抽水蓄能电站岔管布置与设计.docx
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1、抽水蓄能电站输水系统高压岔管的布置与设计 摘要 本文结合抽水蓄能电站输水系统的特点,对抽水蓄能电站输水系统高压岔管布置与设计进行简要的总结与论述。关键词抽水蓄能电站 输水系统 高压岔管 布置1岔管的类型岔管是一管多机供水布置方式的重要组成部分,根据所采用材料不同,可分为混凝土或钢筋混凝土岔管和钢岔管。混凝土或钢筋混凝土岔管充分利用围岩的承载能力,大部分甚致绝大部分内水压力由围岩承担,从一定意义上讲混凝土或钢筋混凝土岔管实际上是一种平整衬砌,是一种较为经济的衬砌型式,但是对围岩条件要求较高。当围岩地质条件较差、覆盖层不足,不适合采用混凝土衬砌时,往往采用钢岔管。钢岔管从结构型式上可分为:球形岔管
2、、三梁岔管、贴边岔管、无梁岔管、内加强月牙肋岔管等,从国内外已建抽水蓄能电站钢岔管型式分析,详见表1,大型抽水蓄能电站采用的钢岔管型式主要是:三梁岔管、球形岔管和内加强月牙肋岔管。此三种型式岔管体形示意详见图1图3,优缺点见表2。表1 已建、在建抽水蓄能电站大型钢岔管不完全统计电站名岔管型式 PDm2设计内压H(m)假想球径(m)主管径(m)支管径(m)分岔角钢材岔管壁厚mm主管壁厚mm肋板厚mm今市E-W45658306.65.54.53.274HT8010057 77200奥美浓E-W42357705.54.8 茶依拉E-W404710653.8HT8093奥吉野球35828337.04.
3、32.7HT8046 7850325俣野川Y球34658255.054.25.03.0SM50HT8042 8359玉原球34318174.22.990HT8070 8058310奥矢作第二球33226045.53.2HT806756蛇尾川E-W32125841.155.54.880HT807862奥多多良木球30486226.84.93.4590SM58Q5047大河内Y30406085.03.5470奥清津球26206556.24.03.1HT804545下乡E-W25596094.22.964SM58Q8049150本川E-W20964465.74.73.590HT6065 557065
4、140第二沼泽三梁20093356.04.290SM58Q4848新丰根三梁9.35.0SM58Q17沼源球8191309.66.33.660SM58Q18大平Y5.23.815南原7.6新高漱川Y8.05.65SM50B60奥矢作第一E-W17812746.55.290SM58Q6050125天山球6.25.54.090SM41C20 3020葛野川E-W472011804.64.02.8560SHY685NS9289 80鲁布格E-W1962426.65.484.63.260A5174290十三陵E-W25996844.23.82.774HT806250124西龙池E-W355210154
5、.13.52.575SHY685NS 5650张河湾E-W27045205.85.23.670SHY685NS5248120宜兴E-W31206505.444.83.47060 100表2 岔管型式比较表 岔管型式项目三梁式岔管球形岔管内加强月牙肋岔管加强形式外部加强(U形梁、圆环梁)外部加强(加强环)内部加强(月牙肋)结构设计考虑的方法超静定超静定静定非对称分岔的适应性困难容易比较容易应力分布分布不匀,局部应力偏大分布均匀,较理想,但补强环附近易出现二次应力分布比较均匀水流条件一般比较良好,但主管与支管连接处有涡流,对于非对称性较强的岔管,侧向支管的水头损失较大。由于过流断面急剧扩大,流况不
6、好,但采用合适的整流板,其流况可与三梁式岔管相近。流态良好,尤其对非对称情况,流态比其它型式更好,水头损失也小。制作、运输、安装容易较困难容易外径尺寸1.31.6D(主管直径)1.31.6D1.11.3D经济性一般一般经济图2 球型岔管示意图图1 三梁岔管示意图图3 内加强月牙肋型岔管示意图2钢筋砼岔管钢筋混凝土岔管,围岩除要满足“应力条件”外,还应满足“渗漏条件”。所谓“应力条件”是指岔管部位最小主压应力不小于岔管设计静水压力。“应力条件”是避免围岩不发生水力劈裂、保证岔管安全稳定运行的必要条件。“应力条件”可以通过结合输水系统布置,合理选择岔管位置来满足。“渗漏条件”是指岔管部位的渗漏量应
7、控制在经济允许范围内,同时渗水不会对岔管安全运行造成危害。抽水蓄能电站站址选择的制约因素相对较少,容易选择地质条件适宜的站址。如美国的巴斯康蒂抽水蓄能电站,安装6台350MW机组,电站最大设计水头385m,有3条引水隧洞,内径8.6m,在距厂房304m处布置钢筋混凝土岔管,分岔后高压支管直径为5.5m,皆采用钢板衬砌。英国的迪诺威克抽水蓄能电站,安装6台3000MW机组,设计水头513.4m。引水系统采用混凝土衬砌,由1条直径为10.5m的低压引水隧洞,下接直径为9.5m高压竖井和下平段。在下平段布置钢筋混凝土高压岔管,分岔后高压支管直径为3.3m。我国的广州、天荒坪抽水蓄能电站,高压岔管也采
8、用了钢筋混凝土岔管。2.1钢筋砼岔管布置(1)岔管位置的选择钢筋砼岔管可行的必要条件是满足“应力条件”和“渗漏条件”,对围岩地形、地质、水文地质等条件要求较高。要想满足“应力条件”和“渗漏条件”,钢筋砼岔管埋藏一般较深,地质勘探工作量往往较大,在取得较全面地质、水文地质资料的基础上,结合枢纽总布置,合理选择岔管位置。使岔管部位有足够的上覆岩体厚度,满足“应力条件”,围岩岩体坚硬、完整,且有较小渗透性,同时渗水不对围岩地质条件选成不利影响。对于大PD值岔管,由于承受较高的内水压力,钢筋砼岔管方案在地质条件选择上,往往优先于地下厂房。如广蓄一期抽水蓄能电站,在岔管位置选择时,优先考虑高压岔管的位置
9、。(2)岔管布置抽水蓄能电站输水系统岔管存在正反向水流,即分流与合流,岔管的布置和体形设计要综合考虑机组不同运行工况组合情况下的水力学条件。选择流态好、局部水头损失相对较小的方案,同时还应考虑结构合理、施工运行方便等因素。岔管平面布置可采用对称“Y” 形和“卜”形,当输水系统采用一管多机供水方式时,钢筋砼多采用“卜”型布置。当输水系统采用多管多机供水方式时,主管间距,除满足结构要求外,还应考虑有合理水力梯度。避免当一条洞运行另一条洞施工或一条洞运行另一条洞放空时,高压水从一条洞向另一条洞渗透,进而对放空的压力管道造成威胁的问题。在立面布置上,岔管主管与支管轴线可布置在同一平面内,上、下对称布置
10、,体形简单,便于设计与施工,但不利于检修时洞内排水,需设置专用的排水管阀系统,广蓄一期抽水蓄能电站岔管就采用了这种布置型式,详见图4(a)。岔管主管与支管轴线也可不布置在同一平面内,而将主、支管底部布置在同一高程,形成立面体形不对称的平底岔管,广蓄二期、惠蓄、天荒坪等抽水蓄能电站岔管皆采用此种布置方式,详见图4。平底岔管可自流进行检修排水,但是,平底岔管体形相对复杂,施工模板、布筋相对复杂些,平底岔管不仅可省去专门用于检修排水的管阀系统,而且能缩短排水时间,增加检修的有效工时。(b) 惠蓄电站钢筋砼岔管体形示意图(a) 广蓄一、二期电站钢筋砼岔管体形示意图图4 钢筋砼岔管体形示意图2.2钢筋砼
11、结构分析钢筋砼岔管钢可行的首要条件是满足“应力条件”,以免产生水力劈裂。在对岔管进行结构分析前,应地应力测试基础上,对岔管位置围岩地应力场进行分析,复核围岩最小主压应力是否大于岔管的设计静水压力,如果不满足“应力条件”应对岔管布置进行调整。筋砼岔管在内水力作用下,通过变形协调作用,实现围岩、钢筋、砼共同分担内水压力。在内水压力作用下,假定砼径向开裂,开裂后只沿径向产生压缩变形,传递径向压应力,同时假定围岩与砼均满足线性变形规律。通过变形协调条件,可确定内水压力的分担比例。考虑钢筋砼耐久性,钢筋砼岔管一般采取限裂设计,限制砼裂缝开展,当不满足要求时,通过高压灌浆使钢筋砼岔管产生预压应力来承担多余
12、的内水压力。围岩分担内水压力Pr计算式中:P内水压力(MPa);Pr围岩分担的内水压力(MPa);R衬砌内半径(m);Rs受力钢筋半径(m);R0围岩松动圈半径(m);As每米长度管道配筋面积(m2);Ec砼弹性模量(MPa);Er2完整围岩的弹性模量(MPa);Er1松动围岩的弹性模量(MPa);围岩的泊松比。(2)砼裂缝宽度计算高压钢筋砼岔管裂缝开展宽度可按美国钢筋砼建筑规范ACI,NO.224R-86)计算。Wmax=0.0145fs(dcA)1/310-3式中: Wmax砼最大裂缝开展宽度(m); fs钢筋应力(MPa);dc0.052,为钢筋直径(m);A2dcS,S为钢筋间距(m)
13、。该公式根据大量试验研究并结合理论推导得出的半经验、半理论公试,以钢筋应力和布筋参数作为控制最大裂缝宽度的因子,力学型式更为科学,较适合地下工程的结构的设计。配筋面积可据此公式按限裂要求确定。灌浆压力 由于钢筋砼岔管按限裂设计,则砼衬砌应视为不承受切向拉应力只传递径向压应力的砼垫层。砼承担的内水压力与有效灌浆压力平衡,即有效灌浆压力等于砼所承担的内水压力。抗外压结构分析钢筋砼岔管优其是高水头、大PD值岔管,往往是按限裂设计的,在内水下力作用下,将产生裂隙,产生内水外渗。外水压力不仅与地下水位有关,且还与内水外渗有关。如广蓄一期电站岔管,外水压力设计水头假定是按水工隧洞设计规范(SD13484,
14、以地下水位控制,考虑0.5折减系数。但是,通过运行监测,发现外水压力与测得的地下水位无明显的关系。渗压计实测外水压力值与隧洞充水、放空时的内水压力的变化相关,只是有所滞后。在广蓄二期岔管外水压力设计水头假定按内水外渗条件控制,以内水放空时可能出现的外压大于内压的压差作为外水压力的设计水头。考虑内水外渗条件下的设计外水压力是比较大的,对砼岔管来讲,抗外压能力往往会成为岔管的控制工况。对于抗外压结构分析目前尚没有比较成熟的方法。按传统的设计假定外压整圈作用在衬砌的外缘,这种假定是偏于安全的,但衬砌厚度较大。根据广蓄岔管的设计经验,假定一定范围内围岩与衬砌一起共同承受外水压力。广蓄进行两种模型假定方
15、案:模型一是假定一倍衬砌厚度的围岩与衬砌共同承受均布的外压;模型2是在三维有限元分析中,将紧靠衬砌的围岩单元弹模降低,以此来近似模拟衬砌与围岩不完全结合的影响。英国的Dinorwic(迪诺威克)电站岔管,假定以灌浆深度范围内的围岩与衬砌一起承受外压。从理论上讲,钢筋砼岔管是一种透水衬砌,在进行抗外压结构分析时,应根据输水系统水文地质条件、渗透边界条件,进行渗流场分析,确定较水系统渗漏量及岔管部位的渗透压力。再以此压力为根据进行结构分析。也可以直接进行渗流场与结构的遇合分析。3钢岔管3.1岔管布置岔管布置应根据地形、地质条件、厂房布置及输水系统布置方式、岔管水力条件、经济等因素综合考虑确定。岔管
16、主支管中心线一般应位于同一平面内,以便岔管的体形设计。岔管典型布置可归结为以下三种方式:(1) 卜型布置,即支管均位于主管中心线的同一侧,如图5所示;(2) 对称Y型布置,如图6所示;(3) 三岔布置,即一根主管分岔这三根支管,如图7所示。图7 三岔形布置示意图图6 Y形布置示意图图5 卜形布置示意图抽水蓄能电站设计水头较高,岔管PD值一般较大,由于内加强月牙肋岔管具有受力明确合理、设计方便、水流流态好、水头损失小、结构可靠、制作安装容易、几何尺寸较小等特点,在国内外大中抽水蓄能电站地下埋管中得到广泛的应用。本节对内加强月牙肋岔管进行重点介绍,以供参考。岔管应尽量采用对称布置,使岔管具有较好的
17、受力条件和水力特性。对于中低水头PD值不大的岔管,不对称布置除使壳体和肋板厚度有所增大、钢材用量有所增加外,不会带来其它影响。然而,对高水头大PD值岔管则不同,不对称布置,使肋板和钝角区产生较大侧向弯曲,应力分布不均匀,难以充分发挥材料强度,造成壳体及肋板厚度较大,使本来制造、安装难度就很大的岔管制安更加困难。如果从总体布置上岔管采用对称布置比较困难,可以通过变锥局部调整主、支管轴线方向,将岔管布置成对称形式,通过弯管或渐变锥管与主支管连接。根据Ruus对岔管水头损失研究成果及日本本川电站试验成果可知,岔管与弯管结合布置的水头损失增加是很小的,小于岔管与弯管水头损失之和。另外由增加弯管产生的损
18、失与电站水头之比是非常小的,对电能影响在可以忽略的范围。而从结构方面看,却较大程度的改善了受力条件,壳体和肋板厚度大大减薄。不仅节约了工程量,且给施工制造带来了方便,增加了技术可行性。西龙池抽水蓄能电站装设4台单机容量为300MW竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组,机组额定水头为640m。输水系统由上水库进/出水口、引水事故闸门井、高压管道、尾水隧洞、尾水闸门井、下水库进/出水口等组成。输水系统总长度1850m左右,引水系统采用一管两机的供水方式,共2根主管,在距厂房54m左右布置高压岔管。尾水隧洞采用一机一洞的布置方式。在立面上采用斜井布置,在952.5m高程布置中平段,将斜井分成上、下两部分。
19、上、下斜井与水平面夹角分别为56和60,输水系统布置见图8、图9。图9 西龙池抽水蓄能电站输水系统剖面布置示意图图8 西龙池抽水蓄能电站输水系统平面布置示意图 从输水系统总体布置来看,岔管采用非对称Y型是比较顺畅的。在岔管体形设计时,初步选用不对称形岔管。岔管体形详见图10。主管直径为3.5m两支管直径为2.5m,岔管两支管轴线夹角为50,设计内水压力为10.15Mpa,为减少岔管不对称性,在主锥前通过两节圆锥过渡,将分岔角增大到72。通过采用三维有限元进行多方案优化后,明管状态下较优体形的主锥最大壁厚为 82mm,肋板最大厚度为180mm。钝角区内侧环向应力为348.6Mpa,外侧为198.
20、9Mpa,产生明显侧向弯曲,肋板最大截面处内侧左边正应力为277.1 Mpa ,右边为367.5Mpa,也存在很大的侧向弯曲。为减少岔管折角处应力,改善应力分布,最有效办法是修改体形,减少侧向弯曲,来达到减薄钢板厚度的目的。所以对岔管布置进行调整,采用对称形布置形式,详见图11。经采用三维有限元方法,进行多方案优化后,确定主锥最大壁厚为68mm,肋板最大厚度为150mm,壳板折角最大环向应力为433.1Mpa、肋板最大截面处内侧正应力为311.8 Mpa , 基本不存在侧向弯曲,降低了制造安装难度,而水头损失增加非常有限。图10 西龙池电站不对称岔管方案图11 西龙池电站对称岔管布置方案图12
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