抽水蓄能电站岔管布置与设计.docx
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抽水蓄能电站岔管布置与设计
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、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
PD
m2
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-W
4565
830
6.6
5.5
4.5
3.2
74
HT80
100
5777
200
奥美浓
E-W
4235
770
5.5
4.8
茶依拉
E-W
4047
1065
3.8
HT80
93
奥吉野
球
3582
833
7.0
4.3
2.7
HT80
4678
50
325
俣野川
Y球
3465
825
5.05
4.2
5.0
3.0
SM50
HT80
4283
59
玉原
球
3431
817
4.2
2.9
90
HT80
7080
58
310
奥矢作第二
球
3322
604
5.5
3.2
HT80
67
56
蛇尾川
E-W
3212
584
1.15
5.5
4..8
80
HT80
78
62
奥多多良木
球
3048
622
6.8
4.9
3.45
90
SM58Q
50
47
大河内
Y
3040
608
5.0
3.54
70
奥清津
球
2620
655
6.2
4.0
3.1
HT80
45
45
下乡
E-W
2559
609
4.2
2.9
64
SM58Q
80
49
150
本川
E-W
2096
446
5.7
4.7
3.5
90
HT60
6555
70
65
140
第二沼泽
三梁
2009
335
6.0
4.2
90
SM58Q
48
48
新丰根
三梁
9.3
5.0
SM58Q
17
沼源
球
819
130
9.6
6.3
3.6
60
SM58Q
18
大平
Y
5.2
3.8
15
南原
7.6
新高漱川
Y
8.0
5.65
SM50B
60
奥矢作第一
E-W
1781
274
6.5
5.2
90
SM58Q
60
50
125
天山
球
6.2
5.5
4.0
90
SM41C
2030
20
葛野川
E-W
4720
1180
4.6
4.0
2.85
60
SHY685NS
92
8980
鲁布格
E-W
1962
426.6
5.48
4.6
3.2
60
A517
42
90
十三陵
E-W
2599
684
4.2
3.8
2.7
74
HT80
62
50
124
西龙池
E-W
3552
1015
4.1
3.5
2.5
75
SHY685NS
56
50
张河湾
E-W
2704
520
5.8
5.2
3.6
70
SHY685NS
52
48
120
宜兴
E-W
3120
650
5.44
4.8
3.4
70
60
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
1.3～1.6D（主管直径）
1.3～1.6D
1.1～1.3D
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。
（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，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）；
μ—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）1/3×10-3
式中：
Wmax—砼最大裂缝开展宽度（m）；
fs—钢筋应力（MPa）；
dc—0.05＋φ／2，φ为钢筋直径（m）；
A＝2dcS，S为钢筋间距（m）。
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。
① 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。
② 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》（SD134－84，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6Y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。
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Ｙ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198.9Mpa，产生明显侧向弯曲，肋板最大截面处内侧左边正应力为277.1Mpa,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Ｙ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311.8Mpa,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今市岔管示意图
日本今市抽水蓄能电站输水系统采用一管三机供水方式，主管内径为5.5m，支管内径分别为4.5m和3.2m，设计内水压力为8.4MPa，尽管两支管管径不同，为避免过大侧向弯曲，使管壁及肋板厚度过大，仍采用对称Ｙ型岔管，见图12。
由于两支管夹角为60°比较小，在主锥前通过不对称圆锥过渡，使分岔角达到74°。
支岔锥通过两个圆锥段过渡,与直径为3.2m支管相连接。
这种布置从结构方面，可减少钢板厚度，降低制造难度；从水力特性看，增加弯管所产生的损失是很有限的。
3.2岔管结构分析
（1）内加强月牙肋岔管受力特点
内加强月牙肋岔管主管为扩大渐变的圆锥，支管为收缩渐变的圆锥，主、支锥公切于一假想球，两支锥相贯的不平衡力由月牙形加强肋承担。
由于它具有受力明确合理、设计方便、水流流态好、水头损失小、结构可靠、制作安装容易等特点，在国内外大中型常规和抽水蓄能电站地下埋管中得到广泛的应用。
内加强月牙肋岔管由于结构刚度小，肋板在一定程度上可随管壳一起变形，所以次应力较小，管壳大部分呈膜应力状态。
管壳厚度主要由折角点应力集中控制。
折角点应力由该点环向应力（膜应力）PR/t乘以该处的应力集中系数所得，应力集中系数如图13所示。
对于大型岔管，应通过三维有限元结构分析确定管壳厚度。
由图13可见有两种不同折角，一是A点，一是B点，分别令其为β0、βi，则该两点不同的形状系数K0、Ki为：
式中：
R，t0、ti分别为公切球半径和A、B两点的板厚。
图13应力集中系数
根据K0、Ki可从图13中查出应力集中系数f0、fi或f0’、fi’。
f0、fi适用岔管轴向能自由伸缩情况，f0’、fi’适用于岔管受轴向约束情况。
月牙肋宽度按以下原则确定：
确定作用于两条支管相贯线上合力的大小和方向，合力的作用线垂直月牙肋的断面，并令其通过断面的中心，使月牙肋各个截面处于轴心受拉状态。
肋板宽度可用解析法计算也可采用作图法求解。
为说明内加强月牙肋岔管的受力特点，以下介绍解析法求解肋板宽度的方法。
解析法确定肋板宽度是基于对称圆筒形岔管，水压试验工况下，忽略肋板对壳体的约束，假定管壁在破口处，仍维持膜应力状态，并将此力传至肋板上，使肋板各截面的形心与两支管传递合力的作用点重合的假设下确定的。
在进行肋板应力计算时，不考虑管壁的影响。
计算简图见图14。
作用在肋板任一截面上的垂直方向分力Ｖ为：
图14对称圆柱形岔管计算简图
水平分力Ｈ为:
作用在肋板上任一截面上合力Ｒ为：
合力Ｒ的方向：
合力Ｒ与水平分力夹角γ为：
tanγ=V/H=tanα/sinβ=X/Y
γ＝∠BOF（１－１剖面中）
合力Ｒ方向总是和连接座标原点O与合力作用点Ｆ的直线垂直。
在肋板最大截面处水平分力Ｈπ/2＝０。
即剪力为０。
合力作用点距原点Ｏ的距离I为：
最大肋宽处（α=π/2），合力作用点距座标原点Ｏ的距离为：
岔管最大肋宽Ｂ：
以肋板最大截面形心与其合力作用点重合为原则确定。
肋板最大宽度处，水平分力H=0，月牙肋厚度S可由下式求得：
S＝V/（BσR）
式中σR为材料抗力。
月牙肋应力按与管壳应力相等原则确定时，月牙肋厚度按下式确定：
式中t为管壳厚度。
当支锥为圆锥时，应采用下述方法对上式进行修正。
式中：
K—圆锥形支管的修正系数
当ε＝0（圆筒形）时，K＝1.0；
当ε≥10°时，K＝0.95；
当ε＜10°时，K采用直线内差计算。
（上述ε为支锥的半锥顶角）
（2）内加强月牙肋岔管体形优化
①应力控制标准
根据内加强月牙肋岔管受力特点，可分为管壳部位的膜应力、局部膜应力、峰值应力和加强肋的应力。
依据岔管不同部位应力是否有自限能力和自限程度的不同，来区分应力的控制要求。
膜应力是根据与内水压力平衡确定的，不具有自限性；局部膜应力是在内水压力作用下，因不同壳体连接处母线的不连续，为满足变形协调关系产生的膜应力，局部膜应力具有一定的自限性，即一旦超载时，材料将产生少量的局部塑性变形，缓解产生边缘应力的连续条件；峰值应力是由于母线折角部位为满足变形协调所产生的局部膜应力与弯曲应力的迭加结果，峰值应力有很大的自限性；加强肋的应力为一次弯曲应力，不允许发生屈服应变。
对于内加强月牙肋岔管而言，母线转折引起的应力集中，包含了局部膜应力，这种具有一定自限能力的应力分量既不同于膜应力，也不同于包含弯曲应力分量的峰值应力。
比较ASME锅炉及压力容器规范Ⅷ—2对应力控制的标准，对膜应力、局部膜应力和峰值应力的不同限制值，在岔管设计时应对局部膜应力给予特别的关注。
②岔管体形设计
图15西龙池电站岔管
明管状态下最优体形
岔管体形设计，应根据《水电站压力钢管设计规范》DL/T5141-2001推荐的结构力学方法，以及类比已建工程，初步拟定岔管体形。
对于大型岔管还应进行三维有限元结分析，进一步优化岔管体形。
岔管体形优化应以岔管重量最小为目标，调整体形参数，使管壳折角点应力分布尽可能均匀。
图15及表3为西龙池抽水蓄能电站岔管明管状态下的最终优化体形和有限元计算成果。
经充分的体形优化后，管壳折角点局部膜应力分布比较均匀，最大与最小相差不足16％。
表3岔管体形优化成果―管壳上各母线转折处应力
应力
管壳局部环向应力（MPa）
A左
A右
B左
B右
C左
C右
D左
D右
E左
E右
管外壁应力
局部薄膜应力
管内壁应力
277.6336.0396.6
296.6346.2398.0
322.9370.0419.2
323.6370.3419.0
362.1388.7417.0
360.4390.6422.4
309.1341.2375.3
350.0358.9369.4
352.0349.1347.0
373.8363.6354.0
（3）埋藏式岔管围岩分担内水压力设计
国内外埋藏式岔管皆按明管设计，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备，这不仅是由于岔管距厂房较近，按明管设计趋于安全，更主要的是没有一种恰当的设计理论、方法和成功的经验。
对于大PD岔管考虑围岩分担内水压力，减小钢板厚度的意义不仅仅在于节约钢材用量，更重要的是降低岔管制安难度。
以往有些工程也不同程度地考虑围岩分担内水压力的潜力，如以礼河三级电站斜井式调压井的分岔结构，是埋藏式三梁钢岔管，按明管设计加劲梁，尺寸庞大，设计采用工程类比方法考虑围岩分担内水压力，减小了加劲梁尺寸；渔子溪一级电站三梁岔管，设计考虑岔管位置围岩地质条件较好，假定围岩分担15％～30%的内水压力，这一经验作法纳入《水电站压力钢管设计规范（试行）》（SD144-85），通过提高10%～30%允许应力的方法来间接地反映围岩分担内水压力的作用。
在岔管的实际运行状态下，内水压力是通过变形协调，实现围岩与钢岔管
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