充分考虑枢纽位置和地质条件的情况及工程投资的情况下，还要考虑施工中制造安装的难度，尽量减少对压力明管不利的因素。

［1］华东水利设计院.水工设计手册(第七卷)［K］.北京:水利电力出版社，1992.

［2］刘启钊.水电站(第三版)［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［3］中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5141－2001水电站压力钢管设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2002.