闻锐

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 概述

玛尔（Mahl）水电站位于巴基斯坦东北部旁遮普（Punjab）省和阿扎德查谟克什米尔地区（Azad Jammu and Kashmir，AJK）交界的吉拉姆河（Jhelum River）上，距伊斯兰堡仅95 km，其上游为科哈拉（Kohala）水电站，下游为阿扎德帕坦（Azad Pattan）水电站。

作为三峡集团在巴基斯坦的重点水电项目，玛尔水电站的开发，符合巴基斯坦能源发展战略要求，也是“一带一路”战略水电技术输出的重要内容。

玛尔水电站为Ⅱ等大（2）型工程，由碾压混凝土重力坝、输水建筑物等永久性水工建筑物构成。水库正常蓄水位585 m，总库容1.54亿m3，利用水头59 m，3台机组总装机容量640 MW，保证出力96.33 MW，多年平均发电量2 676 GW·h，年利用小时数4 181 h。输水建筑物包括电站进水口、引水管道及尾水渠等，进水口正常蓄水位为585.00 m，尾水渠正常水位为526.00 m，单机额定流量为440.20 m3/s。

基于工程地形地质条件，工程拟定了地下厂房方案、地面厂房方案及坝后式厂房方案。基于建筑物布置、结构安全性、工程投资及风险可控性等因素考虑，坝后式厂房方案完全规避了不良地质条件下的永久洞室围岩稳定问题，工程投资及风险相对可控，且排沙条件较好，可减轻泥沙对引水发电系统运行的不利影响。因此，该阶段选用坝后式厂房方案作为主要枢纽方案，其中输水系统采用坝后背管，总长252.18 m。

针对设计中工程地质条件差、水库泥沙问题突出及引用流量大等特点，本文给予进水塔、坝后背管等输水建筑物布置设计。考虑压力钢管弯道离心力和不平衡水压力等因素，通过有限单元法对压力钢管上弯段进行设计。

2 输水建筑物布置

输水建筑物由进水口、压力引水道及冲沙孔等组成。发电进水口位于左岸坝体，压力引水道采用坝后背管，与坝后厂房机组连接，冲沙孔进口布置在发电进水口下部，通过坝内埋管排入厂房尾水渠。

发电进水口采用坝式进水口，由3个独立的进水口并排组成，总长97.50 m。进水口结构为墩墙式钢筋混凝土结构，流道底高程为554.00 m，结构顶高程同大坝顶高程，为592.40 m。

压力引水道紧接进水口布置，采用钢衬钢筋混凝土管型式。平面上3条管轴线平行布置，管轴线间距为31.50 m。引水钢管内径9.90 m，钢管起点中心高程为557.07 m，末端中心高程为515.10 m。

为避免粗颗粒泥沙进入引水道，保证进水口“门前清”，考虑将冲沙孔进口布置于发电进水口之间的下部，冲沙孔进口底高程537.00 m，经反弧挡沙鼻坎至540.00 m。3条冲沙孔钢管直径3.20 m，采用坝内埋管型式，与压力引水道平行布置，自厂房机组间穿过，出口高程511.31 m。

3 输水建筑物设计

3.1 进水口

进水口采用坝式进水口，包括拦污栅段、喇叭口段及门槽段。

拦污栅采用直立活动式，布置于大坝悬挑平台上。拦污栅孔口尺寸为4.70 m×23.00 m（宽×高，下同），并于孔口顶部布置水平拦漂板，拦污栅后各机组段进口前沿相通，引水流量相互补充。拦污栅墩与胸墙之间以支撑梁相连，栅墩之间以连系梁相连。

为保证水流平顺，进水口流道前段设置喇叭口段，喇叭口段入口处底板高程为554.00 m，出口处与闸门段流道相结合。喇叭口边墩圆弧半径为2.50 m，顶板圆弧半径为3 m。

闸门段设置平板检修门与快速工作门各一道，分别由塔顶门机及液压启闭机启闭，工作闸门井顶部设有液压启闭机房。工作闸门后混凝土墙内设3个直径1.50 m的通气孔。

3.2 坝后背管

压力引水道包括钢筋混凝土渐变段及压力钢管段。压力引水道渐变段采用一机一洞布置，共3条，在平面上平行布置，洞轴线间距31.50 m。立面上渐变段轴线斜直布置，断面由进水口末端矩形断面渐变至圆形断面。压力钢管接渐变段，以钢衬钢筋混凝土管型式部分敷设在大坝下游坝面内。压力钢管内径9.90 m，分为上斜段、上弯段、斜直段、下弯段及下平段。压力引水道布置如图1所示。

3.2.1 压力钢管设计

压力钢管由钢管和外包钢筋混凝土共同承受设计内水压力。钢管及加劲环所用钢材为Q345R，设计采用规范设计方法[1]，即“附录D.1钢管壁厚及环向钢筋计算”：

式中：P为内水压力设计值，N/mm2；fs，fy分别为钢板、钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；t为钢管壁厚计算厚度，mm；t3为环向钢筋折算厚度，等于单位长度范围内钢筋截面积除以单位长度，mm；γ0为结构重要性系数；ψ为设计状况系数；γd为管型结构系数；r为钢管内半径，mm。

图1 压力引水道三维布置图

通过计算，得到了各段的设计尺寸为：上斜段及上弯段钢管壁厚为20～22 mm，斜直段钢管壁厚为24～26 mm，下弯段及下平段钢管壁厚为28～32 mm。钢管外包C25钢筋混凝土，厚1.50 m，厚度与钢管半径之比为0.30。

3.2.2 压力钢管上弯段有限元计算

由于坝后背管的压力钢管过水时受力复杂，且规范中的计算方式不能准确反映钢管弯段与坝身连接处的受力情况，因而，针对钢衬钢筋混凝土管上弯段部位，采用有限元方法进行流固耦合计算，对结构的响应进行校核。

1）计算模型

坝后钢衬钢筋混凝土压力钢管上弯段钢衬壁厚22 mm，钢管内径9.90 m，材料为Q345R，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.30，抗拉强度设计值fs=290 MPa。外包混凝土厚为1.50 m，强度等级为C25，弹性模量E=28 GPa，泊松比μ=0.167，轴心抗拉强度标准值ftk=1.78 MPa。

结构模型混凝土采用三维实体单元建模，钢管采用壳单元建模，根据分区划分下部坝体混凝土、背管混凝土和钢管单元，共6 320个单元，使用线弹性本构模型进行计算。流体模型采用三维流体单元建模，共20 000个单元，选择k-ε模型。

2）荷载及工况

结构荷载及边界条件：结构计算模型不考虑荷载条件，边界条件为下部坝体混凝土的底部全约束，钢管内部设定流固耦合边界条件；流体荷载及边界条件：流体考虑流速为5.65 m/s，压强27.90 m水头。边界条件为进口流速压强条件，出口流速条件，流体与钢管结构接触部位为流固耦合边界条件。工况考虑正常运行工况，正常蓄水位585.00 m。

3）计算结果

压力钢管在内水压力作用下最大主应力为72.30 MPa，位于钢管两侧腰部；外包混凝土最大拉应力为0.93 MPa，位于外包混凝土两侧外壁。

根据以上计算可知，在设计荷载的内水压力作用下，压力引水道钢衬承担了大部分荷载，虽然钢衬应力较大，但没有达到其抗拉强度，外包混凝土最大应力也未达到混凝土抗拉强度，因此管道结构设计是合理的。

3.3 冲沙孔

3.3.1 冲沙孔布置

为解决进水口淤堵和“门前清”问题，并减少发电时有害粒径泥沙过机，除利用厂房右侧泄洪排沙孔排沙外，在电站进水口左下侧另设置冲沙孔，共3孔。冲沙孔进口底高程537.00 m，至坝内检修闸门处上升至540.00 m。冲沙孔平面呈直线布置，上游段埋设在进水口坝段内，下游段穿厂坝间纵缝后经厂房至尾水渠。冲沙孔立面沿发电引水钢管的走向，经渐变段、上斜段、上弯段，斜直段接下弯段到下平段后上升渐变由尾水管上部穿出，出口高程511.31 m。冲沙孔布置如图2所示。

冲沙孔分进口段和压力钢管段。进口段设检修闸门，斜向布置，闸门孔口尺寸3.50 m×5.89 m。坝内540.00 m高程设事故检修闸门，闸门孔口尺寸2.90 m×3.50 m。压力钢管段出口设工作闸门，孔口尺寸1.80 m×1.80 m。进口段长11.97 m，断面尺寸为2.90 m×3.50 m，压力钢管段长147.27 m，采用直径3.20 m的有压钢管，钢管壁厚12～18 mm。

因不排沙时事故门可能被淤堵，故将进口做成虹吸式接驼峰堰的型式，从进口537.00 m经圆弧连接上升至540.00 m，并设有反弧拦沙鼻坎。进口段形成一个不易进沙的空腔，并在此段安置高压喷水喷气系统，待事故闸门关闭后，闸门前的高压水系统便开始工作，使之不被泥沙淤堵。

3.3.2 冲沙流量及流速

较大冲沙流量具有较好的冲沙效果，但受厂房结构布置的限制，冲沙孔管道直径取3.20 m。单个冲沙孔泄流能力见表1。

图2 冲沙孔三维布置图

表1 单个冲沙孔泄流能力计算表

据有关资料统计[3]，在水流流速不大于10 m/s时，普通碳素钢表面无明显磨损现象，而当流速达到18 m/s时，经较长时间运用，钢管会产生严重破坏。由有压隧洞泄流能力计算公式可知[4]，在上下游水位一定的情况下，泄流能力取决于出口断面的面积。为保护冲沙孔钢管，减轻含沙水流对钢管的冲击、磨损，将直径3.20 m的钢管在出口渐变至1.80 m×1.80 m，以控制管内流速为12.02 m/s。此时出口段流速达到29.83 m/s，因此出口段迎水面流道采用C40硅粉混凝土，并且在出口段以及钢管渐变段、转弯部位采用环氧金刚砂涂层的抗磨蚀措施。

［1］水电水利规划设计总院，等.水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2016.

［2］王仁坤，张春生，等.水工设计手册（第八卷）水电站建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［3］袁黎明.高速水流作用下水工混凝土防冲磨设计［J］.云南水力发电，2005，22（2）：53—54.

［4］李炜，等.水力计算手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［5］马文亮，李晓芬，陈卫星.龙开口电站钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析［J］.人民长江，2012，43（15）：7—10.

［6］陆伟.坝内埋管和坝后背管设计探讨［J］.人民珠江，2009（2）：61—63.

［7］石长征，伍鹤皋，苏凯.有限单元法和弹性中心法在坝后背管结构设计中的应用比较［J］.水利学报，2017，41（7）：856—861.

［8］韩华超，姜红军，等.某电站坝后式厂房引水系统设计及有限元分析［J］.水电与新能源，2015（12）：1—6，11.