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一、工程概况
利洞水电站是翁源县涂屋水梯级开发规划中的梯级水电站之一，位于翁源县六里镇辖区内，在已建的双叉角水电站下游，已建的长潭水电站上游之间。其坝址在雷公村上游约500m处的峡谷中，距离翁源县六里镇约12km，距离翁源县城（龙仙镇）约32km。坝址以上流域面积109km2。
电站引水建筑物由布置在重力墩上的坝式进水口进入坝后钢衬钢筋砼明管段（长687.0m，内径D=2.5m），钢衬钢筋埋管段（长463.0m，内径D=2.5m），压力引水隧洞（长2719.0m，内径D=2.5m），压力钢管（长71.20m，其中主管长53.60m，直径1.8m，支管长17.6m，直径1.2m）全长3940.20m。引用流量9.87m3/s。坝前正常水位295.00m，经发电后厂房正常尾水位为197.20m，总落差97.80m。
引水管路采用钢衬钢筋砼管，隧洞根据岩石类别采用喷砼，或用钢筋砼衬砌。引水管路与隧洞的连接采用钢衬钢管插入隧洞搭接方式。搭接长度不少于5.0m，在隧洞桩号3+ 369m处布置调压室，调压室内径5.0m，为简单圆筒式调压室。调压室顶部高程314.57m。井底高程270.75m，井高43.82m。调压井底部与引水隧洞间用升管连接，直管直径2.5m，高14.75m。隧洞出口接压力钢管，两者连接方式也采用插入搭接方式，钢管插入隧洞深度不少于5.0m，钢管上设镇钉4个，主管上下部各一个，支管在进入厂房前各设一个。
二、钢管布置与供水方式
（一）压力钢管紧接压力引水隧洞的出口。钢管采用联合供水方式，一管两机。由主管经分岔管向两台机组供水，每台机组前设蝴蝶阀控制水流。管路按直线布置，支管中心线与主管中心线相平行对称，正向进入厂房使管线最短，管路与隧洞出口采取搭接方式相连。将主管伸入隧洞5m，出洞后经8m长的水平段,管中心高程▽225.25m经1#镇墩下弯转角40€埃匦逼轮粒ㄆ陆?0.8€埃?#镇墩，上弯呈水平，进入分叉管再与支管相连接，主管长53.60m(不含搭接长)，支管长17.60m。支管中心高程为197.30m。
两支管分岔角60€埃鞴苤本?.8m，支管直径1.2m，两支管中心间距10.00m。分岔管中心与支管中心线在水平面内，夹角为150€?在两支管水平转弯处分设3#、4#镇墩，另外，主管距1# 镇墩约2m处设伸缩节，主管在斜坡上设有支墩，支墩间距8m，主管底部与地面间距离为60cm，在斜坡上设有排水沟和人行踏步，排水沟宽0.3m，深0.5m，人行踏步宽0.6m，镇墩与支墩布置在弱风化岩层上，管槽宽4.5m，镇墩处宽11.0m。
（二）钢管直径与管壁厚度
1、钢管直径
由《水工设计手册》（7分册）钢管的经济直径按下式初定：
——系数，5～15间，常取5.2；
——钢管直径；
——钢管最大设计流量，9.87m3/s ；
——设计水头，98m；
（1）主管
计算直径D=1.75m。相应流速4.1m/s；钢管经济流速一般为4~6m/s；设计选用直径D=1.80m,相应过水面积2.545m3;管内最大流速3.88m/s。
（2）支管
计算直径D=1.00m，相应流速6.3m/s，偏大；设计选用直径D=1.20m，过水断面面积1.13m2;管内最大流速4.26m/s。
2、管壁厚度
（1）材料
由《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）钢管壁、支承环、叉管加强构件等主要受力构件应使用镇静钢。宜用的碳素结构有Q235的C、D级钢板，本设计选用Q235C碳素钢。屈服点€%ls（N/mm2）壁厚 =16～40mm时€%ls=225N/mm2，抗拉强度€%lb=375～500N/mm2.
（2）管壁厚度计算
按承受内水压力的锅炉公式计算
——管壁厚度，mm；
——水的重度（10KN/m3）；
——设计水头(含水击压力0.25H0);
0——设计水头88.7m，H=1.25H0，H =1.25€?8.7= 110.9m；
——钢管直径（m），1.8m;
；
——焊缝系数，0.95；
经计算，主管计算厚度8.49mm，支管计算厚度5.7mm，根据管壁最小厚度要求，考虑锈蚀，外压力失稳参照已建工程的经验，管壁厚度设计选用：主管壁厚16mm，支管壁厚14mm。
（三）钢管管壁应力与抗外压稳定计算
1、管壁应力计算
计算截面取跨中管壁及支承环附近管壁断面，应力分析取主管直径1.8mm。
荷载组合情况：
（1）基本组合
正常运行丢弃全负荷时的内水压力+管自重+管内水重+温度变化引起的力+管径变化、转弯处水压力+支座变位引起的力。
（2）特殊组合
水压试验时的内水压力+管自重+管内水重+温度变化引起的力。
水压试验压力，根据《水工建筑物金属结构制造、安装及验收规范》规定试验压力为工作压力（包括水击压力）的1.25倍。钢管管壁应力计算成果见表1-1：
管壁抗外压稳定计算
公式：
——管壁临界外压力（KPa）;
——钢材弹模，采用206€?06KPa;
——管道的计算壁厚（mm），取16-2=14mm；
——管道直径，1800mm；
——管道容许外压力（KPa ）;
——安全系数，取2.8；
——管道流量9.87m2/s ；
——流量系数，通气管取0.7；
——通气孔面积，通气管600 ，F=0.2827m2 ；
——抗外压安全系数，根据规范K不得小于2。K值计算成果见表1-2:
三、结论
经过上述计算，结果表明能满足规范要求，各处钢管管壁应力都在允许值范围内，抗外压稳定安全系数也都大于2，可见钢管能够承受运行时的内外压力，能够确保建筑物正常运行。
参考文献：
[1]马跃先,马俊.两级优化模型在长距离引水管道管径优化设计中的应用[J].中国农村水利水电,2010,(4).
[2]王春涛.万家寨取消发电引水管道伸缩节分析研究[A].第14届全国结构工程学术会议论文集(第三册)[C],2005.
[3]孙桂凯,徐伟章.长洲水利枢纽船闸运行水力学研究[A].第二届全国水力学与水利信息学学术大会论文集[C],2005.
[4]马薇.具有复杂引水管道的水轮机调节系统小波动稳定性分析[D].西安理工大学,2003.
[5]周鑫.三峡水电站岸坡段埋藏式压力管道应力分析[D].广西大学,2002.
利洞水电站是翁源县涂屋水梯级开发规划中的梯级水电站之一，位于翁源县六里镇辖区内，在已建的双叉角水电站下游，已建的长潭水电站上游之间。其坝址在雷公村上游约500m处的峡谷中，距离翁源县六里镇约12km，距离翁源县城（龙仙镇）约32km。坝址以上流域面积109km2。
电站引水建筑物由布置在重力墩上的坝式进水口进入坝后钢衬钢筋砼明管段（长687.0m，内径D=2.5m），钢衬钢筋埋管段（长463.0m，内径D=2.5m），压力引水隧洞（长2719.0m，内径D=2.5m），压力钢管（长71.20m，其中主管长53.60m，直径1.8m，支管长17.6m，直径1.2m）全长3940.20m。引用流量9.87m3/s。坝前正常水位295.00m，经发电后厂房正常尾水位为197.20m，总落差97.80m。
引水管路采用钢衬钢筋砼管，隧洞根据岩石类别采用喷砼，或用钢筋砼衬砌。引水管路与隧洞的连接采用钢衬钢管插入隧洞搭接方式。搭接长度不少于5.0m，在隧洞桩号3+ 369m处布置调压室，调压室内径5.0m，为简单圆筒式调压室。调压室顶部高程314.57m。井底高程270.75m，井高43.82m。调压井底部与引水隧洞间用升管连接，直管直径2.5m，高14.75m。隧洞出口接压力钢管，两者连接方式也采用插入搭接方式，钢管插入隧洞深度不少于5.0m，钢管上设镇钉4个，主管上下部各一个，支管在进入厂房前各设一个。
二、钢管布置与供水方式
（一）压力钢管紧接压力引水隧洞的出口。钢管采用联合供水方式，一管两机。由主管经分岔管向两台机组供水，每台机组前设蝴蝶阀控制水流。管路按直线布置，支管中心线与主管中心线相平行对称，正向进入厂房使管线最短，管路与隧洞出口采取搭接方式相连。将主管伸入隧洞5m，出洞后经8m长的水平段,管中心高程▽225.25m经1#镇墩下弯转角40€埃匦逼轮粒ㄆ陆?0.8€埃?#镇墩，上弯呈水平，进入分叉管再与支管相连接，主管长53.60m(不含搭接长)，支管长17.60m。支管中心高程为197.30m。
两支管分岔角60€埃鞴苤本?.8m，支管直径1.2m，两支管中心间距10.00m。分岔管中心与支管中心线在水平面内，夹角为150€?在两支管水平转弯处分设3#、4#镇墩，另外，主管距1# 镇墩约2m处设伸缩节，主管在斜坡上设有支墩，支墩间距8m，主管底部与地面间距离为60cm，在斜坡上设有排水沟和人行踏步，排水沟宽0.3m，深0.5m，人行踏步宽0.6m，镇墩与支墩布置在弱风化岩层上，管槽宽4.5m，镇墩处宽11.0m。
（二）钢管直径与管壁厚度
1、钢管直径
由《水工设计手册》（7分册）钢管的经济直径按下式初定：
——系数，5～15间，常取5.2；
——钢管直径；
——钢管最大设计流量，9.87m3/s ；
——设计水头，98m；
（1）主管
计算直径D=1.75m。相应流速4.1m/s；钢管经济流速一般为4~6m/s；设计选用直径D=1.80m,相应过水面积2.545m3;管内最大流速3.88m/s。
（2）支管
计算直径D=1.00m，相应流速6.3m/s，偏大；设计选用直径D=1.20m，过水断面面积1.13m2;管内最大流速4.26m/s。
2、管壁厚度
（1）材料
由《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）钢管壁、支承环、叉管加强构件等主要受力构件应使用镇静钢。宜用的碳素结构有Q235的C、D级钢板，本设计选用Q235C碳素钢。屈服点€%ls（N/mm2）壁厚 =16～40mm时€%ls=225N/mm2，抗拉强度€%lb=375～500N/mm2.
（2）管壁厚度计算
按承受内水压力的锅炉公式计算
——管壁厚度，mm；
——水的重度（10KN/m3）；
——设计水头(含水击压力0.25H0);
0——设计水头88.7m，H=1.25H0，H =1.25€?8.7= 110.9m；
——钢管直径（m），1.8m;
；
——焊缝系数，0.95；
经计算，主管计算厚度8.49mm，支管计算厚度5.7mm，根据管壁最小厚度要求，考虑锈蚀，外压力失稳参照已建工程的经验，管壁厚度设计选用：主管壁厚16mm，支管壁厚14mm。
（三）钢管管壁应力与抗外压稳定计算
1、管壁应力计算
计算截面取跨中管壁及支承环附近管壁断面，应力分析取主管直径1.8mm。
荷载组合情况：
（1）基本组合
正常运行丢弃全负荷时的内水压力+管自重+管内水重+温度变化引起的力+管径变化、转弯处水压力+支座变位引起的力。
（2）特殊组合
水压试验时的内水压力+管自重+管内水重+温度变化引起的力。
水压试验压力，根据《水工建筑物金属结构制造、安装及验收规范》规定试验压力为工作压力（包括水击压力）的1.25倍。钢管管壁应力计算成果见表1-1：
管壁抗外压稳定计算
公式：
——管壁临界外压力（KPa）;
——钢材弹模，采用206€?06KPa;
——管道的计算壁厚（mm），取16-2=14mm；
——管道直径，1800mm；
——管道容许外压力（KPa ）;
——安全系数，取2.8；
——管道流量9.87m2/s ；
——流量系数，通气管取0.7；
——通气孔面积，通气管600 ，F=0.2827m2 ；
——抗外压安全系数，根据规范K不得小于2。K值计算成果见表1-2:
三、结论
经过上述计算，结果表明能满足规范要求，各处钢管管壁应力都在允许值范围内，抗外压稳定安全系数也都大于2，可见钢管能够承受运行时的内外压力，能够确保建筑物正常运行。
参考文献：
[1]马跃先,马俊.两级优化模型在长距离引水管道管径优化设计中的应用[J].中国农村水利水电,2010,(4).
[2]王春涛.万家寨取消发电引水管道伸缩节分析研究[A].第14届全国结构工程学术会议论文集(第三册)[C],2005.
[3]孙桂凯,徐伟章.长洲水利枢纽船闸运行水力学研究[A].第二届全国水力学与水利信息学学术大会论文集[C],2005.
[4]马薇.具有复杂引水管道的水轮机调节系统小波动稳定性分析[D].西安理工大学,2003.
[5]周鑫.三峡水电站岸坡段埋藏式压力管道应力分析[D].广西大学,2002.