锦屏二级水电站压力钢管取消内支撑可行性分析

摘 要：根据水利水电工程压力钢管相关设计和规范要求，通常在压力钢管内部布设有内支撑，以防止压力钢管在运输及浇筑过程中受外力影响产生变形。本文通过对锦屏二级水电站压力钢管受力进行分析计算，并通过实际验证，取消了该电站下平段压力钢管内支撑，有效的提高了压力钢管安装效率，降低了施工成本。

关键词：压力钢管；取消；内支撑；可行性分析

中图分类号：TV547 文献标识码：B

1 工程概况

雅砻江锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的锦屏干流锦屏大河弯上，电站利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头310m，发电机单机容量600MW，总装机容量4800MW。锦屏二级水电站厂区枢纽设计布置有八条高压管道，每条高压管道原下平段布置有40节压力钢管，总长度为118m。压力钢管最大直径6500mm，最小直径6050mm，单节最大长度为3000mm，最小长度为2200mm。其中压力钢管下水平段第1节～第10节为600MPa级B610CF高强钢，板厚分别为56、52、48、44和40mm共5种规格，每节压力钢管外布置2层加劲环，环距1.5m；第11节～第40节为Q345R钢，板厚38mm，每节钢管外壁布置3层加劲环，环距1.0m。加劲环材质均为Q345R，板厚38mm，压力钢管结构布置图见图1。

为防止压力钢管在运输及浇筑过程中受外力影响产生变形，业主要求在每节钢管内部布置两组内支撑。施工单位根据《水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范》DL/T5017-2008中5.2.10“钢管宜采用活动内支撑……”要求，设计了活动内支撑，内支撑结构见下图2。该内支撑每组重量为462kg，8条高压管道下平段320节钢管共需布置内支撑640组，内支撑总重量约29.57吨。

2 存在问题

锦屏二级水电站高压管道压力钢管设计的加劲环布置较密，内支撑数量较多，同时设计要求在高强钢段采用活动内支撑，内支撑部分构件需要机械加工制成，导致内支撑制作成本较高。在施工过程中，由于下平段压力钢管安装时蜗壳、下弯段压力钢管已安装完成，下平段压力钢管二期混凝土浇筑完成后，内支撑拆除只能采用火焰切割分解成小段从蜗壳进人门运出，导致内支撑无法循环使用，且内支撑安装及拆除工作量非常大，拆除之后处理及防腐工作量也是相当大，使用成本非常大，安装、拆除危险系数高。

3 解决方案

考虑到锦屏二级水电站下平段压力钢管管壁较厚（最薄壁厚38mm），高强钢段每节钢管布置2道加劲环，其余管节每节上布置3道加劲环，加劲环间距小。在压力钢管吊装翻身过程中及混凝土浇筑过程中，压力钢管抵抗外压能力相对较强，只要正确使用吊装手段，适当控制混凝土的浇筑速度，管节不会发生变形，具备取消内支撑的条件。因此，我们建议取消下平段压力钢管内支撑，以减少工作量、加快施工进度、降低施工成本及施工风险。

4 可行性分析

为验证建议的合理性，施工单位进行了理论计算和实际试验过程监测。

4.1 理论计算

（1）钢管管壁抗外压稳定性分析

按照《水电站压力钢管设计规范》对钢管进行抗外压稳定分析，钢管承受均布外压荷载（混凝土回填压力），其抗外压稳定可按下式进行验算：

KcP0k≤Pcr

Kc——抗外压稳定安全系数，取1.8；

P0k——径向均布外压力标准值（N/㎜2）；

Pcr——抗外压稳定临界压力计算值（N/㎜2）。

为此，施工单位采用米赛斯公式和短柱公式分别对管壁进行抗外压能力计算，并取两式中的小值。

（2）米赛斯公式：

式中：

（3）短柱公式：

Pcr=，式中：

AR=ha+t（a+1.56）

选取38mm壁厚、加劲环38mm的钢管进行验算。列表计算如表1所述。

取两者最小值，即为P0k=1.56MPa。

（4）压力钢管吊装翻身后受力分析

选取长度为3m，内径为6.5m，壁厚为38㎜，重量为22.19t的管节进行受力分析。钢管翻身后，承受钢管自重，管体下侧承受的重量最大，取22.19t，受力面积为：π×（6500+38）×3/（2×1000）=30.81（㎡），则管体下侧受力为：

22.19×104/30.81=7202（N/㎡）=0.0072（MPa）< P0k=1.56 MPa

因此，钢管在翻身后，管体不会发生变形。

（5）承受均布外压荷载（混凝土回填压力）计算

高压管道下弯段及下平段开挖截面直径为8.7m，按以下公式计算混凝土作用于钢管四周的最大侧压力：

F=γcH kN/㎡

其中H=8.7m，γc=25kN/m3

则：F=γcH=25×8.7=217.5 kN/㎡=0.22 MPa

因此，在进行混凝土回填时钢管四周不会因为混凝土的侧压力作用而失稳。

4.2 实际试验

为验证压力钢管在实际安装过程中，起吊翻身和砼浇筑这两个环节对钢管的质量不会产生不良影响，施工单位在现场选取一节钢管未安装内支撑进行试验，经过吊装翻身后对钢管管口圆度进行测量，同时该管节安装后进行二期砼浇筑，浇筑后对该钢管管口圆度进行了复检，两次检测管口所有圆度检测数据均在3mm及以下，满足设计和规范《DL/T5017-2007》（圆度≤3D/1000=19.5mm）要求，且达到水利水电工程验收评定优良标准。

结语

通过理论计算和实际试验对锦屏二级水电站下平段压力钢管取消内支撑进行可行性分析，认为在压力钢管吊装翻身及二期混凝土浇筑过程中不会对下平段压力钢管产生不良影响，施工单位取消下平段压力钢管安装内支撑的建议得到了设计、业主单位的认可。目前该工程压力钢管安装、浇筑全部完成，安装质量符合设计、规范要求，并全部达到优良标准。通过取消压力钢管内支撑，为施工单位了减少了施工成本，同时加快了施工进度、降低了施工风险。

参考文献

[1]万天明，马耀芳，徐绍波等.水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范[S].中国电力出版社，2007.

[2]王鹏飞，陈美娟，王既民等.水电站压力钢管设计规范[S].中国水利水电出版社，2003.