周培勇

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335）

抽水蓄能電站作為目前最為成熟的儲能技術(shù)，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵支撐。依據(jù)各國抽水蓄能電站建設(shè)經(jīng)驗，輸水系統(tǒng)投資占比大致為總投資的25%[1]，鋼襯段投資在輸水系統(tǒng)中占比達20%～50%，鋼襯段鋼管壁厚對抽水蓄能電站設(shè)計的經(jīng)濟合理性影響較大。水庫庫容等條件確定的情況下，水頭越高，抽水蓄能電站的單位千瓦投資越低，這促使抽水蓄能電站向高水頭方向發(fā)展。目前，國內(nèi)績溪、西龍池與長龍山抽水蓄能電站壓力鋼管的設(shè)計水頭均突破1 000 m，分別達到1 008，1 015，1 165 m，高水頭作用下，壓力鋼管安全與否直接關(guān)系到抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運行。由此可見，高水頭抽水蓄能電站壓力鋼管設(shè)計，對工程安全性與經(jīng)濟性影響較大。

1 強度設(shè)計

抽水蓄能電站壓力鋼管包括引水壓力鋼管與尾水壓力鋼管[2]。依據(jù)壓力鋼管經(jīng)濟流速求得管徑，并參考類似工程經(jīng)驗確定管徑后，壓力鋼管設(shè)計重難點便在于選擇合理的材質(zhì)，確定設(shè)計荷載，計算結(jié)構(gòu)抗力R與荷載效應(yīng)S，確保各設(shè)計工況S＜R。

1.1 材質(zhì)選擇

當(dāng)引水下斜井段與下平段均為壓力鋼管時，下斜井段內(nèi)水壓力變化大，采用同一強度鋼板管壁厚度變化大。為避免鋼管壁厚變化大、厚度較大鋼管加工工藝復(fù)雜、加工制造困難、影響工期等不利因素，引水下斜井段鋼管強度可分段逐步提高，具體壓力鋼管材質(zhì)選擇原則：通過結(jié)構(gòu)計算，若500 MPa級鋼板厚度超過38 mm，則跳檔采用600 MPa 級剛板；若600 MPa 級剛板厚度超過50 mm，則需采用800 MPa 級鋼板，且800 MPa 級鋼板厚度不宜超過50 mm，不同管節(jié)間壁厚級差宜取2 mm。尾水壓力鋼管承擔(dān)內(nèi)水壓力較小，一般采用Q345R鋼材。

確定壓力鋼管材質(zhì)后，即可確定鋼材強度設(shè)計值f，再依據(jù)工程等別、水工建筑物級別、設(shè)計工況和不同管型，分別確定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0、設(shè)計狀況系數(shù)ψ、結(jié)構(gòu)系數(shù)γd后，依據(jù)下式確定鋼管結(jié)構(gòu)抗力σR[3]：

1.2 管型確定與結(jié)構(gòu)計算原則

壓力鋼管不同管型、不同應(yīng)力的γd取值有較大的差別，且同一管型由于其重要性與施工可靠度不同，是否降低抗力限值、是否考慮圍巖彈性抗力影響也不同，因此有必要梳理總結(jié)壓力鋼管管型確定與結(jié)構(gòu)計算原則?？偨Y(jié)相關(guān)工程經(jīng)驗，抽水蓄能電站壓力鋼管管型確定與結(jié)構(gòu)計算原則如下：

1）地下廠房內(nèi)明管按明管設(shè)計，γd值增大20%設(shè)計，內(nèi)水壓力由鋼管承擔(dān)；

2）地下廠房邊墻上游3 倍鋼管直徑范圍段鋼管按明管設(shè)計，內(nèi)水壓力全部由鋼管承擔(dān)，鋼板抗力限值取明管抗力限值；

3）地下廠房邊墻上游3 倍鋼管直徑范圍～距地下廠房邊墻上游約20 m 之間鋼管段，按埋管設(shè)計，鋼板抗力限值取埋管抗力限值，不計圍巖彈性抗力，K0=0；

4）距地下廠房邊墻上游20 m 以外，鋼管按埋管設(shè)計，鋼板抗力限值取埋管抗力限值，考慮施工縫隙與溫降縫隙，合理選擇圍巖彈性抗力K0；

5）與施工支洞相交段壓力鋼管，按埋管設(shè)計，鋼板抗力限值取埋管抗力限值，不計圍巖彈性抗力，K0=0；

6）尾水壓力鋼管上部一般是主副廠房、母線洞與主變洞等地下洞室群，鋼管頂部巖層厚度常不滿足3 倍洞徑的埋管計算要求，按明管考慮，用明管抗力限值；

7）鋼襯壁厚以運行期內(nèi)水壓力作為控制條件，以檢修期外水壓力作為復(fù)核條件。

1.3 荷載確定

依據(jù)T/CEC 5010-2019《抽水蓄能電站水力過渡過程計算分析導(dǎo)則》：考慮水力過渡過程產(chǎn)生的水錘壓力，過渡過程計算模型和邊界的影響，機組甩負荷脈動壓力的影響，前期無條件開展過渡過程計算時，引水壓力鋼管設(shè)計內(nèi)水壓力可取為1.35～1.37 倍上游正常蓄水位與機組安裝高程之差。對于尾水壓力鋼管，當(dāng)下游正常蓄水位與尾水管底高程之差小于100 m 時，尾水壓力鋼管設(shè)計內(nèi)水壓力可取為1.4～1.6 倍下游正常蓄水位與尾水管底高程之差；當(dāng)下游正常蓄水位與尾水管底高程之差大于100 m 時，尾水壓力鋼管設(shè)計內(nèi)水壓力可取為1.35～1.37 倍下游正常蓄水位與尾水管底高程之差[4]。

武漢大學(xué)侯建國等通過統(tǒng)計國內(nèi)外水電站圍巖分擔(dān)率設(shè)計值與實測值發(fā)現(xiàn)[5]：國內(nèi)外電站圍巖分擔(dān)率設(shè)計值為15%～60%，但圍巖實測分擔(dān)率達25%～89%。滿足裂隙判別條件式（2）與覆蓋圍巖厚度條件式（3—7）后，考慮圍巖與鋼襯聯(lián)合承載能較好地解決工程安全與經(jīng)濟這一矛盾問題，目前考慮圍巖與鋼管聯(lián)合承載在抽水蓄能電站中應(yīng)用較為普遍。

式中：σR——鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力限值，N/mm2，埋管高于明管；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；Es2——平面應(yīng)變問題剛材彈性模量，N/mm2；δ2——包括施工縫隙、鋼管冷縮縫隙與圍巖冷縮縫隙；Hr——垂直于管軸的最小覆蓋層厚度，不計全風(fēng)化與強風(fēng)化層，mm；p2——圍巖分擔(dān)的內(nèi)壓，N/mm2；γr——圍巖重度較小值，N/mm3；α——管軸與水平面夾角，°，α＞60°取為60°；Es——剛材彈性模量，N/mm2；ν——鋼材泊松比；p——內(nèi)水壓力設(shè)計值，N/mm2；σθ1——內(nèi)壓作用下鋼管最小環(huán)向應(yīng)力，N/mm2；t——鋼管壁厚，mm；r5——隧洞開挖半徑，mm；K01——圍巖彈性抗力最大可能值，N/mm2，1 000 所帶單位為mm；δs2——最高水溫情況下的鋼管冷縮縫隙值，mm。

1.4 裂隙條件不滿足時鋼管壁厚計算

考慮圍巖與鋼管聯(lián)合承載時，鋼襯與圍巖間的裂隙大小δ2對鋼管的應(yīng)力大小影響十分敏感[6]。如鋼管應(yīng)力達到鋼板抗力限值σR時，且鋼管的抗力限值變形δs＜δ2，則圍巖沒有與鋼襯接觸，不能考慮圍巖承載，內(nèi)水壓力由鋼管單獨承擔(dān)，按式（8）計算鋼管壁厚t。需要注意的是此時鋼管σR的取值分埋管與明管兩種情況：1）當(dāng)Hr大于3 倍開挖洞徑，滿足式（3）時，σR采用埋管抗力限值，地下廠房上游與施工支洞相交部位壓力鋼管、地下廠房邊墻上游3 倍鋼管直徑范圍～距地下廠房邊墻上游約20 m 之間鋼管段如擴挖比較嚴(yán)重，施工可靠度不高，δ2可能超過δs時，保守考慮鋼管結(jié)構(gòu)計算可按這種情況考慮；2）Hr不滿足大于3倍開挖洞徑時，σR采用明管抗力限值，尾水支管壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算屬于這種情況。

1.5 裂隙條件滿足時鋼管壁厚計算

施工可靠度高，回填混凝土質(zhì)量好，鋼襯與圍巖間的裂隙δ2＜δs，且最小覆蓋層厚度滿足式（3）的3 倍開挖洞徑要求時，埋鋼管應(yīng)力達到鋼板抗力限值σR前，鋼襯與圍巖已緊密接觸，部分內(nèi)水壓力可由圍巖分擔(dān)，可考慮鋼管與圍巖聯(lián)合承載。需要注意此時按最小覆蓋層厚度是否有能力提供彈性抗力K0，埋鋼管分考慮圍巖K0與考慮圍巖壓重2 種情況：

1）當(dāng)Hr滿足式（4）時，由于覆蓋層產(chǎn)生的自重應(yīng)力大于圍巖承擔(dān)的內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓力作用下圍巖有能力給回填混凝土與鋼襯一個反作用力，阻礙回填混凝土與鋼襯的徑向變形，這種圍巖抵抗回填混凝土與鋼襯徑向變形能力便是彈性抗力。t按式（9）考慮圍巖K0計算。計算得到t后，還需依據(jù)式（10）復(fù)核鋼管環(huán)向最大正應(yīng)力σθ是否需小于埋管σR。距地下廠房邊墻上游20 m 以外的埋鋼管設(shè)計屬于這種情況。

式中：K0——圍巖單位抗力系數(shù)較小值，N/mm2。

2）當(dāng)Hr不滿足式（4）時，由于覆蓋層產(chǎn)生的自重應(yīng)力小于圍巖承擔(dān)的內(nèi)水壓力，圍巖只能依靠自身壓重承擔(dān)內(nèi)水壓力，無抵抗回填混凝土與鋼襯徑向變形能力（無彈性抗力），此時t按式（11-12）計算。地下廠房上游與施工支洞相交部位壓力鋼管、地下廠房邊墻上游3 倍鋼管直徑范圍～距地下廠房邊墻上游約20 m 之間鋼管段如施工可靠度高，δ2＜δs時，可按這種情況考慮。

需要注意的是考慮圍巖K0計算t時，覆蓋圍巖厚度條件式（3—8）判別中的t還是未知數(shù)，因此，需先假定覆蓋圍巖條件滿足要求求t，求得t后再由式（3—8）來驗算覆蓋圍巖厚度條件是否滿足要求，如滿足則采用式（9）計算t，否則采用式（12）計算t。為限制圍巖的作用，保證安全裕度，考慮圍巖聯(lián)合承載時：圍巖覆蓋條件判別時采用溫升時對應(yīng)的δs2，圍巖彈性抗力采用可能最大值，確保圍巖最不利工況圍巖厚度滿足要求；采用式（9）計算t時，保證裂隙值δ2≥4.0×10-4壓力鋼管內(nèi)徑的前提下，采用溫降時對應(yīng)的鋼襯與圍巖間的裂隙最大值δ2，圍巖彈性抗力采用可能最小值，確保鋼管最不利工況鋼管壁厚滿足要求。

2 抗外壓穩(wěn)定設(shè)計

地下埋鋼管外荷載主要是施工期的圍巖壓力、灌漿荷載與檢修期的外水壓力。埋藏式壓力鋼管的圍巖壓力可通過噴錨支護，完成在隧洞開挖施工期的自身承載，可不考慮。施工期灌漿荷載，因其為臨時荷載與點荷載，可通過鋼管內(nèi)加內(nèi)支撐、合理布置灌漿塞、控制灌漿壓力等措施解決。因此，埋藏式壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定設(shè)計關(guān)鍵在于合理確定設(shè)計外水壓力。

2.1 引水壓力鋼管荷載確定

當(dāng)上水庫與引水系統(tǒng)充水運行后，由于上水庫滲流邊界與引水隧洞內(nèi)水外滲對山體地下滲流場的影響，最終形成一個平衡的山體地下滲流場。上水庫處于蓄水運行期時，發(fā)電隧洞一洞放空檢修的同時一洞充水運行或兩洞同時放空檢修的情況下，壓力鋼管將承受山體滲透過來的外水壓力，該外水壓力的取值決定壓力鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算?？偨Y(jié)國內(nèi)已建抽水蓄能電站鋼管檢修期外水壓力取值方法，可取下述兩種計算方法中的較大值：

1）假定鋼管運行期地下水位接近地表極限。排水廊道底高程至壓力鋼管取全水頭，考慮排水廊道的排水作用，排水廊道底高程至地表高程段的外水壓力，依據(jù)工程地質(zhì)條件，選取為0.2～0.6的外水壓力折減系數(shù)進行折減考慮，壓力鋼管外水壓力值為上述兩值相加，總值保證不小于管道覆蓋厚度的1/2。由于埋藏式壓力鋼管的光面管管壁抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)為2.0，因此，按上述原則確定壓力鋼管的外水壓力后，即使地下水位抬升至地表的最不利情況發(fā)生，壓力鋼管的抗外壓穩(wěn)定系數(shù)仍然大于1。

2）根據(jù)已建工程實測資料顯示：引水壓力鋼管檢修期的外水壓力與原勘探鉆孔測得的地下水位線無明顯關(guān)系，而由鋼筋混凝土襯砌段隧洞內(nèi)水外滲來確定。考慮內(nèi)水外滲與外水內(nèi)滲兩次滲流損失，引水壓力鋼管外水壓力值=最大靜內(nèi)水壓力值×（1-圍巖滲流損失系數(shù)）。

2.2 尾水壓力鋼管荷載確定

尾水壓力鋼管上部有龐大的地下洞室群與完備的排水系統(tǒng)，來自山體的外水壓力不可能作用于尾水鋼管外壁。尾水鋼管的外水壓力主要來自鋼襯與鋼筋混凝土襯砌銜接點，由鋼筋混凝土襯砌隧洞內(nèi)水外滲透過帷幕灌漿產(chǎn)生?？紤]鋼管首段止水環(huán)、帷幕灌漿與周圍排水孔幕防滲截排系統(tǒng)的作用，尾水壓力鋼管外水壓力=最大靜水壓力×折減系數(shù)（0.2～0.4）。

3 結(jié)論

1）考慮水錘作用，引水壓力鋼管設(shè)計內(nèi)水壓力可取為1.35～1.37倍引水系統(tǒng)最大靜水壓力，按尾水系統(tǒng)最大靜水壓力是否大于100 m，尾水壓力鋼管設(shè)計內(nèi)水壓力可取為1.35～1.37倍或1.4～1.6倍尾水系統(tǒng)最大靜水壓力。壓力鋼管外水壓力最大值一般由鋼筋混凝土襯砌段隧洞內(nèi)水外滲決定。

2）δs＜δ2時，內(nèi)水壓力由鋼管單獨承擔(dān)，鋼管抗力限值σR的取值分埋管與明管兩種情況計算鋼管壁厚。δs＞δ2時，埋管分考慮圍巖彈性抗力K0與考慮圍巖壓重兩種情況計算鋼管壁厚。

3）圍巖覆蓋條件判別時，需采用溫升對應(yīng)的裂隙最小值，圍巖彈性抗力需采用可能最大值。計算鋼管壁厚時，保證裂隙值δ2不小于4.0×10-4壓力鋼管內(nèi)徑的前提下，采用溫降對應(yīng)的裂隙最大值，圍巖彈性抗力采用可能最小值。