马来西亚巴贡水电站施工供水系统设计与施工

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  摘要: 本文主要介绍了马来西亚巴贡水电站施工供水系统的设计原则、计算方法、布置和施工,分析了巴贡水电站施工供水系统在施工正常期和用水高峰期的供水能力,为巴贡项目的施工进度提供了有利的供水保障。
  关键词: 巴贡;施工;供水;设计;计算
  Abstract: this paper mainly introduces the Malaysia and gong hydropower station construction water supply system design principle, calculation method, arrangement and construction, this paper analyzes the construction water supply system, gong hydropower station in the construction period and normal water peak water supply ability, for the construction of the project progress and gong has provided the favorable water supply security.
  Keywords: Bakun; Construction; Water supply; Design; calculation
  
  中圖分类号: TQ639.2 文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  1工程概况
  巴贡200m级混凝土面板堆石坝水电站位于马来西亚沙捞越州的巴雷河上,是马来西亚迄今最大的水电项目。电站装机240万千瓦,水库库容438亿立方米,被誉为东南亚的“三峡”工程。巴贡水电站主体土建工程(EPC项目)由中国水利水电建设集团和马来西亚当地公司组成的马中水电联营体于2002年10月8日中标承建。
  2 供水系统选址
  因坝址区降雨量丰富,巴雷河水位变化幅度较大,且坝址区地形复杂,取水点的选取干扰因素较多,经现场查看,拟采用在大坝右岸W13场地附近设置挡水墙,由此处集中供水,然后布置供水管路至各相关施工部位。
  W13场地旁的小溪,流量较大,水流清澈,满足生产用水的需求。此外,至挡水墙、水泵房及发电机房等部位,已基本具备交通和运输条件,交通相对便利。
  3 供水系统的组成、设计与施工
  3.1 浆砌石挡水墙
  浆砌石挡水墙位于W13场地下游200m左右,砌筑于一条小溪上,砌筑段基础面主要为砂岩。浆砌石挡水墙高不小于4.50m,长约14m,底部宽度不小于3.6m,顶部宽度为50cm。迎水面坡比为1∶0.2,背水面坡比为1∶0.6。底部铺设不小于10cm厚C20砼。因浆砌石挡水墙为坝顶溢流,在施工过程中,浆砌石的砂浆应饱满,并不低于75#。
  3.2 水泵及水泵房
  在小溪右侧EL87.00m平台布置抽水泵房,建筑面积21m2,为简易木结构,高2.5m。水泵基础采用砼结构,平面尺寸300*150cm2,厚度为30cm。水泵房内布置两台水泵,一用一备。选用150TSWA*9型水泵,其主要技术参数见表1。
  表1 150TSWA*9水泵主要技术参数
  
  
  3.3 发电机及发电机房
  在水泵房右侧EL91.00平台,布置发电机房,建筑面积60m2,砖砼结构。发电机房高3.0m, 砖砌体高2.5m,砌体顶部至屋顶设置木制百叶窗,利于通风。发电机基础采用砼结构,平面尺寸2*400*150cm2,厚度为30cm。机房内布置250KW发电机两台,一用一备。
  3.4 生产水池及抽水自动控制系统
  生产水池位于右岸坝肩EL258.00m处,距离浆砌石挡水墙约2000m,水池底部为中风化砂岩。水池底部平面尺寸为20.20*25.20m,容积为1050m3。水池为浆砌石砌体结构,底部宽度不小于2.6m,顶部宽度为50cm,高度不小于3.5m,背坡采用1∶0.6,在水池底部及浆砌石底部均浇筑不小于10cm厚砼。水池埋设一条排污管和两条出水管,并在进水管至水池顶部后加设弯头,将钢管引至水池底部,以免水流直接冲刷水池底部。生产水池抽水自动控制系统由浮子、继电器和电缆组成。
  3.5 取水管路
  取水管采用Φ273钢管,壁厚6.5mm。管路主要沿施工道路内侧布置,至水池正下方后,由于坡度较陡,在坡度的底部和顶部均须设置镇墩。取水管路计算如下:
  取水管路采用钢管,取水管路从水泵平台至水池,管路总长约2200m,高差达174.5m,另加吸水管长度,总高差约180.00m。
  3.5.1砼浇筑强度
  高峰期发生在2005年7月,砼浇筑量为25494m3(电站厂房:18512m3;大坝:6031m3;引水隧洞:2951m3)。
  3.5.2 砼浇筑用水量
  砼浇筑全部用水量一般取值为2000~2400L/ m3,养护用水量取值为400~600L/m3。本项目供水设计取二者之和的最大值,即砼用水量3000 L/ m3。
  3.5.3 取水管路计算
  3.5.3.1流速
  根据规范要求,对取水管路直径小于300mm,其经济流速一般为1.1~2.0m/s,暂取1.5m/s作初步计算。
  3.5.3.2 用水量
  (1)砼浇筑Q=K1*Q1*N1*K2/(30*24*3600)=50.90L/s
  其中,K1-未预计的用水系数,此处取K1=1.15;Q1-高峰月砼浇筑强度,取25494m3/月;N1-施工用水定额,取3000L/m3;K2-施工用水不均衡系数,取1.5。
  (2)基础处理预计用水量90m3/h,即25L/s。
  故Q总=50.9+25=75.9L/s。
  3.5.3.3 取水网路管径
  d==0.253m
  选用DN250管路作取水管,可以满足施工需要。
  3.5.3.4 管壁厚度
  根据规范要求,地面钢管在基本荷载组合条件下,[σ]=0.55σs,考虑局部应力时,可提高到[σ]=0.67σs,其中σs为屈服点,针对Q235材质的钢材,σs=210~240Mpa。
  引水钢管内径250mm,长度约2000m,管轴线与地面的倾角为6º,静水头压力为180m,钢材允许应力[σ]=120Mpa,考虑局部应力时允许应力[σ]=160Mpa。钢管焊缝系数取0.9。
  1) 初步计算管壁厚度
  首先根据主要荷载(内水压力)初估管壁厚度。采用降低允许应力75%,按《锅炉》公式估算。
  H=H0+ΔH=H0+c*(V0-V)/g=333m
  其中,H0表示静水头,ΔH表示水击产生的水头。C表示冲击波传播速度,此处选1000m/s。
  相当压强 P=3.33mPa
  初估管壁厚度 δ=PD/(2*0.75[σ])=4.63mm
  根据钢管制作的要求,选用管壁厚度6.5mm。其中考虑1mm的防锈层。
  2)管壁应力计算
  (1)径向内水压力产生的管壁环向应力σθ
  σθ=PD/(2δ)=3.33*0.25/(2*0.0055)=75.68Mpa
  (2)径向内水压力产生的管壁径向应力σr=-P=-3.33Mpa
  管内缘为-3.33Mpa,逐渐减小到管外缘σr=0。
  (3)轴向力产生的管壁轴向应力σ´X
  主要的轴向力:钢管自重轴向分力A1;关闭阀门时,阀门及封盖上的力A2;水流对管壁产生的摩擦力A3等,A3因其值较小,忽略不计。
  A=A1+A2+A3=3.4*2000*sin6º+3.14*0.252*1*180=-750.8KN
  σ´X=A/F=750.8*1000/(3.14*0.25*0.055)=-17.34Mpa
  (4)法向力产生的管壁弯曲轴向应力σ"X(忽略不计)。
  故σX=-17.34MPa
  3)管壁代表点强度校核
  按照第四强度理论(畸变能理论),一般对管顶点和管底点内缘进行强度校核(此时的剪应力为0)。
  σ0=
  =87.33Mpa<Ф[σ]=108Mpa
  按平面应力理论,忽略σr,合成应力σ1=85.46 Mpa<Ф[σ]=108Mpa
  故选取的DN250(壁厚6.5mm)钢管作为取水管路是可行的。
  最终选用Φ273钢管,壁厚6.5mm。
  3.5.3.5 水泵扬程计算
  水泵静水头为:180m。
  沿程水头损失:h1=ξpLQ2;局部水头损失:h2=∑ξ´p
  对DN250管径,管路摩阻率ξp一般取2.583。h2=(0.15~0.2)h1
  h =39.28m
  故水泵扬程为219.28m
  3.6 供水管路
  供水管路从右岸至左岸,分两趟布置。一趟供右岸大坝趾板、面板砼浇筑和基础处理用水,另一趟供左岸大坝砼、隧洞开挖和砼、厂房砼以及各部位基础处理用水。
  右岸供水管路采用Φ159钢管,壁厚4.5mm。供水管路沿大坝趾板上游方向布置,分别在EL210.00m和EL150.00m布置取水点A和B,取水点处设置Φ108钢管和闸阀。
  右岸至左岸供水管路主要采用Φ273钢管和Φ159钢管,壁厚分别为6.5mm和6mm。Φ273钢管供水管路从水池引出后,沿施工道路内侧布置,经上游围堰至隧洞2#支洞口顶部,Φ159钢管从隧洞2#支洞口顶部至电站厂房上游边坡EL70.00m,供厂房砼浇筑和隧洞下游开挖和砼浇筑施工用水。
  在上游围堰左端头EL120.00m处布置取水点C,设置Φ108钢管作支管,并设闸阀。在隧洞2#支洞口顶部布置取水点D,设置Φ108钢管作支管,并设闸阀。在厂房上游边坡EL70.00m处布置取水点E,并设两个闸阀,分别供隧洞和厂房施工用水。
  在上游围堰右端头EL105m左右,设放空管路,管路直接铺设至导流洞进口部位。管路采用Φ273钢管,并设闸阀,在放空管附近供水主管路两侧设置两个止回阀,供管路检修用。
  各取水点特性见表2。
  表2 取水点特性表
  
  
  供水管路管径及管壁厚度计算:
  管网水力计算原则:按供水系统高峰日中最高配水量(考虑系统漏损和系统未预见的水量)及设计水压计算。管网的流量计算按枝状管网考虑。其计算条件是每一管段的流量等于其下游各节点流量之和,即∑q=0。一般从管网的末梢节点开始,逐个向上游推算出各管段的流量,进而计算管径和水头损失等。
  3.6.1 水池至取水点E
  主要供电站厂房和引水隧洞下游砼浇筑用水。管路总长约3300m。
  3.6.1.1用水量计算
  砼浇筑高峰强度为21500m3/月。用水量Q=K1*Q1*N1*K2/(30*24*3600)=42.9L/s
  3.6.1.2 管径估算
  [1]不考虑水头损失:流速v=52.92m/s;管径d=0.032m
  [2]考虑水头损失:
  水池至取水点D初选Φ219钢管,取水点D至下游制高点F初选Φ219钢管,制高点以下至取水点E选Φ159钢管。
  水头损失h=141.40m
  所以,制高点F的净水头为H=H0-h=0.20m;取水点E净水头H=H0-h=50.1m
  由于制高点F级出现负压,不利用管路安全运行。必须改选。
  选用水池至取水点D选用Φ273钢管,取水点D至下游制高点F及制高点以下至取水点E选Φ159钢管。
  故水头损失h=128.76m
  所以,制高点F的净水头为H=H0-h=12.84m
  取水点D净水头H=51.04m;取水点E净水头H=62.74m.
  (1)Φ159钢管段
  v =2.43m/s, H= 310.70m, 相当压强P=3.11mPa,初估管壁厚度 δ= 2.59mm
  考虑1mm的防锈层,即选用Φ159钢管,壁厚6.0mm。
  (2)Φ273钢管段
  v =0.88m/s,H= 140.84m,相当压强 P=1.41mPa,初估管壁厚度 δ= 1.95mm
  即选用Φ219钢管,壁厚6.5mm。
  3.6.2 取水点D-A的计算成果见表3
  表3 取水点D-A计算成果汇总表
  
  
  经计算,最终选定的管路布置方案为:
  右岸至左岸全长3300m,水池至左岸供水管路取水点D选用Φ273钢管,壁厚6.5mm。取水点D至取水点E选用Φ159钢管,壁厚4.5mm。
  右岸全长650m,均选用Φ159钢管,壁厚4.5mm。
  3.6.3 制高点F和取水点E水头校核
  针对制高点F的水头,其最大的水头损失应发生在各取水点的阀门均开启,并拟采用高峰期用水量估算。故,制高点F的水头损失为水池至取水点C、取水点C至取水点D及取水点D至制高点F的水头损失之和。
  根据之前的计算成果,制高点F总水头损失为h=40.95m,至制高点F的水头为:H= 0.55m。可以满足要求。
  取水点E总水头损失为h=141.05m;至取水点E的水头为:H=H0-h=50.45m。
  3.6.4 供水支管(见表4)
  表4供水支管计算成果汇总表
  
  
  4 主要工程量及施工进度
  4.1 主要工程量(见表5)
  表5主要工程量
  
  
  4.2 施工进度
  巴贡施工供水系统从2004年2月1日进行材料组织,同年2月10日开始施工,2004年4月30日投入生产运行。
  5.质量控制措施
  浆砌石砌筑时,砂浆应饱满,堆石体基本密实,严禁出现中空现象。
  取水管路安装过程中,对管路接头,应严格按照操作规程执行,焊接饱满,不允许出现“咬边、夹渣”现象。
  6.安全生产与文明施工
  6.1 安全生产
  安全生产是施工的重点和关键。在施工过程中必须以“安全第一”為前提,不允许违章抢进度;各工种作业必须严格遵守操作规程;进入施工现场必须佩戴劳动防护用具。
  6.2 文明施工
  管路铺设沿施工道路内侧施工,严禁占压施工道路。在横穿道路时,应深挖槽,并及时回填。管路在山坡面上铺设时,尽量保护植被和树木,严禁随意践踏。管路安装完成后,及时清理现场,作到完工、料尽、场清。
  7 小结
  巴贡水电站填筑强度之高,是水电工程所罕见的,因而在大坝填筑和砼浇筑高峰期的最高用水量也非常大,对施工供水系统的供水能力有较高的要求。通过对巴贡水电站施工供水系统的介绍,希望可为今后面板堆石坝施工供水系统的选址、设计、施工提供一定的借鉴和经验。
  参考文献
  [1] 吴持恭,水力学(第四版),高等教育出版社,2008.
  [2] 中华人民共和国建设部,普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2000),中国建筑工业出版社,2000.
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