白山水电站一期工程压力钢管设计复核

吕宏飞,李众望,孙 利,宁卫琦

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

白山水电站一期工程压力钢管设计复核

吕宏飞,李众望,孙 利,宁卫琦

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

文中在根据内水压力确定钢衬厚度的基础上,对钢管进行抗外压稳定验算,确定加劲环的布置.光面管钢管抗外压失稳安全系数大于2.0,加劲环间管壁与加劲环抗外压失稳安全系数大于1.8.在内水压力作用时,钢管按明管设计,采用光面管型式,通过光面管抗外压稳定计算管壁抗外压稳定及承载力,均满足要求.

白山水电站;压力钢管;复核计算

1 概述

白山水电站位于吉林省东部山区桦甸市与靖宇县交界的第二松花江上游,距下游红石水电站39 km,丰满水电站250 km.

白山水电站是一座以发电为主、兼有防洪等综合利用效益的大型水电站,具有不完全多年调节性能.坝址控制流域面积19 000 km2,正常蓄水位413 m,死水位380 m,坝顶高程为423.5 m,总库容65X108m3.电站总装机容量1 500 MW,单机容量300 MW,一期工程的地下厂房装机3台,容量为900 MW,二期工程的地面厂房装机2台,容量为600 MW,共同担负着东北电网的调峰、调频及事故备用任务.

白山一期三条引水隧洞下水平段长度1号、2号均为55 m,3号为107.5 m(包括厂房内5 m),内径为7.5 m.厂房前45 m范围采用钢板衬砌,钢管中心线高程为286.0 m,其上游端与相同直径的混凝土衬砌段连接,其下游端与相同直径的金属蜗壳进口连接.三条压力钢管相互平行,方位角NW334°,进厂前16.42 m处通过水平转弯19°转为NW315°,与厂房纵轴线垂直,钢管间距24 m.

2 复核情况说明

白山水电站一期工程建于上世纪七、八十年代,水电行业经过30多年的发展,压力钢管设计规范由原SD144-85到DL/T5141-2001,再到现行的NB/T 35056-2015,其中的设计假定、结构系数、安全系数等取值均有所变化,为保障压力钢管的安全稳定运行,按现行规范标准对其进行设计复核.

这次压力钢管复核,围岩参数按照开挖施工时实际揭露的地质条件参数选取,承受的内水压力按照机组参数选定后过渡过程计算成果选取,外水压力按照实际地下水位线选取,计算按照(NB/T 35056-2015)《水电站压力钢管设计规范》进行复核计算.

3 复核计算

3.1 基本资料

3.1.1 建筑物等级、洪水标准及相关系数

白山一期水电站厂房内安装3台300 MW竖轴混流式水轮发电机组,每台机组设一个进水口和一条压力引水隧洞,每条引水隧洞包括上平段、斜管段和下平段,单机设计引用流量为307 m3/s,设计静水头为126 m.根据现行规范,引水隧洞确定为I级建筑物,压力钢管安全级别为Ⅰ级.

钢管的结构重要性系数γ0为1.1,设计状况系数ψ按持久状况取1.0,结构系数γd(φ=0.95时)地下埋管取1.25,明管取1.6,主厂房内明管取1.76.

3.1.2 围岩条件

根据围岩分类和现场实际开挖的地质条件,采用地质专业提供的围岩单位抗力等参数进行计算,详见表1.

3.1.3 钢板力学性能参数

钢板的屈服强度、抗拉强度以及抗拉、抗压、抗弯强度设计值等力学性能参数按GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》及NB/T 35056-2015《水电站压力钢管设计规范》选取.

该工程采用16Mn(Q345)钢材.钢板弹性模量2.06X105MPa,泊松比0.3,线膨胀系数1.2X10-5/℃,重度78.5 kN/m3.

钢板主要力学性能参数见表2.

表1 压力钢管围岩类别及单位抗力

表2 钢板主要力学性能参数表N/mm2

3.2 技术标准

1)DL5208-2005《抽水蓄能电站设计导则》.

2)GB50201-2014《防洪标准》.

3)DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》.

4)DL 5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》.

5)NB/T 35056-2015《水电站压力钢管设计规范》.

6)GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》.

3.3 计算原则及假定

1)内水压力由钢板、混凝土、围岩三者共同承担.管道内各部位的设计内水压力由静水压力与水击压力组成.

2)钢衬与围岩之间的混凝土,存在径向裂缝,不承担环向拉应力,仅将部分内压从钢衬传给围岩,同时自身产生压缩.所有都在弹性阶段工作,围岩为各向同性材料且在开挖后已充分变形.

3)全部外压由钢管承担.围岩的渗透水压力、施工时流态混凝土的压力、灌浆压力三者不叠加,取大者进行计算.

4)不计钢管自重、管内水重、地震力等.

5)受厂房开挖影响洞段及厂内钢管段按明管设计.

3.4 计算荷载

压力钢管最大设计内水压力:经过渡过程计算,压力钢管最大内水压力为1.76 MPa.

压力钢管最大设计外水压力:上游端部外水压力考虑钢筋混凝土衬砌开裂渗漏影响,并按照0.8的系数进行折减,确定用最大静水压力0.984 MPa.厂房上游边墙处采用实测外水压力0.294 MPa.

3.5 计算方法

3.5.1 内水压力作用下复核计算

1)引水压力钢管埋管、引水下平段断层处理局部钢衬.该工程引水压力钢管埋管段的围岩覆盖厚度和缝隙判别条件均满足要求,埋管壁厚按式(1)进行计算,并不小于式(2)表示的管道最小壁厚构造要求,且计算结果中应考虑2 mm的壁厚裕量.相应钢管的最大的环向正应力按(3)计算.

式中考虑钢管锈蚀、磨损及钢板厚度误差,管壁厚度增加2 mm.

2)引水压力钢管厂前明管、渐变管、厂内明管.该工程引水压力钢管厂前明管、渐变管、厂内明管按明管设计,壁厚按式(4)进行计算,σR按明管取值,并且不小于式(2)表示的管道最小壁厚构造要求,且计算结果中应考虑2 mm的壁厚裕量.相应钢管的最大的环向应力按(5)计算.

3.5.2 抗外压稳定计算

1)光面管抗外压稳定复核计算.对本工程采用阿姆斯图兹公式和光面管经验公式计算临界外压Pcr,计算公式如下:

①光面管经验公式:

②光面管阿姆斯图兹公式:

σK用试算法由下式求得:

2)加劲环式钢管抗外压稳定计算.加劲环式钢管的抗外压稳定计算分为加劲环间管壁和加劲环的稳定计算.

①加劲环间管壁的稳定.加劲环间管壁的稳定采用米赛斯公式计算临界外压Pcr,计算公式如下:

②加劲环的稳定.加劲环的稳定计算公式如下:

3)钢管抗外压管壁环向应力.钢管抗外压管壁环向应力计算公式如下:

3.6 复核结果

3.6.1 引水压力钢管复核结果

根据NB/T 35056-2015《水电站压力钢管设计规范》,按同时满足缝隙判别条件和覆盖围岩厚度条件,计算钢管承受内水压力时的钢衬厚度,钢衬厚度以运行最大内水压力作用为控制条件,并考虑2 mm的锈蚀厚度最终确定.在根据内水压力确定钢衬厚度的基础上,对钢管进行抗外压稳定验算,确定加劲环的布置.光面管钢管抗外压失稳安全系数大于2.0,加劲环间管壁与加劲环抗外压失稳安全系数大于1.8.

压力钢管各部位钢板厚度、加劲环尺寸及钢种见表3.压力钢管采用16 Mn钢板.设置表3中的加劲环后,加劲环及加劲环间管壁抗外压稳定和抗外压承载力均满足规范要求.靠厂房前15m钢管考虑大跨度地下厂房开挖影响,在内水压力作用时,钢管按明管设计,采用光面管型式,通过光面管抗外压稳定计算管壁抗外压稳定及承载力均满足要求.

3.6.2 压力钢管复核计算成果汇总

压力钢管复核计算成果汇总表见表3.

表3 压力钢管钢板厚度、加劲环尺寸及钢种表

3.7 复核计算安全评价

1)压力钢管厂内明管段受内水压力钢管应力超出钢管抗力限值,需采取加强措施.

2)其他压力钢管段设计满足规范要求.压力钢管经结构计算,满足强度要求及抗外压稳定要求,结构安全.压力钢管中间段原设计采用的是加劲锚钩,现行规范已不允许采用,采用原规范对其复核后,仍满足要求.

3)引水压力钢管外侧设置环向和纵向软式排水管,可以有效降低作用于钢管外壁的外水压力,满足压力钢管放空期的抗外压安全稳定要求.

4)通过水道系统过渡过程计算、试验验证以及电站运行过程中的监测,压力钢管运行满足过渡过程稳定要求.

5)各监测仪器监测结果说明,压力钢管围岩变形趋于稳定.电站运行过程中,随管道内充水、排水以及后期运行,各监测仪器测值均发生一定变化,但在合理范围内.压力钢管钢板应力及外水压力均小于设计允许值,结构稳定.

TV732.4+1 < class="emphasis_bold">[文献标识码]B

B

1002-0624(2017)11-0001-03

2017-07-04