高水头水电站埋藏式压力钢管设计综述

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1、2014年第33卷第3期·DWRHE水利水电工程设计高水头水电站埋藏式压力钢管设计综述张忠辉林德金彭小川摘要埋藏式压力钢管在水电工程设计中很少采用，属于一种先进的设计方法。这种设计理念不但环保，还充分利用钢管与回填土之间的摩擦力，保持钢管的稳定，利用钢管整体柔性的特点，便于钢管协调变形。通过工程实践，论述了埋藏式压力钢管的结构、受力分析、安装等，为高水头水电站的压力钢管设计提供了更多的方法，开拓了设计思路，有值得借鉴的意义。关键词高水头埋藏式凿力钢管回填结构分析中图分类号TV34文献标识码B文章编号1007—6980(2014)03—0

2、001—03回填管管顶填土达到一定深度后、受外界温1工程概况度的影响减弱，钢管沿线除了布置少量的镇墩外，斐济某水电站工程为高水头冲击式机组，安无需布置伸缩节及支墩，具有明显的经济优势；装2台五喷嘴垂直冲击式水轮发电机组，最大设同时．回填土石后管道沿线地表能够很好地恢复计水头397．46m。输水系统包括引水隧洞及压力植被。有利于生态环境的保护。钢管，引水流量15mfs。其中压力钢管总长约回填式埋管以其经济性、适应性、保护生态l460m，管径为2．25m，最大静水头347m，最环境性而得到重视，有发展之势。随着我国对水大设计水头397．46

3、m。电工程环境保护的日益重视，回填管的应用机会按照当地环保部门的要求．管线布置不得对环将越来越多。回填管一方面既可保护生态环境，境和植被产生大的破坏，需采用回填式布置。为最又明显降低工程造价，加快施工进度，因此具有大限度地减小管线的纵向坡度．使进场交通便利，较大的推广价值。管线沿冲沟的坡面布置，全长l460m的管道，仅3埋藏式压力钢管的设计思路引水隧洞出口阀下游20m的起始段为明管，其余部位均为回填管。其中：350m长管线纵坡为27。，埋藏式压力钢管的设计思路为：(1)根据压力170m长管线纵坡为16。，140m长管线纵坡为钢管沿线作用

4、水头的大小，分别采用高强钢18o．其余管段纵坡均为小于15。的缓坡。管轴垂(A517)及低强度合金钢(A5l6)两种不同钢材，以直、水平转弯半径均为6．75ITI，按3倍洞径考虑。便达到减小钢管厚度，降低钢管安装、焊接施工难度的目的；(2)研究取消靠近厂房的镇墩的可行2埋藏式压力钢管的设计现状性。保证压力钢管的布置安全性、经济性及可靠性。回填式埋管一般应用于输油、输气管道，而采用SAP2000的壳单元进行钢管在内水压力、应用于水电工程压力钢管，在国内尚无先例。在自重及填土等荷载作用下的环向应力及变形分析，国际上也仅有数例。传统的埋藏式压

5、力钢管布置以保证压力钢管的环向应力及变形满足规范要求。一般在转弯处需要设置镇墩来抵抗不平衡水推力，采用AutoPIPE压力管道结构分析软件，整体直管段长度超过150m时按构造需要设置混凝土分析钢管在埋土中的受力，以及钢管在埋土中的镇墩．镇墩间或镇墩下游侧一般设置伸缩节抵消变形协调及稳定状态。温度作用的影响。与传统的埋藏式压力钢管相比，4回填管布置回填式埋管取消了钢管外包混凝土及支墩等结构，而直接用级配骨料回填、压实，整个压力钢管相为最大限度地减小管线的纵向坡度，使进场当于一个柔性埋管结构。通过压力钢管外包一定交通便利，管线沿冲沟的坡面布

6、置，全长1460m厚度的传力层。将钢管的受力均匀传给周边的回的管道垂直、水平的折点共有22个，转折角3。～填土上。形成完整的、复杂的受力结构。62。，管轴垂直、水平转弯半径为6．75m。回填管·2·水利水电工程设计DWRHE·2014年第33卷第3期管顶填土最小厚度为1．6m，受外界温度的影响减6回填管结构计算荷载及其组合弱，钢管沿线不设伸缩节，与传统的埋藏式钢管布置相比，回填管具有明显的经济优势；同时，埋藏式压力钢管受力比较复杂，荷载种类较回填土石后管道沿线地表能够很好地恢复植被，多，因此存在多种荷载组合。荷载及荷载组合见有利于生态环

7、境的保护。表1、2。为尽量减小钢管的壁厚．降低施工难度．压表1计算荷载力钢管沿线采用高、低强度两种不同的钢材．其中中间镇墩下游侧到厂房段钢管作用水头大，采用A517高强度压力容器钢，其余段采用A516低强度钢，这样既保证压力钢管的结构安全性、经济性，同时也极大地降低了钢管的安装、焊接施工难度5回填管横截面设计压力钢管敷设在开挖出的沟槽内，土质边坡的开挖坡度为1：1，当沿线遇到高于设计沟底高程的岩体，需挖除至设计高程。岩质边坡的开挖坡度为1：0．5；沟底底宽为3．6m。以满足管侧腔回填施工条件压力钢管沟槽开挖后，浇筑100mm厚的混凝土垫

8、层护底：压力钢管管底垫层为强透水性的级配碎石垫层．最小厚度为200mm；管周回填料为级配碎石，管顶最薄处厚400mm，宽1．5m，管侧级配碎石回填坡度为1：1．管周回填的级配碎石层应能均匀地把压力钢管的受力