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［摘要］恰木薩水電站主要任務是水力發電，采用引水式開發，電站屬于大流量低水頭電站，發電引用流量358m3/s。壓力管道長455m，因管道規模較大，對工程的運行安全及投資影響較大，通過對壓力管道管材比選，選擇較優的管材形式。

［關鍵詞］壓力管道；管材比選；結構設計；恰木薩水電站

1工程概況

恰木薩水電站是葉爾羌河下游河道規劃梯級開發中的第2級電站，為徑流式電站，采用引水式開發，開發任務是水力發電。工程主要由攔河引水樞紐（土石壩、泄洪建筑物、引水閘）、輸水建筑物（輸水渠道）、壓力前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。水庫正常引水位1550.0m，校核洪水位1551.30m，相應庫容577萬m3，最大壩高14.5m；主電站發電流量358.0m3/s，前池正常水位1547.334m，發電引水系統為引水明渠，全長11.48km，主電站裝機容量200MW；生態電站發電流量41.2m3/s，生態電站裝機容量3MW。多年平均發電量6.20（5.96+0.24）億kW•h，裝機利用小時數3054h。電站建成后向南疆四地州電網供電，在電力系統基荷運行。根據《防洪標準》及《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，電站裝機容量位于300―50MW之間，由電站裝機容量確定恰木薩水電站工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。主要建筑物為3級建筑物（攔河引水樞紐、引水閘、輸水渠道、前池、壓力管道、廠房及渠道排洪建筑物），次要建筑物為4級建筑物（生態電站、泄水陡坡、尾水渠等），臨時建筑物為5級建筑物。本工程的特點是大流量低水頭電站，引水渠道引水流量365m3/s（其中發電引用流量358m3/s），水輪機額定水頭為63.5m，發電引水系統規模較大。

2工程地質

2.1基本地質條件

發電引水渠道、壓力前池、壓力管道及廠房均位于葉尓羌河左岸沖洪積平原區，引水線路沿線地形起伏不大，發育有大小沖溝上百條，切割深度一般5―15m，個別深達25m。引水發電建筑物區均為大厚度第四系地層，主要為下更新統西域組礫巖（Q1x）及沖洪積物。（1）第四系下更新統西域組（Q1x）巖性為西域礫巖，局部夾薄層砂巖及砂質泥巖透鏡體，層理不明顯，以泥鈣質膠結為主，屬軟巖。（2）第四系堆積物（Q）①第四系中更新統沖積物（Q2al）：巖性為沖積砂卵礫石，具弱-微膠結，膠結不均一，局部缺細粒充填，呈架空結構。②第四系上更新統～全新統沖、洪積物（Q3al+pl）：巖性以砂礫石為主，局部夾薄層低液限粉土及透鏡體，結構密實。③第四系全新統-上更新統洪積物（Q3-4pl）：巖性以含礫（砂）低液限粉土為主，局部夾含土砂礫石及透鏡體，結構中密。④第四系全新統沖積物（Q4al）：分布于現代河床、河漫灘及Ⅰ級階地，巖性為含漂石砂卵礫石層，夾砂層透鏡體。⑤第四系全新統沖洪積物（Q4pl）：主要分布于沖溝底，巖性為含土砂礫石，局部夾厚度約0.5―1.0m含礫（砂）低液限粉土透鏡體。（3）地質構造發電引水系統沿線及廠房出露區為大厚度的第四系地層，工程區無區域性斷裂構造分布。

2.2壓力管道地質條件

壓力管道段地形平坦，地面高程1530―1532m，均為大厚度第四系地層，自上至下可分為三層，上部為含礫（砂）低液限粉土層、中部為含土砂礫石層、下部為砂礫石層。地下位低于設計底板高程。樁號0+350m以前段大部分處于含礫（砂）低液限粉土層內，局部為含土砂礫石層。低液限粉土存在濕陷性、高含鹽、腐蝕性等問題，建議采取相應處理措施。樁號0+350m以后段處于砂礫石膠結層或礫巖層內。

2.3地震烈度

根據GB18306-2015《中國地震動峰值加速度區劃圖》(1/400萬)，恰木薩水電站工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.2g，對應的地震基本烈度為Ⅷ度。

3壓力管道布置

主電站為四臺等大機組，壓力管道采用正面進水單機單管布置形式，壓力管道前設有攔污柵、事故檢修閘門，管道從前池沿地面到電站廠房，鋼管垂直進入廠房。因壓力管道較長，采用混凝土管與鋼管結合的方式，低壓段采用混凝土管，高壓段采用鋼管（斜管段）。由于電站處于寒冷地區，并處于地震設計烈度為Ⅷ度的地震區，綜合考慮壓力鋼管穩定及保溫要求，壓力鋼管采用淺埋式鋼內襯外包混凝土結構方式。

4壓力管道材質比選

4.1方案擬定

本工程發電引水流量358m3/s，工程地質條件較為復雜，基礎濕陷性粉土分布不均勻，無規律性，壓力管道運行安全對整個電站的安全至關重要。經過研究分析后，對壓力管道管材擬定兩個方案進行比選。方案一：壓力管道由混凝土管和鋼管組成。低壓段采用混凝土管（樁號0+000―0+290m），管道承受內壓0.2―0.59MPa（包含甩負荷時水擊壓力升高值）。高壓段采用鋼管（樁號0+290―0+451m），管道承受內壓0.59―1.1MPa（包含甩負荷時水擊壓力升高值）。混凝土管長293m、鋼管長162m。混凝土管為鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土承擔全部內壓，管徑5.4m，襯砌厚度0.6m；鋼管采用鋼內襯外包混凝土結構，鋼管承擔全部內壓，管徑5.4m，外包混凝土厚度0.5m。方案二：壓力管道全部采用鋼管，管道承受內壓0.2―0.59MPa（包含甩負荷時水擊壓力升高值）。鋼管長455m，鋼管管徑5.4m，外包混凝土厚度0.5m。

4.2方案一

壓力管道布置壓力管道共4根，由混凝土管和鋼管組成，管徑均為5.4m，其中混凝土管長293m、鋼管長162m。進口中心高程為1534.70m，出口中心高程1475.20m，由斜管段、轉彎段及下平管段組成，斜管段坡度為1∶5.6、1:40、1:3，每根管道4個豎向轉彎段，轉彎半徑均為20m，斜管傾角為10.1°、8.7°、17°、18.4°。樁號0+000―0+290m段為混凝土管段，混凝土管管內徑5.4m，襯砌厚度為0.6m。樁號0+290―0+451m段為鋼管段，壓力鋼管采用鋼內襯外包混凝土結構，管內徑5.4m，外包混凝土厚0.5m，引四條鋼管垂直進副廠房與機組相接。鋼管厚度隨壓力分段變化，鋼管采用Q345C制作，管壁厚度20―24mm。鋼管內、外壁表面進行防腐處理；鋼管內壁：噴鋅厚度160μm，并在鍍層外噴涂一道環氧瀝青防銹漆封閉涂料，表面噴涂環氧瀝青防銹面漆，厚度分別為125、125μm；鋼管外壁：采用無機改性水泥漿防腐，厚度400μm。

4.3方案二

壓力管道布置壓力管道共4根，全部采用鋼管，管徑均為5.4m，管道長455m。管道進口高程、出口高程、轉彎段布置及鋼管防腐材料同方案一。鋼管厚度隨壓力分段變化，鋼管采用Q345C制作，樁號0+000―0+290m段為管壁厚度16mm，樁號0+290―0+451m段管壁厚度20―24mm。

4.4工程量及工程投資對比方案

一與方案二樁號0+290―0+451m段均采用鋼管，方案一樁號0+000―0+290m段為混凝土管，方案二樁號0+000―0+290m段為鋼管，因此只針對壓力管道樁號0+000―0+290m段進行工程量及工程投資對比分析。兩個方案壓力管道土石方開挖及填筑量基本接近，工程投資只考慮混凝土、鋼筋、止水、鋼材等主要工程量的直接費，方案一直接費2721萬元，方案二直接費4788萬元。

4.5方案比選分析

針對壓力管道樁號0+000―0+290m段，對混凝土管和鋼管管材比選，從工期、工程投資、運行安全等方面綜合分析比較。（1）從工期考慮，方案一采用混凝土管施工工期較長，施工工藝較復雜，方案二采用鋼管施工工期較短，施工簡單。（2）從工程量及工程投資上來看，方案一直接費2721萬元，方案二直接費4788萬元，方案一較方案二投資少2066萬元。（3）從工程運行維護方面考慮，方案一和方案二都能滿足安全運行要求。4.5比選結論方案一和方案二都能滿足設計及安全運行要求，方案一較方案二投資少2066萬元，方案一工期較方案二長，但壓力管道不是本工程的控制工期，對工程整體工期影響較小，因此推薦方案二為擬定方案。

5壓力管道設計

壓力管道采用單機單管的單元供水方式，總裝機容量4×50MW，管徑為5.4m，電站額定水頭63.5m。

5.1壓力管道基礎處理

壓力管道基礎濕限性粉土厚度為4―15m，采用換填砂礫石處理。為提高壓力管道基礎的承載力，將壓力管道基礎下的低液限性粉土全部清除，采用砂礫石換填。嚴格控制換填料中粒徑小于0.05mm的土重占總土重的比例不大于6%，以保證換填砂礫料的防凍要求，換填料壓實相對密度Dr≥0.85。

5.2混凝土管設計

混凝土管管徑5.4m，每10m設一道結構縫，結構縫垂直于管道軸線布置。結構縫設兩道止水，一道采用W型銅片止水，一道采用651型（B-P-300×10）橡膠止水帶。嵌縫材料迎水面至止水之間采用聚氨酯砂漿，止水至襯砌外側采用聚乙烯閉孔塑料板。混凝土管段基礎低液限性粉土雖已全部換填，但基礎周圍仍然有粉土，且粉土具有腐蝕性，因此混凝土襯砌采用高抗硫酸鹽水泥。混凝土管結構考慮運行期和檢修期兩種工況，計算荷載組合為：運行期：內水壓力＋外水壓力＋襯砌自重＋回填土壓力+其他外部荷載（如汽車荷載、行人荷載等）；檢修期：外水壓力＋襯砌自重＋回填土壓力（如汽車荷載、行人荷載等）。通過結構力學方法，計算出混凝土管彎矩、軸力、剪力，并進行裂縫寬度控制驗算，根據《鋼筋混凝土結構設計規范》，鋼筋混凝土管處于三類環境，最大裂縫開展寬度限值為0.3mm。經計算，混凝土管管徑5.4m，襯砌厚度0.6m，與縣道公路交叉處襯砌厚度1m。

5.3鋼管設計

鋼管管徑5.4m，采用鋼內襯連續外包混凝土結構，外包混凝土襯砌厚度0.5m。壓力鋼管結構計算按照《水電站壓力鋼管設計規范》進行，管壁厚度除應滿足承載能力的要求外，還應根據制造、運輸、安裝等要求，保證必需的剛度，滿足管壁最小厚度（包括壁厚裕度）的要求。內水壓力全部由鋼管承擔，通過對壓力鋼管壁厚計算、管壁及加勁環抗外壓穩定計算，鋼管采用Q345C鋼材，管壁厚度為20―24mm，加勁環高度200mm，厚度與鋼管壁厚相等，間距2m。

5.4伸縮節設計

壓力管道上段基礎為人工換填砂礫石及天然砂礫石，下段基礎為膠結砂礫石及Q1礫巖，考慮到基礎不均勻沉降，在樁號0+300m處設伸縮節。本工程采用波紋管伸縮節，波紋管伸縮節應保證適應沿管軸向位移±30mm、沿管切向位移±50mm、角向位移量±1度要求，承受內壓0.65MPa。伸縮節段沿管軸向長2m（包括連接鋼管），壓力管道管道內徑5400mm，與之相連接的鋼管材料與壓力管道管壁材質及壁厚相同，采用為Q345C鋼板，壁厚20mm。為滿足運行期檢修條件，根據吊裝、檢修的所需空間要求，設伸縮節檢修井，檢修井底板及邊墻采用現澆鋼筋混凝土結構，結構凈尺寸6.6×8.4×10m（長×寬×高），頂板采用預制混凝土梁。

5.5其他

為保證壓力管道整體穩定性，在水平及豎向轉彎處設鎮墩，鎮墩采用鋼筋混凝土結構，混凝土管段鎮墩鋼筋混凝土還應承擔內水壓力。為滿足防凍要求，壓力管道頂部回填1.5m厚砂礫石，砂礫石回填標準Dr≥0.75。壓力管道永久開挖邊坡與廠房邊坡相連，采用C20預制網格梁支護。考慮到雨水對基礎的影響，壓力管道兩側回填坡腳處設排水溝，并與廠房排水溝相接，將坡面匯水排至尾水渠。考慮到人行方便，在壓力管道左側坡腳處設踏步，與廠區平臺相接。

6結語

恰木薩水電站發電引用流量較大，壓力管道規模較大，地質條件復雜多變，基礎為濕陷性粉土且分布無規律性，壓力管道設計及管材的選取對整個工程的安全及工程投資有較大影響，通過管材比選，選擇采用混凝土管+鋼管的布置形式。

參考文獻：

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[4]鐘秉章．水電站壓力管道、岔管、蝸殼[M]．浙江：浙江大學出版社，1994．

作者：陳剛 單位：新疆水利水電勘測設計研究院