色拉龙工程引水压力管道布设研究
（刊登于《工程技术》2018年11月）
邹仕华
（云南省能源投资集团有限公司 云南 昆明 650228）
[摘 要]：色拉龙一级水电站为坝后式厂房,采用双机双管引水,压力管道直径4.8米，管长52.026米，首尾落差41.7米。本文研究压力管道的布置形式和结构型式,以减少管道布置对坝体断面的削弱,方便施工,提高坝体结构整体安全性。采用下游坝面留浅槽管的布置形式,和钢衬钢筋混凝土管联合受力的结构型式，布设引水压力管道，既保证工程质量，又节省工程投资。
关键词：色拉龙工程；引水压力管道；研究
Study on Construction of Water Diversion Pressure Pipeline in Xelanong Project
Shihua Zou
（YunNan Provincial Energy Investment Group Co.LTD. Yunnan Kunming 650228）
[ Summary] : Xelanong-1 hydropower station is a post-dam factory building, using two-machine double-pipe water diversion, pressure pipe diameter 4.8 meters, tube length 52.026 meters, and head and tail drop 41.7 meters. This paper studies the arrangement form and structure type of pressure pipeline, in order to reduce the weakening of the dam section, and improves the overall safety of dam structure. Using the arrangement form of shallow groove pipe on the downstream dam surface and the structure type of the reinforced concrete pipe combined with the force, laying the diversion pressure pipe not only guarantees the quality of the project, but also saves the project investment.
Key words: Xelanong project; Water diversion pressure pipe; study
1.工程概况
色拉龙一级水电站（即色拉龙工程）以发电为主要开发任务，采用坝式开发。枢纽工程主要建筑物由碾压混凝土重力坝、溢流坝、坝式取水口、坝后式发电厂房、主变GIS 楼及尾水渠等组成。最大坝高67.5米，额定水头46米，最大引水流量171立方米/秒，电站装机容量70兆瓦，安装2台混流式机组，年平均发电量为2.699 亿千瓦时。
本工程属二等大（2）型工程，挡水、泄水、引水发电等主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑级别为4级。
本工程结构相对复杂，14#、15#坝段为进水口坝段，两个进水口坝段分别留有压力钢管槽，压力钢管槽宽7.8米，压力钢管直径4.8米，留有1.5米以上厚的外包裹混凝土（14# 压力钢管槽坝纵0+293.9-0+286.1，15#压力钢管槽坝纵0+259.9-0+252.1）。为保证压力钢管继续向上安装，并不出现变形位移，对压力钢管外包裹混凝土（相对桩号（G）0+39.039-（G）0+53.078）段进行分层浇筑。
此段浇筑一层后，压力钢管下方已固定好，相当于增加了一个“插销”门栓，稳固下平段的压力钢管，使得钢管整体可以继续安装。随之混凝土可继续上升，每次浇筑2.5米高。
2.压力管道的各项指标参数
本工程引水压力管道轴线全长52.026米，其上沿壁全长50.5796米，其下沿壁全长53.5235米，管内径4.8米，管壁厚又分三种，大部分为14毫米厚，只有下平段的5.768米段为18毫米厚，便于外壁包裹20毫米厚的弹性垫层；只有下平段的0.510米段为22毫米厚，严防连接蜗壳端的运行期相对超负荷磨损。压力管道末端，与蜗壳连结处，还预留10厘米长的配割余量。具体见表1和图1。
表1.色拉龙工程引水压力管道主管主要参数一览表
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终点、起点桩号 |
管轴线高程（米） |
管内径（米） |
管壁厚（毫米） |
管长（米） |
加劲（阻水）环 |
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断面（毫米） |
间距（米） |
个数 |
板厚（毫米） |
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（G）0+059.256-（G）0+058.846 |
161.500 |
4.8 |
22 |
0.510 |
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|
|
（G）0+058.846-（G）0+053.078 |
161.500 |
4.8 |
18 |
5.768 |
|
|
|
|
|
（G）0+053.078-（G）0+038.614 |
161.500-168.814 |
4.8 |
14 |
14.464 |
150×14 |
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10 |
14 |
|
（G）0+038.614-（G）0+014.614 |
168.814-190.565 |
4.8 |
14 |
24 |
150×14 |
2 |
12 |
14 |
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（G）0+014.614-（G）0+007.330 |
190.565-196.230 |
4.8 |
14 |
7.284 |
150×14 |
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4 |
14 |
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200×14 |
0.5 |
2 |
14 |
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图1.色拉龙工程引水压力钢管纵剖面图
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压力钢管材料，包含主要的钢管本身，还有套环、加劲（阻水）环，材质为Q345R钢（属于低合金高轻度钢，是屈服强度为345兆帕级的压力容器专用钢），净重为2倍的79.583吨，外带压缩模量取值2-5兆帕的20毫米厚的弹性垫层，也是2倍的工程量95平方米。与之相匹配的外包裹三级螺纹钢筋（
25、
22、16）67.14吨和C9025W6F100(三)混凝土3060立方米（密度约2.4吨/立方米），也是2倍。这2倍是指两个压力钢管。这样一来，压力钢管及其附属物总重约双倍7500吨，镶嵌在坝体里，固如金汤，接受高水头压力的洗礼，传递水能，发电传输，送电万家。
工地现场设立了专门的钢材加工厂，成批的板材相对低成本运至现场，由中国工匠，凭借他们的专业智慧和专门工具，借助外力，有效控制建造成本，灵巧打磨出符合设计要求的压力钢管成品。提供现场逐节安装。
20毫米厚5.768米长的聚氨脂软木弹性垫层，与蜗壳的弹性垫层具有相同功效，具备良好的物理性能和耐化学性能，用着压力钢管外部隔水、防水、防震、保温和抗变形，有效保护压力钢管，不至于水压力过大导致钢管损坏。这种材料，在国内多座大型水电站广泛使用，材质过关，工艺成熟，效果优良。体现中国标准、中国产品逐步“走出去”，也响应着国家“一带一路”精神。
3.压力管道的布设
俯瞰引水压力钢管，顺水流，其延伸方向垂直于坝轴线向下游（西），其轴线方位角为257°27′13″。上端▽196.230米处连接混凝土渐变段，下端▽161.500米末端处连接蜗壳。下部末端距坝轴线41.48米。两个压力管道轴线的水平间距16米，外表包裹1.5米厚以上的钢筋混凝土，牢固镶嵌在大坝体内，引水流量171立方米/秒，利用水头34.5-53.5米，额定水头46米。将可利用水头的势能转化为水轮机组的动能，旋转带动上部的发电机组，再由动能转化为电能和光能。
设计时，充分考虑压力钢管本身的材质、重量、功能以及与起始端（渐变混凝土、蜗壳）的衔接，与周边结构物的弥合关系（黄油润滑物、套环、弹性垫层、包裹钢筋、焊接和混凝土）。施工时，在方案措施制定与实施过程中，合理规避土建与金结的相关干扰，交叉实施，你中有我，我中有你，彼此“让道”，技术上合理，经济上可行，同步上升，严格执行合同工期和施工节点。
采用下游坝面留浅槽管的布置形式,留足管槽宽度7.8米，对坝体碾压混凝土施工干扰最小，同时为压力钢管铺设和二期混凝土包裹提供合理空间。采用钢衬钢筋混凝土管联合受力的结构型式，布设引水压力管道，下平段基座稳固，上弯段与混凝土渐变段衔接紧凑、密实。
过程中有一个细节不可小觑，预留下平段压力钢管一道5毫米宽的环缝，由10毫米厚40厘米长的套环“固结”着，待水库蓄水后进行内壁施焊。这道环缝正处于大坝与厂房的分隔处，预留给建设期内各种因素导致的局部位移、沉降和波动，直到相对稳定的程度，才进行最终施焊，使得压力钢管正式完好交付使用。
3.1.压力管道的布设形式
压力管道共分四段，第一段为下平段6.278米，又分4节，即连接蜗壳的壁厚22毫米的配割余量节（该节施工滞后于其他几节下平段，与蜗壳安装同步，更便于蜗壳无缝衔接）、两节2米长18毫米厚的环缝节、1.768米长18毫米厚的平弯节；第二段是下弯段14.464米，弯段对应的圆心角为65度，分10节，管壁厚均为14毫米，带有加劲（阻水）环；第三段是斜直段24米，与水平面夹角为65度，分12节，管壁厚均为14毫米，2米间隔的加劲（阻水）环；第四段是上弯段7.284米，弯段对应的圆心角为30度，分6节，管壁厚均为14毫米。
3.2.钢衬钢筋混凝土管联合受力的结构型式
国内外大中型水电站采用高水头、大直径的引水压力管道越来越多，给设计和施工带来一系列复杂的技术问题。但可以通过以下两种途径解决这类技术问题：一是研制高强合金钢，解决合金钢、厚钢板的加工焊接等技术问题。二是采用钢衬钢筋混凝土联合受力管，钢衬与外包裹钢筋混凝土共同承担内水压力和其他荷载，用三级钢筋替代部分钢板，以减薄钢衬厚度，解决引水管道采用高强合金钢或后钢板施工工艺的难度。
色拉龙一级水电站引水压力管道的背管选用14-22毫米厚345兆帕强度级的钢板，工地自行加工而成，钢筋采用III级钢，直径为16-25毫米，配置2层。钢衬钢筋混凝土压力钢管全长52.026米，主要分布在进水口至混凝土渐变段再延伸至上弯段、斜直段、下弯段与下平段。经综合分析，钢衬钢筋混凝土用14-22毫米厚的钢板，更有利于保证钢材材质和焊接质量。认真浇好外包裹混凝土，即可保证钢衬与钢筋混凝土联合受力，两者在同一部位出现缺陷达到破坏的概率很小，风险降至最低，安全度相对较高。钢衬钢筋混凝土压力管道不仅安全，而且也经济。
3.3.外包裹混凝土裂隙分析
在极限承载状态下，钢衬与钢筋混凝土联合承载，外包裹混凝土出现有限条径向裂隙。在开裂截面上，钢衬与各层环向钢筋达到其屈服强度，钢衬及钢筋的配置面积满足下列公式：
KPr≤FgRg+Fsфδs
式中，P-设计内压；K-总安全系数，取2.0；r-管道半径；Rg、δs-分别是钢筋、钢衬设计强度；ф-钢衬焊缝系数，取0.95；Fg、Fs-分别为钢筋和钢衬的截面积。
外包裹混凝土厚度1.5米以上，在外荷载和温度变化（建设期运行期均存在）作用下，会形成规律性的裂隙。其裂隙宽度采用《水工钢筋混凝土结构设计规范SDJ20-78》公式计算，做到试验值与计算值接近，才能满足工程质量要求。
4.结语
（1）色拉龙一级电站引水压力管道，坝后采取预留浅槽的背管布置方式，有利于管道的稳定性，减少施工干扰，便于179平台上部的主变和GIS楼的布设，节省工程投资，对坝体应力影响甚微。这种布设是合理的，也是合适的。
（2）坝后背管部分采取钢衬钢筋混凝土有利于降低发生事故的风险度。
（3）关于压力管道外包裹混凝土在外荷载和温度变化作用下的开裂规律及裂隙对钢筋钢衬应力的影响，是历年来国内外大中水电站均存在的共性特点，其影响值有待于库水位达正常蓄水位215米之后继续观测分析。
参考文献
[1]老挝色拉龙一级水电站可行性研究报告，成都勘测设计研究院，2015.07
[2]张仲卿，大型引水压力管道轴向应力分析计算研究，水力发电，2002.12
[3]杨泽贵，二滩水电站引水压力管道型式研究，水力发电，2002.12
[4]张曼曼等，公伯峡水电站发电引水压力管道设计，水力发电，2004.08
[5]胡进华、石运深，三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道设计研究，水力发电学报，2009.06
[6]谭华、唐明酉，溪洛渡水电站左岸引水压力管道深竖井混凝土施工技术，水利建设与管理，2012.10
[7]马军波、马鲁军，引水工程压力管道制作及施工质量控制，山东水利，2016.01
【收稿日期】2018-9-
【作者简介】邹仕华（1970-），男，汉族，湖北省潜江市人，工学学士，水利水电工程硕士，经济学硕士，正高级工程师，高级职业经理人，省级电力市场监管咨询专家，研究方向是水能动力工程、传统能源经济。
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