高水头小流量水电站压力钢管结构分析与设计
毛 利 鑫
摘要:HM水电站属于小流量、高水头的引水式电站，该电站压力管道部分全线采用地下埋管，调压井与主厂房之间采用一竖井一平洞连接。本文结合压力钢管设计，对压力钢管主、岔、支管的总体布置、水力计算、管材及壁厚选择、结构设计进行分析。
关键词: 地下埋管 竖井 外水压力 结构设计分析 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
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
HM水电站发电引用流量19.71 m3/s,总装机容量为3×25MW，年发电量3.6125亿kW·h，其年利用小时数为4817h。
2 水力计算
选定主管直径为3.0m、2.8m、2.6m和2.2m四种，支管直径1.2m，管道过最大引用流量19.71m3/s，主管的流速为2.79～5.16m/s，支管的流速为5.81m/s，相应坝前正常蓄水位1430.0m时，压力钢管的最大静水头为457m，在该水头下，电站带满负荷时，水头损失按9.67m计。
电站引水系统为一管三机布置，经计算该电站ΣLV=4426.6m2/s，GD2=180t.m2，按三台机同时甩100%负荷进行调保计算，喷针关闭时间为20s时，压力上升率为7%，最大压力上升绝对值为487.9m；压力管道的设计最大压力设计值按规范要求不小于正常蓄水位钢管静水压力的10%，所以设计值为502.7m。对照规范，该电站调节保证计算满足规范要求。
3钢管管材选择及结构设计
本工程压力管道的设计分为高程1330m以上竖井段钢筋混凝土衬砌设计和1330m高程以下竖井、平洞钢衬钢筋混凝土衬砌设计和岔支管段的砼包管设计共三部分。
钢筋砼衬砌设计开挖断面为直径3.8m的圆形断面，全断面采用C20钢筋砼衬砌，衬砌厚度0.4m，衬砌后过水断面直径为3.0m的圆形断面。并进行固结灌浆处理。
以下结构计算专门针对后两部分的设计进行论述。
3.1计算假定及原则
（1）竖井段埋管按钢衬钢筋混凝土设计；平洞段埋管内水压力原则上由钢板单独承担，抗力限值σR按地下埋管取值；岔支管砼包管段按明管设计。
（2）所有材料都在弹性阶段工作，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。
（4）轴向应力一般不大，应力分析中不计入。
3.2主管及支管段结构设计
（1）钢衬抗内压计算公式：
t=+1000K0(-)
式中：t—钢管管壁厚度（mm）
p—内水压力设计值（N/mm2）
r—钢管内半径（mm）
—钢管结构构件的抗力限值，=
式中：—结构重要性系数，本工程压力钢管道为3级，取=1；
—设计状况系数，持久状况：=1.0，短暂状况：=0.9，偶然状况：=0.8
—结构系数，本工程均采用双面对接焊，焊缝系数为0.95，所以明管=1.6，埋管=1.3，支管段部分厂内明管=1.92；
f—钢材强度设计值（N/mm2）。
K0—围岩单位抗力系数较小值（N/mm2）
Es2—平面应变问题的钢材弹性模量（N/mm2）
δ2—缝隙值（mm）
δ2=δb+δs+δr
式中：δb—施工缝隙值（mm）；
δs—钢管冷缩缝隙值（mm）；
δr—围岩冷缩缝隙值（mm）；
（2）光面管抗外压稳定计算公式：
t=612
式中：t—钢管管壁厚度（mm）
—钢材屈服点（N/mm2）
r—钢管内半径（mm）
整个埋管段的平洞段洞顶120°范围内作回填灌浆处理，回填灌浆外压取为0.3MPa。结合持久、偶然和短暂三种状况，进行主管和支管段抗内压和抗外压稳定计算，在充分考虑了运输、施工吊装、混凝土浇筑时的压力、灌浆压力、外水压力，管道首段还考虑了内水负水锤，经过各种计算分析，主管段采用Q345C钢和国产WDB620高强钢，支管段采用Q345C钢，在确定了管道板厚后、进行抗外压稳定分析，均满足抗外压稳定的管段，进行构造性加劲环形式及布置设计，压力钢管结构计算成果见表。
3.3岔管结构设计
（1）体型选择及设计
岔管体型，初拟1#岔管采用非对称“Y”型内加强月牙肋钢岔管，2#岔管采用 “卜”型内加强月牙肋钢岔管。
其中1#岔管HD值为1105.94m2，分岔角为72度，按明岔管设计，结构计算表明，如果采用Q345C钢板，板厚已高达45mm，根据规范要求，制安存在焊接过程中的预热后热，给制作安装带来很大困难，本阶段决定采用已在多个水电站成功使用的国产WDB620高强钢板制作，其最大壁厚为36mm，肋板厚度为80mm，其板材的最大优点就是制安过程不需要预热后热，既有技术保证，又有较好的经济性。
2#岔管HD值为854.59m2，分岔角为70度，按明岔管设计，结构计算表明，采用Q345C钢板，其最大壁厚为34mm，肋板厚度为80mm。本阶段仍采用国产WDB620高强钢板制作，其最大壁厚为34mm，肋板厚度为80mm。
（2）岔管管壁计算
a、计算方法和公式
钢管结构构件的抗力限值计算公式
=
式中：—结构重要性系数，本工程压力钢管道为3级，取=1；
—设计状况系数，持久状况：=1.0，短暂状况：=0.9，偶然状况：=0.8
—结构系数，采用双面对接焊，焊缝系数为0.95，
正常运行：整体膜应力 =1.6×1.1=1.76
局部膜应力 =1.3×1.1=1.43
局部膜应力+弯曲应力 =1.1×1.1=1.21
f—钢材强度设计值（N/mm2）。
b、岔管处设计内水压（含水锤压力）
本阶段设计内水压（含水锤）按502.7m计。
c、岔管壁厚计算
按膜应力估算的管壁厚度ty1：
ty1=
式中：ty1—按膜应力估算的壁厚(mm)；
p—设计内水压力（N/mm2）；
R—该节管壳计算点到旋转轴的旋转半径（即垂直距离），对于等径管即为钢管半径（mm）；
A—该节钢管的半锥顶角；
—压力钢管结构构件按整体膜应力计的抗力限值（N/mm2）；
按局部应力估算的管壁厚度ty2：
ty2=
式中：ty2—按膜应力估算的壁厚(mm)；
p—设计内水压力（N/mm2）；
R—该节管壳计算点到旋转轴的旋转半径（即垂直距离），对于等径管即为钢管半径（mm）；
A—该节钢管的半锥顶角；
—压力钢管结构构件按整体膜应力计的抗力限值（N/mm2）；
式中：
k2—腰线转折角处应力集中系数边。
d、最终计算选定结果见表。
