石江琳

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆石河子832000）

活斷層附近高水頭壓力管道設(shè)計(jì)方案研究

石江琳

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆石河子832000）

新龍口電站水頭321m，壓力管道處于活斷層影響范圍內(nèi)，本文分別從管材、布置、管徑層次進(jìn)行比選，每個(gè)層次又通過(guò)不同方案進(jìn)行比選，根據(jù)不同的方案優(yōu)勢(shì)，最終選定可行方案。

活斷層附近；引水式電站；高水頭壓力管道；方案比較；伸縮節(jié)

1 工程概況

新龍口電站引水渠首位于G217國(guó)道603.5km處，距上游將軍廟水文站約3.3km。發(fā)電廠房位于新龍口渠首下游約1.5km的河道右岸，電站廠房距奎屯市約46km，有砂石路與G217國(guó)道相接，交通較為便利。

新龍口電站為引水式電站，工程由引水樞紐、引水隧洞、前池、壓力管道、泄水陡坡、主副廠房等組成。設(shè)計(jì)引水流量50.5m3/s，發(fā)電水頭321.44m，裝機(jī)容量140MW。

根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL5180-2003）的規(guī)定，屬中型Ⅲ等工程，因此，新龍口電站各建筑物級(jí)別按其從屬的不同工程等別分開(kāi)確定。壓力管道為3級(jí)。

2 工程地質(zhì)

由于壓力管坡需穿清水河斷裂（F3）帶，該斷裂破碎帶寬50～100m，上盤(pán)影響帶寬可達(dá)500m，下盤(pán)影響帶寬約300m，電站前池位于上盤(pán)影響帶上，山區(qū)隧洞出口處平洞，上盤(pán)影響帶寬約500m，其對(duì)前池地基穩(wěn)定性影響較大?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖探槽及平洞，斷層破碎帶巖性主要為碎裂巖（母巖為凝灰質(zhì)礫巖）和斷層泥（母巖為第三系泥巖），碎裂巖多呈黃色、灰綠色，松散，風(fēng)化強(qiáng)烈，不適宜直接作為建筑地基；斷層泥顏色差異大，主要為紅色、黑色，受擠壓作用影響形成片狀，硬塑狀態(tài)，斷層泥遇水會(huì)發(fā)生一定的軟化，其壓縮性大，不適宜作為建筑物地基，由于該斷裂為區(qū)域性斷裂，在多期次的活動(dòng)中地表表現(xiàn)差異性大，其延伸方向及斷層破碎帶物質(zhì)極為復(fù)雜，考慮其活動(dòng)性時(shí)壓力鋼管需采取避讓或其他措施，以減小差異沉降。

斷層破碎帶土質(zhì)不均，壓縮性大，不適宜作為建筑地基，需采取一定處理措施。建議破碎帶開(kāi)挖邊坡臨時(shí)1∶1.5，永久1∶1.75，高度大于10m需設(shè)馬道和加固措施。

壓力管坡及泄水陡坡需穿越全新統(tǒng)坡積層、西域礫巖和上新統(tǒng)昌吉河組礫巖夾泥巖，建議坡積層開(kāi)挖邊坡臨時(shí)1∶1.25，永久1∶1.5，西域礫巖開(kāi)挖邊坡臨時(shí)1∶1.0，永久1∶1.25；礫巖夾泥巖開(kāi)挖邊坡臨時(shí)1∶1.0，永久1∶1.25，邊坡高度超過(guò)10m時(shí)需設(shè)馬道和加固措施。電站廠房處地下水埋深1～2m，基礎(chǔ)設(shè)于水位以下時(shí)需考慮降排水措施，砂礫石層水下開(kāi)挖邊坡臨時(shí)1∶1.5，永久1∶1.75，高度大于10m邊坡需設(shè)馬道。

3 壓力管道設(shè)計(jì)

（1）管材的比選。本工程壓力管道較長(zhǎng)，壓力管道工程量對(duì)總投資影響較大。為了盡量降低投資，就必須要考慮采用最為經(jīng)濟(jì)的管材；可供進(jìn)行比選的管材分別為鋼管、鋼筋混凝土管、鋼管外包混凝土、PCCP管等。PCCP管可承受高的內(nèi)壓和外部荷載，對(duì)地基適應(yīng)性好，且耐腐蝕性強(qiáng)，在引水工程及輸水工程上已得到了廣泛的應(yīng)用，采用PCCP管替代部分壓力鋼管，可降低工程造價(jià)。經(jīng)過(guò)多方面的咨詢和調(diào)研認(rèn)為PCCP管道在本工程應(yīng)用中還存在很多缺點(diǎn)和隱患。電站運(yùn)行中的一些誤操作是客觀存在的，采用鋼管會(huì)比PCCP管大大提高安全裕度；PCCP管道采用承插口接頭，施工簡(jiǎn)便，但接頭橡膠圈止水耐久性不如鋼材，且接頭很多會(huì)存在諸如漏水等問(wèn)題，為工程安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，PCCP管單節(jié)管道重量超過(guò)70t，在斜坡上施工難度較大。目前，PCCP管在水電站工程中應(yīng)用的最大管徑為3.0m，直徑4.0m的PCCP管道僅在供水和排水等工程中應(yīng)用過(guò)，由于物價(jià)波動(dòng)，采用PCCP管在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)已不再突出。

本工程對(duì)剩余3種管材方案進(jìn)行了研究比較，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土管的方案，滿足抗裂要求的管壁厚度較大，0.5MPa壓力下需要75cm厚的C30混凝土并在單位長(zhǎng)度配置4900mm2的鋼筋，每造價(jià)約18900元/m，采用鋼襯鋼筋混凝土管道方案，鋼襯和鋼筋混凝土聯(lián)合受力可減少混凝土工程量，但鋼板和鋼筋總量較大，經(jīng)計(jì)算0.5MPa以下鋼襯鋼筋混凝土管（鋼襯6mm，C30混凝土40cm，鋼筋2000mm2）每延米造價(jià)19100元，同級(jí)別的壓力鋼管（壁厚12mm）造價(jià)19200元/m。內(nèi)水壓力增加到1MPa壓力時(shí)，鋼筋混凝土管造價(jià)達(dá)到27700元/ m，鋼襯混凝土管造價(jià)約25600元/m，而同壓力等級(jí)的鋼管方案約為23150元/m。綜上可知，在低壓段管道3種方案投資相差很小，隨著壓力的增加鋼管方案的經(jīng)濟(jì)性逐漸明顯，且鋼管具有比鋼襯鋼筋混凝土管施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

綜合考慮以上各種因素，本工程選用鋼管。

（2）布置比選。壓力管道單根管線總長(zhǎng)1174.67m。緩坡段長(zhǎng)639.55m，縱坡1/7，最大靜水頭90m，陡坡段和下平段總長(zhǎng)596m，縱坡1/ 2.1，最大凈水頭321.5m，電站總裝機(jī)140MW，設(shè)計(jì)引用流量50.5m3/s。按2大2小機(jī)組（2臺(tái)50MW、2臺(tái)18MW）方案進(jìn)行了壓力管道各方案布置和比選。

方案1∶2大2小機(jī)組，單管單機(jī)，采用露天明鋼管（在斷層影響范圍設(shè)伸縮節(jié)，來(lái)調(diào)整斷層的活動(dòng)量，同時(shí)結(jié)合事故泄水道，避免斷層活動(dòng)對(duì)工程安全的影響，露在明處有利于安全巡視）鋼材Q345R，全長(zhǎng)1174.67m。坡比依次取1∶3.1、1∶11.14、1∶2.1。采用4根鋼管布置，管道直徑從右至左依次為2.6、2.6、1.5、1.5m，流量分別為19.37、19.37、5.79和5.79m3/s，管中流速為3.65、3.28m/s。管道全線設(shè)鎮(zhèn)墩12個(gè)，上鎮(zhèn)墩結(jié)合前池設(shè)計(jì)；下鎮(zhèn)墩設(shè)于副廠房前水平段，管坡中間設(shè)10個(gè)鎮(zhèn)墩；管道采用滾動(dòng)支座，支墩間距6m。

管溝底寬18.8m，下設(shè)10cm混凝土護(hù)面，管道至護(hù)面0.6m，兩側(cè)設(shè)混凝土護(hù)面的排水溝。管道左側(cè)設(shè)1.5m寬砼踏步，高于管底護(hù)面1.0m。鎮(zhèn)、支墩采用C25鋼筋砼。

方案2∶2大2小機(jī)組，大機(jī)組2機(jī)1管，小機(jī)組單管單機(jī)，采用露天明鋼管（在斷層影響范圍處設(shè)伸縮節(jié)，來(lái)調(diào)整斷層的活動(dòng)量，同時(shí)結(jié)合事故泄水道，避免斷層活動(dòng)對(duì)工程安全的影響，露在明處有利于安全巡視），鋼材Q345R，全長(zhǎng)1174.67mm。坡比依次取1∶3.1、1∶11.14、1∶2.1。采用3根鋼管布置，3根管道從右至左直徑依次分別為3.5、1.5、1.5m，流量分別為38.74、5.79和5.79m3/s，管中流速為4.03、3.28m/s。管道全線設(shè)鎮(zhèn)墩12個(gè)，上鎮(zhèn)墩結(jié)合前池設(shè)計(jì)；下鎮(zhèn)墩設(shè)于副廠房前水平段，管坡中間設(shè)10個(gè)鎮(zhèn)墩；管道采用滾動(dòng)支座，支墩間距6m。

管溝底寬14.6m，下設(shè)10cm混凝土護(hù)面，管底至護(hù)面0.6m，兩側(cè)設(shè)混凝土護(hù)面的排水溝。管道左側(cè)設(shè)1.5m寬砼踏步，高于管底護(hù)面1.0m。鎮(zhèn)、支墩采用C25鋼筋砼。

方案3：考慮到冬季運(yùn)行，且冬季流量較小，采用1管4機(jī)，而明管首先要考慮保溫的要求，故采用地埋外包混凝土鋼管（對(duì)應(yīng)斷層影響范圍，采用增加壁厚和外包鋼筋混凝土來(lái)抵抗由于斷層活動(dòng)影響的變形量）。

壓力水管采用地埋外包混凝土鋼管形式，直徑均為4.1m，管長(zhǎng)1174.67m，管坡0+000—0+ 708.67段管道坡比順地形采用1∶3.24、1∶13.2，該段為地埋管；管道0+708.67—1+154.11段為隧洞段，分為2級(jí)豎井，每級(jí)豎井深123m。

地埋管段管道直徑4.1m，外包40cmC25鋼筋砼，鋼管抵抗內(nèi)壓，鋼筋砼抵抗外壓，管底采用40cm細(xì)砂墊層，管溝開(kāi)挖底寬6.1m，開(kāi)挖邊坡1∶1，考慮的凍深，管頂覆土2m，管道兩側(cè)回填土壓實(shí)度不小于0.9，管頂上回填土壓實(shí)度不小于0.8。

隧洞段管道內(nèi)徑4.1m，外包70cmC25鋼筋砼，豎井底部轉(zhuǎn)彎段局部加厚20cm。豎井段及下平段采用內(nèi)鋼襯，壁厚18～42mm。

3種方案布置和投資比較見(jiàn)表1。

表1 壓力管道布置方案比較

結(jié)論：投資最小方案為方案3，其次是方案2，最大為方案1；方案1運(yùn)行調(diào)度最為靈活，其余次之；方案3冬季運(yùn)行效果最好，方案1、方案2相對(duì)較差；故本工程推薦方案3，即地埋管1管4機(jī)方案。

（3）管徑比較。本工程管線長(zhǎng)，壓力管道工程總投資較大，該電站總裝機(jī)容量139Mw，引用流量為50.5m3/s，隧洞總長(zhǎng)1420m。根據(jù)沿線的巖石地質(zhì)情況分析，初擬管線0+000—0+708.67共708.67m長(zhǎng)采用鋼管外包鋼筋砼襯砌，初擬砌厚40cm、管線0+708.67—1+154.11段采用鋼管外包鋼筋砼襯砌，初擬砌厚70cm；鋼管管徑3.9、4.0、4.1、4.2、4.3m；3個(gè)方案進(jìn)行比較，各方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 管徑選擇方案比較

從表2可看出：管徑為4.1m的方案最優(yōu)。

綜上所述，本設(shè)計(jì)推薦襯后鋼管4.1m的方案。

（4）壓力管道設(shè)計(jì)。考慮到冬季運(yùn)行，且冬季流量較小，采用1管4機(jī)，而明管首先要考慮保溫的要求，故采用地埋外包混凝土鋼管。管長(zhǎng)1174.67m，設(shè)計(jì)引水流量50.5m3/s，設(shè)計(jì)水頭321.5m。

壓力水管采用地埋外包混凝土鋼管形式，共1根，直徑均為4.1m，管內(nèi)流速3.82m/s，設(shè)計(jì)水頭321.5m，最大水錘壓力4.2Mpa，管線結(jié)合地形地質(zhì)進(jìn)行布置，0+000—0+398.45段地基為Q4dl崩坡積物，本階段對(duì)該段鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)采用樁基加固，該段管道坡比順地形采用1∶3.24和1∶13.2，由于基礎(chǔ)較差宜采用較緩坡比。管道0+398.45—0+ 708.67段地基為砂礫石，該段管道坡比為1∶13.2；管道0+708.67—1+154.11段為隧洞段，該段由2級(jí)123m豎井和上、下2級(jí)平洞組成。

地埋管段管道直徑4.1m，外包40cmC25鋼筋砼，鋼管抵抗內(nèi)壓，鋼筋砼抵抗外壓，管底采用40cm細(xì)砂墊層，管溝開(kāi)挖底寬6.1m，開(kāi)挖邊坡1∶1，考慮的凍深，管頂覆土2m，管道兩側(cè)回填土壓實(shí)度不小于0.9，管頂上回填土壓實(shí)度不小于0.8。

埋管段管溝底寬6.1m，管頂覆土后兩側(cè)設(shè)混凝土護(hù)面的排水溝。管道左側(cè)設(shè)1.5m寬砼踏步。

隧洞段管道內(nèi)徑4.1m，外包70cmC25鋼筋砼。隧洞段固結(jié)灌漿孔深入圍巖4.0m，間距取2.0m，排距取2.0m；隧洞段回填灌漿范圍為洞頂180°，灌漿孔徑50mm；豎井段及下平段采用內(nèi)鋼襯，鋼襯采用Q345R。

4 結(jié)論

壓力管道布置設(shè)計(jì)中要求盡量遠(yuǎn)離不良地質(zhì)條件布置，但若不能完全避開(kāi)，則需要采用工程措施來(lái)保證相應(yīng)的安全，對(duì)于高水頭壓力管道位于斷層附近，采取的主要措施：①為增加壁厚抵抗斷層位移，②結(jié)合增加壁厚和設(shè)置3伸縮節(jié)來(lái)平衡斷層位移量。本工程主要針對(duì)這2方案進(jìn)行比較，最終選定了較為經(jīng)濟(jì)的方案作為推薦方案。但本工程還處于前期階段，對(duì)應(yīng)各個(gè)方案的研究還不盡深入，需要進(jìn)一步研究。希望能對(duì)同行能提供一些比選思路。

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TV732+4

B

1672-2469（2015）12-0109-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.038

石江琳（1984年—），女，工程師。