高水头抽水蓄能电站压力钢管设计探讨

周培勇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

抽水蓄能电站作为目前最为成熟的储能技术，是实现碳达峰、碳中和战略目标，构建以新能源为主体的新型电力系统转型发展的关键支撑。依据各国抽水蓄能电站建设经验，输水系统投资占比大致为总投资的25%[1]，钢衬段投资在输水系统中占比达20%～50%，钢衬段钢管壁厚对抽水蓄能电站设计的经济合理性影响较大。水库库容等条件确定的情况下，水头越高，抽水蓄能电站的单位千瓦投资越低，这促使抽水蓄能电站向高水头方向发展。目前，国内绩溪、西龙池与长龙山抽水蓄能电站压力钢管的设计水头均突破1 000 m，分别达到1 008，1 015，1 165 m，高水头作用下，压力钢管安全与否直接关系到抽水蓄能电站的安全稳定运行。由此可见，高水头抽水蓄能电站压力钢管设计，对工程安全性与经济性影响较大。

1 强度设计

抽水蓄能电站压力钢管包括引水压力钢管与尾水压力钢管[2]。依据压力钢管经济流速求得管径，并参考类似工程经验确定管径后，压力钢管设计重难点便在于选择合理的材质，确定设计荷载，计算结构抗力R与荷载效应S，确保各设计工况S＜R。

1.1 材质选择

当引水下斜井段与下平段均为压力钢管时，下斜井段内水压力变化大，采用同一强度钢板管壁厚度变化大。为避免钢管壁厚变化大、厚度较大钢管加工工艺复杂、加工制造困难、影响工期等不利因素，引水下斜井段钢管强度可分段逐步提高，具体压力钢管材质选择原则：通过结构计算，若500 MPa级钢板厚度超过38 mm，则跳档采用600 MPa 级刚板；若600 MPa 级刚板厚度超过50 mm，则需采用800 MPa 级钢板，且800 MPa 级钢板厚度不宜超过50 mm，不同管节间壁厚级差宜取2 mm。尾水压力钢管承担内水压力较小，一般采用Q345R钢材。

确定压力钢管材质后，即可确定钢材强度设计值f，再依据工程等别、水工建筑物级别、设计工况和不同管型，分别确定结构重要性系数γ0、设计状况系数ψ、结构系数γd后，依据下式确定钢管结构抗力σR[3]：

1.2 管型确定与结构计算原则

压力钢管不同管型、不同应力的γd取值有较大的差别，且同一管型由于其重要性与施工可靠度不同，是否降低抗力限值、是否考虑围岩弹性抗力影响也不同，因此有必要梳理总结压力钢管管型确定与结构计算原则。总结相关工程经验，抽水蓄能电站压力钢管管型确定与结构计算原则如下：

1）地下厂房内明管按明管设计，γd值增大20%设计，内水压力由钢管承担；

2）地下厂房边墙上游3 倍钢管直径范围段钢管按明管设计，内水压力全部由钢管承担，钢板抗力限值取明管抗力限值；

3）地下厂房边墙上游3 倍钢管直径范围～距地下厂房边墙上游约20 m 之间钢管段，按埋管设计，钢板抗力限值取埋管抗力限值，不计围岩弹性抗力，K0=0；

4）距地下厂房边墙上游20 m 以外，钢管按埋管设计，钢板抗力限值取埋管抗力限值，考虑施工缝隙与温降缝隙，合理选择围岩弹性抗力K0；

5）与施工支洞相交段压力钢管，按埋管设计，钢板抗力限值取埋管抗力限值，不计围岩弹性抗力，K0=0；

6）尾水压力钢管上部一般是主副厂房、母线洞与主变洞等地下洞室群，钢管顶部岩层厚度常不满足3 倍洞径的埋管计算要求，按明管考虑，用明管抗力限值；

7）钢衬壁厚以运行期内水压力作为控制条件，以检修期外水压力作为复核条件。

1.3 荷载确定

依据T/CEC 5010-2019《抽水蓄能电站水力过渡过程计算分析导则》：考虑水力过渡过程产生的水锤压力，过渡过程计算模型和边界的影响，机组甩负荷脉动压力的影响，前期无条件开展过渡过程计算时，引水压力钢管设计内水压力可取为1.35～1.37 倍上游正常蓄水位与机组安装高程之差。对于尾水压力钢管，当下游正常蓄水位与尾水管底高程之差小于100 m 时，尾水压力钢管设计内水压力可取为1.4～1.6 倍下游正常蓄水位与尾水管底高程之差；当下游正常蓄水位与尾水管底高程之差大于100 m 时，尾水压力钢管设计内水压力可取为1.35～1.37 倍下游正常蓄水位与尾水管底高程之差[4]。

武汉大学侯建国等通过统计国内外水电站围岩分担率设计值与实测值发现[5]：国内外电站围岩分担率设计值为15%～60%，但围岩实测分担率达25%～89%。满足裂隙判别条件式（2）与覆盖围岩厚度条件式（3—7）后，考虑围岩与钢衬联合承载能较好地解决工程安全与经济这一矛盾问题，目前考虑围岩与钢管联合承载在抽水蓄能电站中应用较为普遍。

式中：σR——钢管结构构件抗力限值，N/mm2，埋管高于明管；r——钢管内半径，mm；Es2——平面应变问题刚材弹性模量，N/mm2；δ2——包括施工缝隙、钢管冷缩缝隙与围岩冷缩缝隙；Hr——垂直于管轴的最小覆盖层厚度，不计全风化与强风化层，mm；p2——围岩分担的内压，N/mm2；γr——围岩重度较小值，N/mm3；α——管轴与水平面夹角，°，α＞60°取为60°；Es——刚材弹性模量，N/mm2；ν——钢材泊松比；p——内水压力设计值，N/mm2；σθ1——内压作用下钢管最小环向应力，N/mm2；t——钢管壁厚，mm；r5——隧洞开挖半径，mm；K01——围岩弹性抗力最大可能值，N/mm2，1 000 所带单位为mm；δs2——最高水温情况下的钢管冷缩缝隙值，mm。

1.4 裂隙条件不满足时钢管壁厚计算

考虑围岩与钢管联合承载时，钢衬与围岩间的裂隙大小δ2对钢管的应力大小影响十分敏感[6]。如钢管应力达到钢板抗力限值σR时，且钢管的抗力限值变形δs＜δ2，则围岩没有与钢衬接触，不能考虑围岩承载，内水压力由钢管单独承担，按式（8）计算钢管壁厚t。需要注意的是此时钢管σR的取值分埋管与明管两种情况：1）当Hr大于3 倍开挖洞径，满足式（3）时，σR采用埋管抗力限值，地下厂房上游与施工支洞相交部位压力钢管、地下厂房边墙上游3 倍钢管直径范围～距地下厂房边墙上游约20 m 之间钢管段如扩挖比较严重，施工可靠度不高，δ2可能超过δs时，保守考虑钢管结构计算可按这种情况考虑；2）Hr不满足大于3倍开挖洞径时，σR采用明管抗力限值，尾水支管压力钢管结构计算属于这种情况。

1.5 裂隙条件满足时钢管壁厚计算

施工可靠度高，回填混凝土质量好，钢衬与围岩间的裂隙δ2＜δs，且最小覆盖层厚度满足式（3）的3 倍开挖洞径要求时，埋钢管应力达到钢板抗力限值σR前，钢衬与围岩已紧密接触，部分内水压力可由围岩分担，可考虑钢管与围岩联合承载。需要注意此时按最小覆盖层厚度是否有能力提供弹性抗力K0，埋钢管分考虑围岩K0与考虑围岩压重2 种情况：

1）当Hr满足式（4）时，由于覆盖层产生的自重应力大于围岩承担的内水压力，内水压力作用下围岩有能力给回填混凝土与钢衬一个反作用力，阻碍回填混凝土与钢衬的径向变形，这种围岩抵抗回填混凝土与钢衬径向变形能力便是弹性抗力。t按式（9）考虑围岩K0计算。计算得到t后，还需依据式（10）复核钢管环向最大正应力σθ是否需小于埋管σR。距地下厂房边墙上游20 m 以外的埋钢管设计属于这种情况。

式中：K0——围岩单位抗力系数较小值，N/mm2。

2）当Hr不满足式（4）时，由于覆盖层产生的自重应力小于围岩承担的内水压力，围岩只能依靠自身压重承担内水压力，无抵抗回填混凝土与钢衬径向变形能力（无弹性抗力），此时t按式（11-12）计算。地下厂房上游与施工支洞相交部位压力钢管、地下厂房边墙上游3 倍钢管直径范围～距地下厂房边墙上游约20 m 之间钢管段如施工可靠度高，δ2＜δs时，可按这种情况考虑。

需要注意的是考虑围岩K0计算t时，覆盖围岩厚度条件式（3—8）判别中的t还是未知数，因此，需先假定覆盖围岩条件满足要求求t，求得t后再由式（3—8）来验算覆盖围岩厚度条件是否满足要求，如满足则采用式（9）计算t，否则采用式（12）计算t。为限制围岩的作用，保证安全裕度，考虑围岩联合承载时：围岩覆盖条件判别时采用温升时对应的δs2，围岩弹性抗力采用可能最大值，确保围岩最不利工况围岩厚度满足要求；采用式（9）计算t时，保证裂隙值δ2≥4.0×10-4压力钢管内径的前提下，采用温降时对应的钢衬与围岩间的裂隙最大值δ2，围岩弹性抗力采用可能最小值，确保钢管最不利工况钢管壁厚满足要求。

2 抗外压稳定设计

地下埋钢管外荷载主要是施工期的围岩压力、灌浆荷载与检修期的外水压力。埋藏式压力钢管的围岩压力可通过喷锚支护，完成在隧洞开挖施工期的自身承载，可不考虑。施工期灌浆荷载，因其为临时荷载与点荷载，可通过钢管内加内支撑、合理布置灌浆塞、控制灌浆压力等措施解决。因此，埋藏式压力钢管抗外压稳定设计关键在于合理确定设计外水压力。

2.1 引水压力钢管荷载确定

当上水库与引水系统充水运行后，由于上水库渗流边界与引水隧洞内水外渗对山体地下渗流场的影响，最终形成一个平衡的山体地下渗流场。上水库处于蓄水运行期时，发电隧洞一洞放空检修的同时一洞充水运行或两洞同时放空检修的情况下，压力钢管将承受山体渗透过来的外水压力，该外水压力的取值决定压力钢管的抗外压稳定计算。总结国内已建抽水蓄能电站钢管检修期外水压力取值方法，可取下述两种计算方法中的较大值：

1）假定钢管运行期地下水位接近地表极限。排水廊道底高程至压力钢管取全水头，考虑排水廊道的排水作用，排水廊道底高程至地表高程段的外水压力，依据工程地质条件，选取为0.2～0.6的外水压力折减系数进行折减考虑，压力钢管外水压力值为上述两值相加，总值保证不小于管道覆盖厚度的1/2。由于埋藏式压力钢管的光面管管壁抗外压稳定安全系数为2.0，因此，按上述原则确定压力钢管的外水压力后，即使地下水位抬升至地表的最不利情况发生，压力钢管的抗外压稳定系数仍然大于1。

2）根据已建工程实测资料显示：引水压力钢管检修期的外水压力与原勘探钻孔测得的地下水位线无明显关系，而由钢筋混凝土衬砌段隧洞内水外渗来确定。考虑内水外渗与外水内渗两次渗流损失，引水压力钢管外水压力值=最大静内水压力值×（1-围岩渗流损失系数）。

2.2 尾水压力钢管荷载确定

尾水压力钢管上部有庞大的地下洞室群与完备的排水系统，来自山体的外水压力不可能作用于尾水钢管外壁。尾水钢管的外水压力主要来自钢衬与钢筋混凝土衬砌衔接点，由钢筋混凝土衬砌隧洞内水外渗透过帷幕灌浆产生。考虑钢管首段止水环、帷幕灌浆与周围排水孔幕防渗截排系统的作用，尾水压力钢管外水压力=最大静水压力×折减系数（0.2～0.4）。

3 结论

1）考虑水锤作用，引水压力钢管设计内水压力可取为1.35～1.37倍引水系统最大静水压力，按尾水系统最大静水压力是否大于100 m，尾水压力钢管设计内水压力可取为1.35～1.37倍或1.4～1.6倍尾水系统最大静水压力。压力钢管外水压力最大值一般由钢筋混凝土衬砌段隧洞内水外渗决定。

2）δs＜δ2时，内水压力由钢管单独承担，钢管抗力限值σR的取值分埋管与明管两种情况计算钢管壁厚。δs＞δ2时，埋管分考虑围岩弹性抗力K0与考虑围岩压重两种情况计算钢管壁厚。

3）围岩覆盖条件判别时，需采用温升对应的裂隙最小值，围岩弹性抗力需采用可能最大值。计算钢管壁厚时，保证裂隙值δ2不小于4.0×10-4压力钢管内径的前提下，采用温降对应的裂隙最大值，围岩弹性抗力采用可能最小值。