摘要： 水電站是我國的核心發(fā)電單位。通過對“水電站工程概況”、“壓力管道的布置及設(shè)計”作綜述，希望水電站能夠參照地形地質(zhì)、設(shè)計標準、基礎(chǔ)參數(shù)、壓力管道布置方案確定管壁厚度，對計算參數(shù)、計算結(jié)果進行核實，從而確保壓力管道的設(shè)計質(zhì)量。 

　　關(guān)鍵詞： 水電站；壓力管道設(shè)計；方法 

　　中圖分類號：TV732.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）36-0091-02 

　　0 引言 

　　水電站又稱水電廠，主要指將水能向電能進行轉(zhuǎn)換的綜合性工程設(shè)施，其核心任務(wù)是發(fā)電。它包含為運用水能生產(chǎn)電能所裝設(shè)的一系列水電站設(shè)備與建造的多種水電站建筑物，通過建筑物將天然水流集中并形成水頭，對天然水流量進行調(diào)節(jié)和匯集，將其輸向水輪機，在水輪發(fā)電機的運轉(zhuǎn)下，實現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換為電能，最后利用變壓器、輸電線路、開關(guān)站等將電能全部輸進電網(wǎng)[1]。此文系研究水電站壓力管道的設(shè)計及方法，結(jié)果所獲頗豐。 

　　1 工程概況 

　　我國某水電站的核心任務(wù)是發(fā)電。其裝機容量高達220MW，主要建筑物含有引水渠、廠房、壓力管道、攔河引水樞紐、垮溝填方渠道、泄水坡、壓力前池、尾水渠與渠系建筑物等，是重要的中型Ⅲ等工程。 

　　2 壓力管道的布置 

　　此文系分析水電站壓力管道的設(shè)計方法，以下是壓力管道的相關(guān)布置，主要含有“地形及地質(zhì)”、“設(shè)計標準與參數(shù)”、“壓力管道布置方案”。 

　　2.1 地形及地質(zhì) 

　　水電站壓力管道的高程：山頂957m至山前斜坡坡腳856m，地形高差91m。此段900m高程上的基巖處于裸露狀態(tài)，而900m高程下和地表屬于上更新統(tǒng)沖積洪積（al-plQ3）砂質(zhì)粘土與全新統(tǒng)坡積（Qp14）碎石土，其巖性屬于石炭-火山角巖。這段節(jié)理的裂隙發(fā)育良好，而貫穿性結(jié)構(gòu)未得到發(fā)育，結(jié)構(gòu)面為多閉合，各巖塊能夠有效嵌合[2]。由于挖深方段為9m～13m，因此大部分壓力管道在新鮮基巖或弱風化基巖內(nèi)。巖層走向與管溝走向的交角是63.4°，較為穩(wěn)定，可是結(jié)構(gòu)面仍然存在局部塌方、掉塊的危險。上更新統(tǒng)沖積洪積砂質(zhì)粘土抗腐蝕能力一般，允載力約為360～480kPa，弱風化基巖的允載力為1MPa。 

　　2.2 設(shè)計標準與參數(shù) 

　　此水電站的工程等級為中型Ⅲ等，壓力管道屬于3級建筑物，這些都是按照《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》來劃分的[3]。根據(jù)自然災(zāi)害防御研究所發(fā)布的《某水電站工程場地地震危險性評估表》，本工程50年超越概率15%的場地地表水平，地震動峰值加速度為0.27g，與之對應(yīng)的地震烈度為8度。按照《水工建筑物的抗震設(shè)計報告》，水工建筑物的抗震設(shè)計的烈度為8度[4]。 

　　2.3 壓力管道布置方案 

　　按照廠房及壓力前池的布置，對工程建筑物的抗震烈度以及冬季加溫措施、施工技術(shù)等因素進行考慮，壓力管道的布置必須將淺埋式鋼襯鋼筋混凝土管方案、明鋼管方案與發(fā)電洞等方案進行比較分析[5]。其中，淺埋式鋼襯鋼筋混凝土管需要再與一管四機方案、兩管四機方案、單管單機方案等多個方案進行對比，全部方案的裝機總?cè)萘渴?×52MW，最大引水流量設(shè)計為137.6m3/s，鋼管外部應(yīng)用鋼筋混凝土，并在完工后回填泥土。 

　　具體如下：①一管四機：引流量設(shè)置為137.6m3/s，在壓力前池的地面布置壓力主管；作2次分岔，將4根支管在廠房垂直接入；將壓力主管的管徑設(shè)置為6.4m，支管管徑設(shè)置為3.2m。②兩管四機：雙壓力主管鋼管作平行布置，將單管引水流量設(shè)置為68.8m3/s；雙壓力主管在壓力前池的地面進行布置，經(jīng)1次分岔后分作4根支管在廠房垂直接入；將壓力支管與主管的管徑分別設(shè)置為3.1m、4.4m[6]。③單機單管：引流量設(shè)置為32.8m3/s，壓力鋼管的管徑設(shè)置為3.1m；4根相同管徑的壓力鋼管在壓力前池的地面布置好，然后在廠房平行接入；對4根鋼管采取外包及回填土等相關(guān)措施。④明鋼管：單管的引水流量設(shè)置為32.8m3/s，壓力鋼管的管徑設(shè)置為3.1m；在壓力前池將4根相同管徑的鋼管在地面上布置好，然后平行接入廠房；為明鋼管設(shè)立支墩，支墩的間距約為7m；上下彎段敷設(shè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩的間距約為95m[7]。⑤發(fā)電洞：引水流量為137.6m3/s，以垂直的形式在壓力前池的斜井段、岔管段與下平洞段接入廠房；將壓力主管與支管的管徑分別設(shè)置為6.4m、3.2m。 

　　發(fā)電洞方案雖然耗資較少，但其壓力鋼管的安裝及制作非常復雜，而且在地下洞穴施工較為困難，工程進度慢，臨時支護量較多，不符合安全施工、技術(shù)控制等施工原則。明鋼管方案中制作、安裝鋼管較簡單，水電站運行非常靈活和方便，但是在冬季保溫措施當中需要進行側(cè)向加固，沒有大量的維護費用，就很難順利完成施工，此方案不符合“成本控制”的施工原則。 　　綜合壓力管道安全運行、施工技術(shù)、施工成本控制等因素，本工程最終選擇淺埋式鋼襯鋼筋混凝土管中的“一管四機”方案進行施工。 

　　3 壓力管道的設(shè)計 

　　壓力管道設(shè)計對水電站工程的質(zhì)量具有嚴重的影響，設(shè)計壓力管道時，必須對“管壁厚度”、“計算參數(shù)”、“計算結(jié)果”進行仔細的核對，才能保證工程質(zhì)量。 

　　3.1 管壁厚度 

　　回填鋼管時，隊管壁厚度進行初步擬定，并對鋼管的強度、穩(wěn)定性進行分析。根據(jù)明管設(shè)計管壁厚度，運用假定鋼管水承載力的方式，通過鍋爐公式對管壁厚度進行計算，并考慮安裝與運輸過程中對管壁厚度的要求，擬定出最為合適的管壁厚度。對本工程的壓力鋼管進行計算，得出主管管壁厚度、支管管壁厚度分別為12mm、10mm。 

　　3.2 計算參數(shù) 

　　按照管道布置方案，對主管管道的末端斷面進行回填管計算，具體如下：鋼管內(nèi)徑為1400mm，管壁厚度為12mm，管頂覆土為2.5m，地面堆積荷載標準值為10kN/m2，管道設(shè)計內(nèi)水壓力標準值為1.03MPa，管內(nèi)真空壓力標準值為0.05MPa，鋼管管壁鋼材屈服點為344MPa，鋼材的彈性模量為206000N/mm2，鋼材的泊松比為10∶3，鋼材的線膨脹系數(shù)為0.000012，鋼材的重度為78.4kN/m3，回填土重度為18kN/m3，回填土變形模量為4MPa，回填土的泊松比為10∶3，基槽雙側(cè)原狀土變形模量為3MPa，管中心處基槽寬度為3m，土弧基礎(chǔ)設(shè)計計算中心角為90°，閉合溫差為24°，焊縫系數(shù)為0.94°。 

　　3.3 計算結(jié)果 

　　根據(jù)《回填管設(shè)計方法與給排水規(guī)范》、《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》對回填鋼管進行計算，荷載不將分項系數(shù)納為計算因素，管壁應(yīng)力必須滿足的條件如下：管壁的單獨內(nèi)水壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力不可大于明鋼管膜的允許應(yīng)力（0.55？準6），荷載組合產(chǎn)生的環(huán)向、等效應(yīng)力不可大于明鋼管局部的允許應(yīng)力（0.67？準6），？準即焊接系數(shù)。經(jīng)計算，主管的管壁厚度為12mm，鋼材種類為Q345B，膜應(yīng)力為189.75MPa，局部應(yīng)力為231.15MPa，單獨內(nèi)水壓力引起的環(huán)向應(yīng)力為59.46MPa，組合荷載作用下環(huán)向應(yīng)力為144.25MPa，軸向應(yīng)力為98.89MPa（-12.35MPa），等效應(yīng)力為114.98MPa（135.72MPa），臨界外壓為0.597MPa，鋼管設(shè)計穩(wěn)定性抗力系數(shù)為5.66，管道變形為40.03mm，支管的管壁厚度、鋼材種類、膜應(yīng)力、局部應(yīng)力、單獨內(nèi)水壓力引起的環(huán)向應(yīng)力、組合荷載作用下環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、等效應(yīng)力、臨界外壓、鋼管設(shè)計穩(wěn)定性抗力系數(shù)以及管道變形分別為10mm、Q345B、189.75MPa、231.15MPa、35.68MPa、115.56MPa、90.29MPa（-20.94MPa）、94.71MPa（114.62MPa）、 

　　1.09MPa、10.35、12.71mm。 

　　可見，管道強度能夠滿足設(shè)計要求，其穩(wěn)定性抗力系數(shù)均>2，能夠滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求，干管的管道變形40.03mm<0.03D0（42.35mm），支管12.71mm<0.03D0，即21.4mm，管道變形能夠滿足設(shè)計要求。 

　　4 結(jié)語 

　　壓力管道的設(shè)計需與水電站的實際工作情況相吻合，必須對成本、技術(shù)、施工安全進行有效控制，通過合理的壓力管道布置，設(shè)計管壁厚度，確定計算參數(shù)，核對計算結(jié)果，保證壓力管道設(shè)計能夠提高水電站工程質(zhì)量，從而使得水電站工作能夠長期有效的開展。