抽水蓄能电站内加强月牙肋岔管围岩分担内水压力设计
[摘要] 埋藏式岔管国内外基本按明管设计，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备。西龙池抽水蓄能电站岔管PD值远超过国内已建工程规模，在国内首次采用考虑围岩分担内水压力设计。本文重点介绍西龙池岔管考虑围岩分担内水压力设计成果。首先通过三维有限元结构分析，较系统研究岔管围岩分担内水压力的规律，并初步提出埋藏式岔管的设计原则；通过1:2.5比尺的现场结构模型试验验最终确定埋藏式岔管设计参数和验证有限元计算成果。
［关键词］抽水蓄能电站 西龙池 内加强月牙肋岔管 围岩分担内水压力设计
Design of Assuming Surrounding Rock to Share Internal Water Pressure for Escher-Wyss Wyepiece at Xilongchi Pumped Storage Power Station
WANG Zhiguo
(Beijing Hydropower Investigation Design & Research Institute,CHECC,Beijing 100024)
[Abstract] Buried bifurcated pipes have been designed normally as exposed ones,in which,sharing internal water pressure with surrounding rock is taken as a safe reserve only.With a PD Value of far more than those in the existing domestic projects,this project adopts firstly the design assuming surrounding rock to share internal water pressure.This paper describes mainly the design results.In this paper,Law of sharing internal water pressure with surrounding rock is investigated systematically by means of 3D finite element structural analysis to give preliminary design principles for buried bifurcated pipes,and through the testing on a 1:2.5 site structure model,the design parameters are determined finally and the calculated results of EFM are demonstrated.
[Key words] Xilongchi pumped storage power station, Escher-Wyss wyepiece,Design of assuming surrounding rock to share internal water pressure
西龙池抽水蓄能电站岔管PD值达3552.5m2，远超过国内已建工程规模，在世界上也位于前列，如按传统方法即明管设计，管壳和肋板较厚，将会使岔管制造、安装难度较大，为此考虑围岩分担内水压力设计。国内外埋藏式岔管基本按明管设计，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备。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、渔子溪一级电站三梁岔管等，这些经验作法纳入《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，实现围岩与钢岔管共同分担的。通过对已建工程岔管的原型观测资料分析发现岔管应力并不高，证明围岩分担内水压力的作用是明显的。关于岔管围岩分担内水压力设计国内外尚处于探索阶段，如何考虑围岩分担内水压力的作用，还没有较成熟的方法。目前仅有日本的奥美浓电站的内加强月牙肋岔管，进行了围岩分担内水压力设计尝试，由于是首次尝试，缺乏经验，设计时围岩分担率限制在15%以下［6］，而原型观测结果表明，围岩分担率远大于15%，围岩分担作用是相当明显的。
1西龙池岔管基本参数
西龙池工程为一等Ⅰ级工程，工程规模属大(Ⅰ)型。岔管按Ⅰ级建筑物标准设计。西龙池抽水蓄能电站钢岔管位于2Z1-2和2Z1-3地层中，2Z1-2岩性为极薄层—薄层条带状、泥质条带状灰岩与中厚层—厚层泥质柱状灰岩互层，2Z1-3岩性为极薄层—薄层条带状、泥质条带状灰岩与中厚层—厚层泥质鲕状灰岩互层。岩石呈微风化至新鲜状态，围岩类别属于Ⅲb类。围岩裂隙较发育，主要有走向NE40~60°和NW300~320°两组陡倾裂隙。岩石饱和抗压强度为60~95MPa，水平、垂直变形模量分别为10 GPa和7Gpa，泊松比为0.28。岔管部位上覆岩体厚度260.0m，岔管采用对称“Y”型内加强月牙肋钢岔管，主管直径3.5m，支
管直径2.5m。岔管设计内水压力为10.15MPa。
2应力控制标准
西龙池电站高压岔管PD值达3552.5m2，通过结构分析和工程类比，需采用80kgf/mm2级钢板制造。80kgf/mm2级钢材目前我国还没有标准，且《水电站压力钢管设计规范》DL/T 5141-2001也没明确规定80kgf/mm2级钢材的设计强度。考虑到80kgf/mm2级钢材将采用日本标准，且岔管采用国际整体采购，并根据十三陵工程成功经验，岔管应力控制标准按日本《水门铁管技术基准》。
对于内加强月牙肋岔管，可分为管壳部位的膜应力、局部膜应力、峰值应力和肋板的应力。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。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。
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