摘要： 水電站是我國(guó)的核心發(fā)電單位。通過(guò)對(duì)“水電站工程概況”、“壓力管道的布置及設(shè)計(jì)”作綜述，希望水電站能夠參照地形地質(zhì)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)參數(shù)、壓力管道布置方案確定管壁厚度，對(duì)計(jì)算參數(shù)、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核實(shí)，從而確保壓力管道的設(shè)計(jì)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞： 水電站；壓力管道設(shè)計(jì)；方法
中圖分類(lèi)號(hào)：TV732.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）36-0091-02
0 引言
水電站又稱(chēng)水電廠，主要指將水能向電能進(jìn)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(yùn)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(guò)建筑物將天然水流集中并形成水頭，對(duì)天然水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和匯集，將其輸向水輪機(jī)，在水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)下，實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換為電能，最后利用變壓器、輸電線路、開(kāi)關(guān)站等將電能全部輸進(jìn)電網(wǎng)[1]。此文系研究水電站壓力管道的設(shè)計(jì)及方法，結(jié)果所獲頗豐。
1 工程概況
我國(guó)某水電站的核心任務(wù)是發(fā)電。其裝機(jī)容量高達(dá)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(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(xiǎn)。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(fēng)化基巖的允載力為1MPa。
2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)
此水電站的工程等級(jí)為中型Ⅲ等，壓力管道屬于3級(jí)建筑物，這些都是按照《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》來(lái)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(chǎng)地地震危險(xiǎn)性評(píng)估表》，本工程50年超越概率15%的場(chǎng)地地表水平，地震動(dòng)峰值加速度為0.27g，與之對(duì)應(yīng)的地震烈度為8度。按照《水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)報(bào)告》，水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jī)方案、兩管四機(jī)方案、單管單機(jī)方案等多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，全部方案的裝機(jī)總?cè)萘渴?×52MW，最大引水流量設(shè)計(jì)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(jī)：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(jī)：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(jìn)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(jī)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(duì)4根鋼管采取外包及回填土等相關(guān)措施。④明鋼管：?jiǎn)喂艿囊髁吭O(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(fù)雜，而且在地下洞穴施工較為困難，工程進(jìn)度慢，臨時(shí)支護(hù)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(jiǎn)單，水電站運(yùn)行非常靈活和方便，但是在冬季保溫措施當(dāng)中需要進(jìn)行側(cè)向加固，沒(méi)有大量的維護(hù)費(fèi)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(yùn)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(jī)”方案進(jìn)行施工。
3 壓力管道的設(shè)計(jì)
壓力管道設(shè)計(jì)對(duì)水電站工程的質(zhì)量具有嚴(yán)重的影響，設(shè)計(jì)壓力管道時(shí)，必須對(duì)“管壁厚度”、“計(jì)算參數(shù)”、“計(jì)算結(jié)果”進(jìn)行仔細(xì)的核對(duì)，才能保證工程質(zhì)量。
3.1 管壁厚度
回填鋼管時(shí)，隊(duì)管壁厚度進(jìn)行初步擬定，并對(duì)鋼管的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)明管設(shè)計(jì)管壁厚度，運(yùn)用假定鋼管水承載力的方式，通過(guò)鍋爐公式對(duì)管壁厚度進(jìn)行計(jì)算，并考慮安裝與運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)管壁厚度的要求，擬定出最為合適的管壁厚度。對(duì)本工程的壓力鋼管進(jìn)行計(jì)算，得出主管管壁厚度、支管管壁厚度分別為12mm、10mm。
3.2 計(jì)算參數(shù)
按照管道布置方案，對(duì)主管管道的末端斷面進(jìn)行回填管計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值為10kN/m2，管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為1.03MPa，管內(nèi)真空壓力標(biāo)準(zhǔn)值為0.05MPa，鋼管管壁鋼材屈服點(diǎn)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(jì)計(jì)算中心角為90°，閉合溫差為24°，焊縫系數(shù)為0.94°。
3.3 計(jì)算結(jié)果
根據(jù)《回填管設(shè)計(jì)方法與給排水規(guī)范》、《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)回填鋼管進(jìn)行計(jì)算，荷載不將分項(xiàng)系數(shù)納為計(jì)算因素，管壁應(yīng)力必須滿足的條件如下：管壁的單獨(dú)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(zhǔn)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(zhǔn)6），？準(zhǔn)即焊接系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，主管的管壁厚度為12mm，鋼材種類(lèi)為Q345B，膜應(yīng)力為189.75MPa，局部應(yīng)力為231.15MPa，單獨(dú)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(jì)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(lèi)、膜應(yīng)力、局部應(yīng)力、單獨(dú)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(jì)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(jiàn)，管道強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)要求。
4 結(jié)語(yǔ)
壓力管道的設(shè)計(jì)需與水電站的實(shí)際工作情況相吻合，必須對(duì)成本、技術(shù)、施工安全進(jìn)行有效控制，通過(guò)合理的壓力管道布置，設(shè)計(jì)管壁厚度，確定計(jì)算參數(shù)，核對(duì)計(jì)算結(jié)果，保證壓力管道設(shè)計(jì)能夠提高水電站工程質(zhì)量，從而使得水電站工作能夠長(zhǎng)期有效的開(kāi)展。
參考文獻(xiàn)：
[1]茍芳蓉，黃煌，陳子海.冶勒水電站壓力管道設(shè)計(jì)[J].水電站設(shè)計(jì)，2011，01（6）：10-11+19.
[2]張曼曼，石廣斌，王紅，費(fèi)秉宏.積石峽水電站壓力管道設(shè)計(jì)與分析[J].水力發(fā)電，2011，11（24）：36-39.
[3]孫磊，馬克俊.南田一級(jí)水電站壓力管道設(shè)計(jì)[J].廣東水利水電，2016，07（35）：33-35.
[4]韓建博，張錦堂.寶興水電站壓力管道施工方法比較[J].西北水電，2012，01（7）：38-41.
[5]陳龍，程永光，鄭莉玲.水電站壓力管道排水時(shí)間計(jì)算方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，04（12）：463-466+472.
[6]王小兵.老撾南夢(mèng)3水電站壓力管道的設(shè)計(jì)與施工[J].水利水電技術(shù)，2014，08（37）：47-51.
[7]陳艷.新疆某水電站淺埋式壓力管道設(shè)計(jì)[J].廣西水利水電，2015，04（25）：31-33+36.
