2024年1月12日发(作者：)

36张利平，朱颖儒.某水电站工程深埋式压力钢管结构设计文章编号：1006—2610

(2017)

05—0036—03某水电站工程深埋式压力钢管结构设计张利平，朱颖儒(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)摘要：某水电站布置5条埋藏式压力钢管，文章基于ASCE

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Engineering

Practice

No. 79

《Steel

Penstocks》（Second

Edition,2012)规范对该水电站压力钢管设计进行了总结，包括结构设计及灌楽排水设计

等。通过计算，钢管壁厚满足钢管抗内水、外水压力稳定要求。关键词:压力钢管;结构设计;壁厚;灌浆中图分类号:TV732. 41

文献标志码：A

DOI

：

10. 3969/j.

issn. 1006-2610. 2017. 05. 009Structural

Design

of

Deeply

Embedded

Penstock

of

A

Hydropower

ProjectZHANG

Liping,

ZHU

Yingru(Northwest

Engineering

Corporation

Limited，Xi'an 710065，China)Abstract

：

Five

penstocks

deeply

embedded

are

designed

for

one

hydropower

project.

Based

on

ASCE

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Practice

No. 79《Steel

Penstocks》(Second

Edition, 2012)，design

of

the

deeply

embedded

penstocks

is

analyzed

and

concluded

including

structural

design

and

grouting &

drainage

design.

Through

calculation，the

wall

thickness

of

the

penstock

satisfies

requirements

on

stabili­ty

of

the

penstock

against

internal

and

external

hydraulic

words

：

penstock

；

structural

design

；

wall

thickness

；

grouting1工程概况某水电站为混合式电站，工程主要任务是发电。

22.1结构设计钢材选择该水电站正常运行水头206. 30

m,水睡压力时 水库正常运行水位（F.

S.

L.)为579.00

m,相应库容

为 82.96xl06

m3,最低运行水位（M.

O.

L)为 530. 00

m,相应的调节库容为61.20x

106

m3;电站总装机容

为386. 30

m,考虑到运行水头及满足业主要求的前

提下，选择Q345D钢材，其强度指标见表1。表1

钢材牌号量750

MW(5xl50

MW),多年平均净电量2 439

GWh,年利用小时3 653

h。Q345D强度特性表屈服强度滓s

该电站引水系统主要建筑物包括进水口、引水

隧洞、调压室和压力管道。压力管道主要由5条直

径均为4.

8〜4.1

m的圆形管道组成。压力管道钢

衬段、外包混凝土厚度为0.6

m,5条压力钢管布置

相同，上部覆盖岩层厚度60〜260

m,大部分属芋类

围岩，出口段局部为郁类围岩，其布置见图1。2.22.2.1Q345-D设计准则/mm臆16>16〜35>35〜50厚度t/(N • m-2)345325295抗拉强度滓6

/(N • m-2)470荷载及荷载组合根据

ASCE

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No. 79《Steel

Penstocks》(Second

Edition，2012)，计算荷载包括内水压力、地下水压力、灌浆

收稿日期:2017-04-01作者简介：张利平（1984-),女，山东省临沂市人，工程师，从事

水电站水工设计工作.压力和管道放空时通气设备造成的气压差等[1-3]。

压力钢管荷载及工况组合见表2。

西北水电• 2017年•第5期37图1表2工况 荷载pn2压力钢管纵剖面图

单位:r荷载及工况组合表pl3pl32.3钢管壁厚根据

Civil Engineering Guidelines for Planning

正常运行工况1检修工况

施工工况

2

3PC3(内水压力）(外水压力）(真空负压）(灌浆压力）姨and Designing Hydroelectric Developments，Volume 2,Waterways[2]规定:姨姨姨当钢管以上岩石覆盖由厚度等于

若干倍隧洞开挖直径、完整的块状岩石构成时，如果

按厚壁圆筒应力公式计算（如图2所示），距表面10

m内水压力包括最大静水头加上电站运行弃荷引

起的水锤和涌浪;根据工程合同要求，外水压力水头

取地下水位线所在的高程减去压力钢管中心线高

程;管道放空后产生的最大真空负压取0.1

浆压力取接触灌浆压力0.3

2.2.2MPa。MPa;灌

深处的岩石应力小于由重力和泊松效应在该点产

生的相互作用力时，可假设围岩承担部分内压荷载。

否则，按照钢管单独承担内水压力处理。当钢管与围岩共同承担内水压力时，根据文献[1]运输和吊装所需最小壁厚.2中6.1的规定，钢衬所能承受的压力与总内压

根据文献[1]中4. 1. 1的规定，为了保证运

SBR)的

力之比可按弹性分析法来确定，以给定管壁厚度下

计算出的环向应力不大于容许应力为标准，其中环向应力滓=f，其中，p为由钢衬所承担的压力。输和吊装所需的压力钢管的最小厚度，可用太平洋

电气公司（PG&E)的公式或美国垦务局（U公式进行计算。(1)太平洋电气公司的公式D288(2)(1)美国垦务局的公式D + 20

t = 400(2)式中:t为最小结构厚度，in ( 1

D为压力钢管直径，in。in = 25. 4 mm,下同）；2.2.3

屈曲稳定安全系数.5.5根据文献[1]中3全系数为2.4。的规定，隧洞钢衬排空

.5,时的屈曲稳定安全系数为1明管的屈曲稳定安

38张利平，朱颖儒.某水电站工程深埋式压力钢管结构设计当钢管单独承担内水压力时,t=KSKS,如此即可确定内压作用下的管壁厚度。2.4钢管抗外压稳定设置加劲环管段，管壁抗外压稳定分析采用文献

[1]规定的米塞斯公式计算。对于钢衬起始前200

m

管段，由于外水压力较大，加劲环间距采用1

m,之后

管段按光面管设计。根据规范要求验算加劲环间管

壁及加劲环自身抗外压稳定，均满足规范要求。利用

置加劲环已可满足稳定要求，因此，压力钢管的排水

设计主要考虑为避免压力钢管因钢筋混凝土衬砌段

内水外渗而发生失稳[9-12]。本工程采取以下2种措

施处理:①高压钢衬起始端设深层帷幕灌浆，安装

钢管前进行。钻孔深人围岩20

m,排距2

m,每排

12孔，共2排，梅花形布孔，灌浆压力通过试验确

定。②在首节钢管前端设置2道阻水环，环高300

mm, 环厚 40

mm, 间距 500

mm。阿姆斯特兹公式对光面管进行抗外压稳定计算。根据计算结果，压力钢管壁厚最终确定为26〜

52

mm,计算需要布置加劲环管段加劲环间距为1

m,

厚度分别为28

mm和40

mm,对应高度为250

mm和

300

mm。其余计算无需布置加劲环管段，按构造要

求每10

m布置1个28

mmx250

mm的加劲环。3灌浆及排水设计3.1灌浆设计3.1.1 固结灌浆对压力钢管段围岩进行全程系统的固结灌浆以

期改善洞周围岩的完整性和均勻性[4-6]，提高围岩

的承载能力，降低围岩的透水性。固结灌浆应在回

填灌浆结束7 ~14

d后进行,灌浆方法采用逐步加

密法，采用循环式灌浆。固结灌浆的孔深和压力应

由灌浆试验确定。间排距为2 ~3m,对称布置。3.1.2 回填灌浆回填灌浆范围为洞顶120。，排距和孔距为2. 5

m。回填灌浆孔可结合固结灌浆孔布置。为了钻透

衬砌层,确保回填灌浆的质量，灌浆孔应深人围岩

10

cm。回填灌浆工作，应在衬砌混凝土达到70%

设计强度后尽早进行。回填灌浆必须按分序加密的

原则进行,应分两序施工，各序灌浆的间隔时间不得

少于48

h。灌浆压力为0.3

MPa。3.1.3接触灌浆对钢板与混凝土衬砌之间的缝隙，必须考虑接

触灌浆回填密实，才能充分发挥其承载作用,改善衬

砌的受力条件[7-8]。接触灌浆范围为底部120毅，接

触灌浆孔可与固结灌浆孔结合布置,接触灌浆压力

取0.3

MPa,灌浆结束后可采用声波回波法结合锤

击法检查灌浆质量。3.2排水设计由于压力钢管洞内按地下埋管设计，出口段按

明管设计，埋管段管壁厚度受外水压力控制,通过设4防锈措施为提高钢板的防锈和抗磨能力，钢板除按业主

合同要求的增加2

mm锈蚀厚度外,钢管外表面应

涂含有高效防腐剂的波特兰水泥涂料。5结语该水电站压力钢管依据美国标准[11]进行设计,

根据围岩覆盖厚度判断围岩钢管联合承载或钢管单

独承载,通过计算分析得出的钢管壁厚满足钢管抗

内水、外水压力稳定要求。值得一提的是，美国标准

计算荷载时并未考虑荷载分项系数,这点与中国标

准存在差异。对厂内明管段,应采取与蜗壳允许应

力相同标准进行设计,在钢管满足承载能力要求前

提下，施工中应注意增加临时性内支撑[5],以避免

施工期钢管发生变形。参考文献：[1 ]

ASCE

Manuals

and

Reports

on

Engineering

Practice

No. 79《Steel

Penstocks》[S].

Second

Edition, 2012.[2]

Civil

Engineering

Guidelines

for

Planning

and

Designing

Hydroe­lectric

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Z].

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