高永輝，張紅梅

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

吉沙水電站總裝機(jī)容量為120 MW （2×60 MW），電站額定水頭485.00 m，單機(jī)發(fā)電流量14.37 m3/s，機(jī)組安裝高程2588.5 m，采用引水式開發(fā)，水庫(kù)正常蓄水位3132 m，死水位3123 m，汛限水位3126 m，高壓管道建筑物級(jí)別為3級(jí)。

高壓管道位于調(diào)壓井至廠房之間，由1條高壓主管、岔管和2條高壓支管組成，總長(zhǎng)度為1054 m，采用平段與斜井結(jié)合布置型式，由上平段、斜井、兩個(gè)中平段及下平段組成。其中，上平段走向與引水隧洞相同，為N320.75°W，斜井、中平段及下平段方向與廠房軸線垂直，為NE36.152°，經(jīng)高壓支管垂直進(jìn)廠。

1 高壓管道敷設(shè)方式選擇

引水高壓管道高差約470 m，距高比1.62，具備明管敷設(shè)和地下埋管敷設(shè)的可能性。

1.1 明管敷設(shè)方式

明管管徑取值經(jīng)分析比較，上部管徑2.4 m，下部管徑2.2 m，流速分別為6.20、7.38 m/s。

明管方案對(duì)兩條管道線路進(jìn)行了比較:正向方案，線路通過下陡崖沿山坡正向引進(jìn)廠房，管線平面長(zhǎng)約730 m；斜向方案，線路不通過下陡崖，上部管線與廠房斜交，下部平面轉(zhuǎn)彎垂直進(jìn)廠，管線平面長(zhǎng)約970.7 m。

（1）正向方案:①管線長(zhǎng)度比斜向方案短約237 m，引水隧洞長(zhǎng)約414 m；②基本避免了上部陡明管安全；③管線通過下部陡崖區(qū)，管線坡度1∶0.7，鎮(zhèn)、支墩設(shè)置難度較大，穩(wěn)定性也較差，若此段管線坡度放緩為1∶1，則石方開挖量將增大；④設(shè)置在陡崖區(qū)的高壓管道運(yùn)行巡視、檢修較為困難；⑤投資較少。

（2）斜向方案:①管線長(zhǎng)度比正向方案長(zhǎng)約237 m，引水隧洞長(zhǎng)約414 m；②未避免上部陡崖，卸荷張拉可能導(dǎo)致塊石崩塌，危及明管安全；③管線避開了下部陡崖區(qū)，便于工程布置；④投資較多，能量損失較大，調(diào)壓井涌浪較高。

經(jīng)過綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，明管敷設(shè)方式管線采用正向方案。

1.2 地下埋管敷設(shè)方式

地下埋管大部分為暗挖，為方便施工，管徑取值比明管大，上部管徑2.6 m，下部管徑2.3 m，流速分別為5.28、6.75 m/s。

地下埋管方案平面上采用正向方案，即壓力管線與廠房軸線垂直布置。地下埋管方案主要進(jìn)行了管線縱剖面比選，比較了3個(gè)方案:方案一，豎井方案；方案二，1條中平段的斜井方案；方案三，2條中平段的斜井方案。

（1）豎井方案:①管線長(zhǎng)度最長(zhǎng)，比1條中平段斜井方案長(zhǎng)約233.0 m，土建工程量最大；②下平段比1條中平段斜井方案長(zhǎng)約185 m，下平段內(nèi)水壓力最大，管壁較厚，圍巖主要為板巖，圍巖分擔(dān)受力較灰?guī)r低，所以鋼材用量較多；③投資最多。

（2）斜井方案。斜井方案包括1條中平段方案和2條中平段方案，兩方案布置形式基本相同。①兩方案上、下斜井傾角相同，分別為60°、50°。②根據(jù)剖面地形條件，1條中平段方案中平段高程2800.00 m，2條中平段方案上中平段高程2805.00 m，所以兩方案上部結(jié)構(gòu)基本相同；1條中平段方案下平段長(zhǎng)273.8 m，為了減小下平段的長(zhǎng)度，將1條中平段方案下斜井分為兩段，在2710.00 m高程再設(shè)1條下中平段，長(zhǎng)約100 m。③從工程量計(jì)算，1條中平段方案下平段管徑2.3 m，2條中平段方案將100 m下平段管徑改為2.6 m，雖然這此管段的內(nèi)水壓力小了，但鋼材用量基本一樣，而土建工程2條中平段方案大于1條中平段方案。④從施工道路布置上看，2條中平段方案要比1條中平段方案增加長(zhǎng)約2 km的公路和1條長(zhǎng)約300 m的施工支洞，臨建工程量較1條中平段方案多。

經(jīng)過綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，1條中平段斜井方案優(yōu)于其他兩方案。

1.3 敷設(shè)方式比選

對(duì)明管和地下埋管管線方案從水頭損失、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工等方面進(jìn)行比選，具體如下:

（1）水頭損失。2臺(tái)機(jī)發(fā)電明管方案為15.66 m，地下埋管方案為11.46 m，明管方案管徑小，流速大，水頭損失大于埋管方案。

（2）工程造價(jià)。地下埋管方案主要項(xiàng)目造價(jià)約為2768.76萬元，明管方案主要項(xiàng)目造價(jià)約為5579.64萬元，明管方案比地下埋管方案高，主要是由明管方案開挖量和鋼襯量較大所致。其中，由于高陡邊坡明管敷設(shè)太陡，不便施工，而放緩坡度又導(dǎo)致要削掉約100 m高的邊坡，所以大大增加了開挖量。

（3）抗震性能。本電站處于地震高發(fā)區(qū)，設(shè)計(jì)地震烈度高達(dá)Ⅷ度，根據(jù)DL 5073—2000 《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外震害資料，地下結(jié)構(gòu)的震害比地面結(jié)構(gòu)輕?；鶐r面下50 m的壓力鋼管可以較好的降低抗震要求，減少工程量，保證結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性。

（4）施工管理方面。地下埋管敷設(shè)方式，便于統(tǒng)一施工和管理，而明管敷設(shè)方式，增加了施工和管理的復(fù)雜性。

（5）運(yùn)行期管理方面。地下埋管敷設(shè)方式，運(yùn)行期安全度高，便于運(yùn)行期統(tǒng)一管理。

綜合上所述，電站高壓管道敷設(shè)方式推薦采用埋管敷設(shè)斜井方案。

2 地下壓力鋼管設(shè)計(jì)比選

吉沙水電站高壓管道，除長(zhǎng)23.53 m的上平段采用鋼筋混凝土襯砌外，其他高壓管道段均采用鋼板內(nèi)襯。高壓管道鋼管內(nèi)襯段全長(zhǎng)915.917 m，分別為:①上斜井段傾角60°，長(zhǎng)281.316 m，洞室圍巖為結(jié)晶灰?guī)r，承受最大內(nèi)水壓力為3.894 MPa；②中平段長(zhǎng)97.412 m，承受最大內(nèi)水壓力為3.984 MPa，洞室圍巖為結(jié)晶灰?guī)r；③下斜井段傾角50°，長(zhǎng)262.104 m，洞室圍巖大部為結(jié)晶灰?guī)r，其下部2655 m高程以下，圍巖為砂 （泥）質(zhì)板巖，承受最大內(nèi)水壓力為6.458 MPa；④下平段長(zhǎng)275.085 m，承受最大內(nèi)水壓力為6.522 MPa，洞室圍巖為砂（泥）質(zhì)板巖。

2.1 壓力鋼管設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

隨著設(shè)計(jì)階段和地質(zhì)勘探工作的深入，對(duì)本電站壓力鋼管設(shè)計(jì)的具體邊界條件有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。結(jié)合可研階段專家建議，在不改變前期設(shè)計(jì)階段選定的高壓管道的管徑、管線的布置和敷設(shè)方式的條件下，為減少施工難度，增加施工質(zhì)量可靠度，減少工序，加快高壓管道施工進(jìn)度，從壓力鋼管結(jié)構(gòu)和壓力鋼管斜井傾角兩個(gè)方面對(duì)壓力鋼管設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

2.2 壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

壓力鋼管埋于地下，覆蓋圍巖厚度大于6倍壓力鋼管開挖半徑。壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要比較以下3種不同方案:①方案1，鋼管與圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力；②方案2，鋼管單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力，鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR按地下埋管取值；③方案3，鋼管單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力，鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR按明管取值。

3種方案的計(jì)算條件不同，計(jì)算出鋼襯的厚度也各不相同，具體如下:①方案1，壓力鋼管按埋管計(jì)算，鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR按地下埋管取值。在斜井結(jié)晶灰?guī)r段考慮內(nèi)水壓力由鋼板、圍巖共同承擔(dān)，需進(jìn)行固結(jié)灌漿；中平段考慮到混凝土澆筑較難密實(shí)，下平段為砂質(zhì)板巖，單位抗力較小，所以中平段和下平段按埋管計(jì)算，內(nèi)水壓力由鋼板單獨(dú)承擔(dān)，不做固結(jié)灌漿，進(jìn)行回填灌漿。②方案2，壓力鋼管按埋管計(jì)算，鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR按地下埋管取值，全部管道不考慮圍巖分擔(dān)，內(nèi)水壓力由鋼板單獨(dú)承擔(dān)，不進(jìn)行固結(jié)灌漿，簡(jiǎn)化施工；中平段和下平段進(jìn)行回填灌漿。為保持圍巖的整體性和完整性，在鋼襯段與混凝土襯砌段交接處、斷層破碎帶段及隧洞出口段進(jìn)行固結(jié)灌漿。③方案3，壓力鋼管按明管計(jì)算，鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR按明管取值，不進(jìn)行固結(jié)灌漿和回填灌漿，簡(jiǎn)化施工；局部為保持圍巖的整體性和完整性，在斷層破碎帶段及隧洞出口段進(jìn)行固結(jié)灌漿。

2.2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

（1）方案1:按埋管計(jì)算，僅在斜井結(jié)晶灰?guī)r段考慮內(nèi)水壓力由鋼板、圍巖共同承擔(dān)，鋼襯厚度

（2）方案2:按埋管計(jì)算，全部管道內(nèi)水壓力由鋼板單獨(dú)承擔(dān)，在圍巖較差和出口洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿，平洞段進(jìn)行回填灌漿。其鋼襯厚度

（3）方案3:按明管計(jì)算，僅在圍巖較差和出口洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿，平洞段取消回填灌漿。其鋼襯厚度

式（1）～（3）中， t為鋼管管壁厚度， mm； P為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2；r為鋼管內(nèi)半徑，mm；σR為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉力限值,N/mm2；K0為圍巖單位抗力系數(shù)，N/mm3；δ2為縫隙，mm；Es2為平均應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2。

2.2.2 工程量

各方案不同部分的工程量見表1。

2.2.3 方案比較

2.2.3.1 水工布置及工程量比較

（1）方案1。經(jīng)內(nèi)壓和外壓穩(wěn)定計(jì)算，其中上斜井2980 m高程以上約82 m長(zhǎng)管段鋼管壁厚由外水壓力控制，無圍巖分擔(dān)，內(nèi)水壓力由鋼管完全承擔(dān)；約199 m長(zhǎng)管段內(nèi)水壓力由鋼管和圍巖共同承擔(dān)。下斜井下部2635 m高程以下約80 m長(zhǎng)管段為巖層交結(jié)面，而且存在斷層，圍巖類別屬Ⅳ～Ⅴ，單位抗力較小，不考慮圍巖分擔(dān)外力；約190 m長(zhǎng)管段內(nèi)水壓力由鋼管和圍巖共同承擔(dān)。綜合計(jì)算有約390 m長(zhǎng)段考慮了圍巖分擔(dān)外力，約占總長(zhǎng)的42%。

（2）方案2。全部管道不考慮圍巖分擔(dān)外力，鋼板用量略大，僅保留部分固結(jié)灌漿，灌漿量較小，施工方便；從永久安全考慮，壓力鋼管沿線沒有布置鉆孔，且該段位于崩坡體上，利用該段的覆蓋層厚度而不考慮圍巖分擔(dān)外力，是安全而又合理的，與方案1比較，不考慮圍巖分擔(dān)外力管段僅多390 m，鋼材增加約105 t，固結(jié)灌漿減少約1100 m。建議采用此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

（3）方案3。鋼管壁厚全部由內(nèi)水壓力控制。與方案2比鋼材增加約418 t，固結(jié)灌漿增加約267 m。從壓力鋼管布置上看，覆蓋層厚度滿足埋管要求，圍巖較好，大部分為Ⅱ～Ⅲ類，局部為Ⅳ～Ⅴ類，按明管計(jì)算不能發(fā)揮圍巖和鋼材的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殇摬陌疵鞴苡?jì)算的抗力限值小于埋管計(jì)算的抗力限值，明管計(jì)算鋼襯厚度較大，造價(jià)高，鋼管的制作安裝難度大，此種方案偏于保守。

2.2.3.2 施工條件分析

方案1的固結(jié)灌漿量較大，且進(jìn)度要求鋼管安裝和混凝土回填平行作業(yè)，相互之間干擾較大，施工條件較差，增加了一定的施工難度，但可通過改進(jìn)施工工藝加以解決 （與方案2和方案3相比，需增加一些施工工藝費(fèi)用）。方案2和方案3由于大部分或全部取消了固結(jié)灌漿，避免了固結(jié)灌漿與鋼襯安裝和混凝土回填等工序之間的相互干擾，施工條件較好，減少了施工難度。

圖1 最終調(diào)整的布置方案

從施工進(jìn)度上講，取消固結(jié)灌漿工序可以節(jié)省施工工期。但由于通過施工工藝的調(diào)整，固結(jié)灌漿與鋼管安裝和混凝土回填等工序平行安排施工，其占用直線工期較少；而取消固結(jié)灌漿使得高壓鋼管管壁加厚，也相應(yīng)增加了鋼管安裝的壓縫、環(huán)縫焊接等工序的工期，且占用高壓管道的直線工期。但無論采用何種方案，從目前采用的施工總進(jìn)度安排上看，均可滿足施工總工期的目標(biāo)要求。

2.2.3.3 優(yōu)化結(jié)論

綜合考慮以上分析，為方便施工，節(jié)省工期，推薦采用方案2，即埋管不考慮圍巖分擔(dān)外力方案。

2.3 壓力鋼管斜井傾角設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

前期設(shè)計(jì)壓力鋼管上斜井段長(zhǎng)281.316 m，傾角60°；下斜井段長(zhǎng)262.104 m，傾角50°。調(diào)研分析表明，對(duì)于爬罐施工法及反井鉆施工法，傾角50°的斜井開挖施工難度均較大，開挖洞線誤差較難控制。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程先例，傾角60°～90°的斜井比較便于爬罐法施工及反井鉆法施工。為此，設(shè)計(jì)分析比較了斜井傾角為60°和90°兩個(gè)方案，其中90°豎井方案最便于施工，但壓力鋼管長(zhǎng)度也由此增加近300 m，投資增加較多。將下斜井段傾角調(diào)整為60°，對(duì)工程量影響不大，因此推薦采用傾角60°斜井方案。

2.4 小 結(jié)

分析論證確定，調(diào)整后的壓力鋼管布置形式仍采用平段與斜井結(jié)合布置形式，由上平段、上斜井、中平段、下斜井及下平段組成，上下斜井均按60°角度布置，鋼管按埋管設(shè)計(jì)，鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR按地下埋管取值，全部管道受力，內(nèi)水壓力由鋼板單獨(dú)承擔(dān)，不進(jìn)行固結(jié)灌漿，中平段和下平段進(jìn)行回填灌漿。為保持圍巖的整體性和完整性，在鋼襯段與混凝土襯砌段交接處、斷層破碎帶段及隧洞出口段進(jìn)行固結(jié)灌漿。

3 壓力管道施工設(shè)計(jì)調(diào)整

開工后，因受征地拆遷等眾多因素制約和影響，施工進(jìn)度已嚴(yán)重滯后，為加快施工進(jìn)度，保證發(fā)電工期，重新調(diào)整了施工支洞的位置，增開進(jìn)洞作業(yè)面，設(shè)計(jì)從水頭損失增加、主體工程量增加到臨建工程量增加和施工進(jìn)度安排等方面進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核比較，經(jīng)業(yè)主審議，同意了施工單位提出的增加1條中平段方案，設(shè)計(jì)對(duì)施工詳圖進(jìn)行了修改，其最終高壓管道布置施工詳圖 （見圖1）。

原設(shè)計(jì)高壓管道壓力鋼管埋管段采用16MnR鋼材，由于采購(gòu)困難，設(shè)計(jì)研究了用Q345D代替16MnR鋼材的可行性。最終，設(shè)計(jì)認(rèn)為該方案可行，并根據(jù)Q345D的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值重新計(jì)算了各段所需的鋼襯厚度和鋼板規(guī)格尺寸。