水电站钢管过河方案比选及设计的探讨

庄巧忠

庄巧忠

连平县水利水电勘测设计室广东连平517100

摘要：本文主要针对水电站钢管过河方案的比选及设计展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对过河的方案作了系统的比选，并对埋管方案的设计作了深入的分析，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

关键词：过河方案；比选；设计

水电站作为以水为动力发电的设施，对埋管过河的施工必须要有高度的重视。而要做好埋管过河的施工建设，就需要有科学合理的方案，因此，我们要结合具体的水电站实际情况，对不同的埋管过河方案进行认真比选，以能为过河施工带来极大的帮助。基于此，本文就水电站钢管过河方案的比选及设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定帮助。

1工程概况

本工程为河流上的一小型水电站，其开发方式为无调节径流引水式，开发目标为发电，无其它综合利用要求。电站设计引用流量16.89m3/s，设计水头149.80m，总装机21.0MW。该水电站为底格栏栅低坝取水的引水式水电站。工程布置从上至下为：首部枢纽、引水线路、调压井、压力管道位于河流左岸，厂房、升压站位于河流右岸，电站采用有压隧洞引水方案，隧洞长4418.21m。隧洞断面尺寸采用马蹄形2.52m×3.00m，压力钢管主管内径2.3m。

压力管道沿隧洞出口的山坡斜向河流布置，斜坡平均坡度约为30°左右，分4段布置，共设镇墩5个，隧洞出口为1号镇墩，厂房上部为5号镇墩（岔管镇墩）。

2过河方案比选

根据本电站引水发电系统的整体布置，压力钢管需跨越河流引入厂房。过河处河谷横断面形式为U形且河床横断面走势平缓，过河处河床宽度约16m。在本工程初设阶段设计人员对压力钢管的过河方式进行了多次讨论，最终确定将在管桥方案和埋管方案中进行比较。

（1）管桥过河方案：结合本工程实际优先考虑结构受力更为简单的平管桥形式。经设计，管桥两端为4号［坐标：（50155.84，80039.97）］和5号［坐标：（50138.35，79988.69）］镇墩，管桥全长37.42m，明钢管布置于钢筋混凝土简支桥梁上。支撑环采用滑动式支座，支撑环间距为6.52m。为适应明钢管在各种工况下的变形，在钢管两端各布置1个波纹管伸缩节。设计过河管桥纵剖面见图1。

3埋管方案设计

本工程中根据过河处河谷形式（U形且横断面河底走势平缓）及宽度（约16m）可选择埋管过河。只需适当调整压力钢管管线使其顺畅折入河底，并平顺地将埋管引入厂房内。

压力钢管线路关键点坐标如表2所示。其中1～3号镇墩位置与管桥方案相同。经此布置后压力钢管在管段0+288.460m处过河，埋管段全长55.388m。

表2压力钢管控制点坐标表

本工程埋管过河方案中须解决的难题有以下几点：

（1）由于压力钢管需在河底穿过且该段地质条件复杂，基础处理问题显得较为棘手；

（2）河水可能冲刷压力钢管；

（3）当爆发泥石流等灾害时，压力钢管将承受较大的沿河向力，钢管可能产生径向位移，传统伸缩节无法适应这种变形等。

3.1基础设计

基础设计应保证基础、上部结构和地基有足够的强度和稳定性，同时还要求变形和不均匀变形须在允许范围内。其设计应当按照拟定地基承载力、选择基础类型、选择埋置深度等步骤进行。在对基础进行设计时本方案结合工程实际，在地基承载力确定后重点进行了基础的选型设计。

3.1.1地基承载力

压力管道工程建议工程地质参数如表3。

表3工程地质参数表

图3地基应力计算剖面图单位：cm

但初步计算中考虑的因素相对简单，且本工程地处山区河流易发生泥石流等地质灾害，为确保工程的安全性，仍需对基础进行处理。

3.1.2基础选型

基础选型应根据工程地质和水文地质条件、上部结构的体型与功能要求、荷载大小和分布情况、相邻建筑基础情况、施工条件和材料供应以及地区抗震烈度等综合考虑确定。一般将基础分为两大类：浅基础和深基础。

基础的主要类型及其特点适用范围如表4所示。

表4基础类型及其特点和适用范围表

由于桩基础具有沉降均匀，抗水平力和抗震强的优点，应用于本工程中能有效地解决泥石流等特殊情况下对压力钢管的水平冲击力，且能有效控制压力钢管的变形问题，所以本工程在经多方案比较后决定采用桩基础。

3.1.3桩型选择

桩型的选择应根据建筑物的使用要求，上部结构类型、荷载大小及分布、工程地质情况、施工条件及周围环境等因素综合确定。由于本工程过河段的地基持力层层面起伏较大，结合工程经验最终确定采用钢筋混凝土灌注桩。

3.1.4桩的布置设计

桩的平面布置须满足：力求使各桩桩顶受荷均匀，上部结构的荷载重心与桩的重心相重合，并使复合群桩基础在承受水平力和弯矩方向有较大的抵抗矩。

综上，经计算分析埋管段的基础处理设计成果如下：

在过河段范围内的基础采用钢筋混凝土灌注桩加固地基，同时起到支撑压力钢管的作用，防止不均匀沉降。钢筋混凝土灌注桩桩径为600mm，桩长12m；4号镇墩基础、管0+308.992m～管0+341.150m压力钢管外包混凝土基础范围内的钢筋混凝土灌注桩中心距为4m。Y0+133.84m～Y0+151.74m防洪堤基础范围内灌注桩中心距为3.5m；灌注桩中心距可根据现场布置情况作相应调整，但必须满足其大于3.5倍桩径。

另外本工程中在管0+228.460m～管0+301.778m压力钢管外包混凝土基础范围内设计锚筋加固。该段范围采用Φ28锚筋，长9m，深入混凝土50cm，锚固弯头30cm，锚筋间距2.0m×2.0m，呈梅花形布置；4号镇墩设置2排Φ28锚筋，长9m，间距为2m，锚入岩体7.5m，埋入混凝土1.5m，锚筋与水平方向夹角均为30°；现场需对锚筋采取一定的防腐措施。

3.2抗冲刷设计

该工程河底段长29.4m，斜坡段长15.5m。小黑河段100年一遇的厂区校核洪水流量为297.5m3/s，最大允许不冲刷流速取1.2m/s。根据堤防工程设计规范，平顺护岸冲刷深度可按式（1）计算：

式中：hB为局部冲刷深度，m；从水面起算；hP为冲刷处的水深，m；以近似设计水位最大深度代替；Vcp为平均流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=0.25。

经计算从河底算起的局部冲刷深度约1.23m。

综合以上分析，确定压力钢管最大埋深为1.5m。具体处理措施有以下几点：

（1）回填大块石至原河床高程。根据洪水资料计算可知本河流冲刷深度为1.23m，回填大块石最薄处厚度为1.68m，满足冲刷要求。

（2）河右岸设置防洪墙。通过已有水文资料估算设计洪水位和校核洪水位，设置防洪墙。

（3）外包厚1m的混凝土对压力钢管加以保护。

3.3防变形结构

对山区性河流而言，洪水期易爆发泥石流等地质灾害，将产生不可预计的较大沿河向冲击力，可能会引起埋于河床下的压力钢管发生沿河向的微小变形。由于传统伸缩节不允许发生垂直于管轴线方向（本工程此处即为沿河向）发生变形，因此本工程中传统伸缩节将无法保证压力钢管的安全。

近几年来在一些水电站开始使用波纹管伸缩节，实践证明是成功的。波纹管伸缩节有较强的角变位能力，复合型波纹管伸缩节有较强的三维变形能力，可同时适应温度变化和地基不均匀变化所引起的位移，以及安装过程所产生的偏差。因此本工程中引入波纹管伸缩节代替传统伸缩节，较好地解决了这一难题。

4结语

水电站作为与河流最为接近的建筑设施，对埋管过河的施工有着极为高的要求。综上所述，本文通过结合具体的工程实例，对水电站钢管过河方案的比选及设计作了详细的阐述和深入的分析，相信能对水电站埋管过河的施工有着借鉴的作用。

参考文献：

[1]张广龙、覃雪明.污水管长距离过河的方案选择[J].科技风.2014（04）.

[2]张燕.荔城至澳洲山庄供水管道工程过河埋管施工[J].人民珠江.2011（05）.