摘 要:壓力管道的設(shè)計(jì)工作是確保水電站正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一，因此，只有做好設(shè)計(jì)把關(guān)和設(shè)計(jì)資格認(rèn)證等才能夠確保所設(shè)計(jì)壓力管道的質(zhì)量水平。本文主要探討了在水電站工程中設(shè)計(jì)壓力管道的時(shí)候應(yīng)該著重注意的幾點(diǎn)問題。
關(guān)鍵詞:水電站；壓力管道；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TM622文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一、水電站壓力管道的位置選擇
1.綜合考慮多種因素，比選最佳方案
通常情況下，在設(shè)計(jì)壓力管道的位置時(shí)應(yīng)該綜合考慮各種因素，例如地質(zhì)、施工條件、地形、運(yùn)行狀況、水力學(xué)以及樞紐布置等。繼而設(shè)計(jì)出幾種可行方案，再通過分析各個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)情況，從中選出最佳的設(shè)計(jì)方案。
2.符合整體的樞紐布置要求
一般水電站設(shè)計(jì)的壓力管道必須符合整體的樞紐布置要求。同時(shí)，鋪設(shè)壓力管道的地區(qū)還需要滿足以下幾個(gè)方面的條件，即巖體結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)定、較好的水文地質(zhì)狀況、有利的地質(zhì)構(gòu)造、較好的巖性以及方便施工等。
3.確保巖層和壓力管道的管線之間的夾角較大
通常在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道并鋪設(shè)管線之前，應(yīng)該測(cè)量巖層和預(yù)鋪設(shè)的管線之間的夾角大小，確保夾角較大。如果巖體的整體呈塊狀結(jié)構(gòu)，那么夾角要大于 30 度；如果巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，那么夾角要大于 45 度。但是，如果鋪設(shè)的壓力管道位于高地應(yīng)力地區(qū)，那么為了確保巖層的穩(wěn)定，可以使鋪設(shè)的管線方向盡可能地和最大水平地的應(yīng)力方向保持一致。
4.其它建筑物和壓力管道之間應(yīng)保持一定距離
一般根據(jù)計(jì)算限制裂縫所開展的寬度來設(shè)計(jì)壓力管道的結(jié)構(gòu)，所以水電站的一些廠房建筑物盡可能地和鋪設(shè)的壓力管道之間保持一定的距離，從而即使壓力管道產(chǎn)生裂縫、發(fā)生滲漏也不致會(huì)直接影響到水電站的廠房建筑物。因此，可以在廠房和壓力管道之間搭建一段鋼管，以實(shí)現(xiàn)上述目的。
二、水電站壓力管道的管徑和水力計(jì)算
1.壓力管道的管徑計(jì)算
通常水電站壓力管道的管徑又稱為橫斷面尺寸，在計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑的時(shí)候要遵循一定的原則，即確保能量損失最少、管道工程費(fèi)用最小。此外，只有保證壓力管道內(nèi)部的水流速度小于經(jīng)濟(jì)水流速度，才能盡可能地降低能量損失。
2.壓力管道的水力計(jì)算
在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道的過程中必須合理計(jì)算各項(xiàng)水力指標(biāo)，即水頭損失、過流能力以及水利過渡等。一般根據(jù)有壓管道的各項(xiàng)水流條件來計(jì)算過流能力，而水頭損失一般通過使用伯努利方程來計(jì)算壓力管道的局部損失或者沿程損失。
三、水電站壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析
1.壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通常按照裂縫限制來計(jì)算和確定配筋率，根據(jù)實(shí)際情況，可以在壓力管道的混凝土襯砌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層或者兩層鋼筋，從而控制混凝土的最大裂縫寬度。
一般利用結(jié)構(gòu)力學(xué)來計(jì)算混凝土壓力管道的襯砌部分在開裂時(shí)所需的鋼筋面積。使用的相關(guān)計(jì)算公式在《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中。如果管道直徑小于六米，那么在計(jì)算鋼筋面積時(shí)可以只考慮內(nèi)水壓力作用所產(chǎn)生的襯砌靜力：
f=10.01*σg*p*ri+100*K0-K0*ri*0.0001*Eg
m=P*ri*Eh'*lnr0*ri
σg=RgKg
式中：
f（cm2/m）表示管道內(nèi)環(huán)的鋼筋面積；
σg（kN/cm2）表示鋼筋所能承受的最大應(yīng)力；
Rg（kN/cm2）表示管道設(shè)計(jì)的鋼筋強(qiáng)度；
Kg表示鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)；
P（kN/cm2）表示管道內(nèi)部承受的內(nèi)水壓力；
Eg（kN/cm2）表示鋼筋的彈性；
K0（kN/cm3）表示單位彈性的管道圍巖的抗力系數(shù)；
ri 表示壓力管道襯砌的內(nèi)層半徑；
r0表示壓力管道襯砌的外層半徑；
Eh（kN/cm2） 表示管道混凝土的彈性；
Eh'（kN/cm2）表示管道混凝土的裂縫彈性。
根據(jù)以上公式計(jì)算的管道鋼筋面積必須大于管道襯砌的最小配筋率。通�？梢允褂靡韵鹿絹碛�(jì)算鋼筋的應(yīng)力σgi，然后再結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》來對(duì)混凝土的裂縫寬度進(jìn)行復(fù)核。
σgi=P*γi+100*K0*m*0.01*f+K0*γi*0.01*Eg>σg
此外，還可以使用彈性力學(xué)和變形協(xié)調(diào)等方面的相關(guān)公式來計(jì)算壓力管道橫截面的鋼筋面積。首先，利用變形協(xié)調(diào)條件來計(jì)算管道圍巖所承受的內(nèi)水壓力，
公式如下：
tc+tr+Δ0=Δs+tc-dc+(tr-dr)
式中：
dc 是指灌漿之后管道混凝土襯砌所發(fā)生的壓縮變形；
dr是指壓力管道的松動(dòng)圈圍巖所發(fā)生的壓縮變形；
Δ0是鋼筋所發(fā)生的總體徑向變形程度（Δ0=dc+dr）。
可以根據(jù)水壓力作用的公式計(jì)算出壓力管道圍巖所能承受的壓力大小。
2.壓力管道的結(jié)構(gòu)分析
通常可以利用有限元模型來模擬的壓力管道，并可劃分為二維和三維有限元模型。其中，二維的有限元模型主要使用平面應(yīng)變單元來模擬壓力管道所處的斷層和圍巖襯砌；而三維的有限元模型主要使用厚殼等參單元來模擬斷層和圍巖襯砌類型。此外，還可以使用桿單元來模擬巖石的錨桿和鋼筋等。一般二維有限元模型所計(jì)算出來的結(jié)果比三維有限元模型的結(jié)果更加安全可靠。通常在壓力管道的結(jié)構(gòu)分析過程中很難計(jì)算出穿越斷層的結(jié)構(gòu)。但是如果確實(shí)遇到了，使用二維有限元模型即可解決這個(gè)問題。
四、水電站壓力管道的灌漿設(shè)計(jì)
1.回填灌漿設(shè)計(jì)方法
在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)所采取的回填灌漿設(shè)計(jì)方法具體是指，對(duì)壓力管道的鋼筋混凝土襯砌的頂拱部分實(shí)施回填灌漿工藝，采用 1 個(gè)或者 2 個(gè)回填灌漿孔交替布置。如果設(shè)置 1 個(gè)回填灌漿孔，那么就布置在洞頂；如果設(shè)置 2 個(gè)回填灌漿孔，那么其中心線的夾角應(yīng)該設(shè)置成 60 度，并與壓力管道的中心軸線相對(duì)稱，排距設(shè)置成 200cm。此外，混凝土襯砌段也需要回填灌漿，采用 1 孔或者 2 灌漿孔交替布置，但是排距應(yīng)設(shè)置成 160cm。填壓式灌漿法是回填灌漿設(shè)計(jì)中的主要灌漿方法。
2.固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)方法
固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)通常是在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)，用來降低滲透壓力和提升管道圍巖的承載力和整體性。而對(duì)壓力管道的鋼筋混凝土襯砌部分實(shí)施的固結(jié)灌漿工藝，一般每相隔 280cm 就可以設(shè)置一排固結(jié)灌漿孔，通常一排有 6 個(gè)孔，每個(gè)孔深入基巖內(nèi)部約 2.5 米，相鄰兩排孔成梅花形狀布置。環(huán)內(nèi)加密和環(huán)間分序是進(jìn)行固結(jié)灌漿的主要原則。
3.接觸灌漿設(shè)計(jì)方法
在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)，為了加強(qiáng)鋼板和回填混凝土之間的結(jié)合強(qiáng)度，通常對(duì)壓力管道的鋼板襯砌部分和支管部分實(shí)施接觸灌漿工藝。一般采用 1 個(gè)或者 2 個(gè)孔交替布置來進(jìn)行接觸灌漿，如果設(shè)置了 2 個(gè)接觸灌漿孔，那么其中心線的夾角可以設(shè)置成 60 度，并與壓力管道的中心軸線相對(duì)稱，一般排距設(shè)置為160cm，灌漿的壓力則為 0.1MPa。
五、伸縮管和伸縮節(jié)的替代設(shè)計(jì)
目前很多水電站在設(shè)置壓力管道時(shí)都使用伸縮管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伸縮節(jié)。通常使用的伸縮管長(zhǎng)約 10 米，鋼板襯砌的厚度約為30mm，外層包裹的軟墊層的厚度約為 20mm，軟木墊層的材質(zhì)為聚胺脂，彈性模量約為 3MPa。一般靠近廠房分縫的伸縮管之間需要預(yù)先留出 2cm 寬的環(huán)形縫隙，外側(cè)需要設(shè)置成套環(huán)狀的墊板。同時(shí)，伸縮管的上下兩端需要設(shè)置止?jié){環(huán)，下端需要設(shè)置排水管。伸縮管外壁可以使用軟墊層來包裹，從而適應(yīng)施工階段廠房分縫的不均勻變形以及向外傳遞內(nèi)水壓力。在安裝伸縮管的時(shí)候可以使用特殊的支架，確保在水電站運(yùn)行階段伸縮管能夠在橫向和縱向發(fā)生較小的位移。
通常根據(jù)壓力管道投入鋼管的運(yùn)行順序來焊接伸縮管預(yù)先留出的環(huán)縫。然后，廠前分縫部位的不均勻變形、溫度變化以及內(nèi)水壓力等負(fù)荷可以直接由伸縮管承受。一般在各種負(fù)荷作用下，伸縮管分縫兩端發(fā)生的相對(duì)位移以及鋼板襯砌部分的應(yīng)力都可以利用三維有限元模型來進(jìn)行計(jì)算和分析。
結(jié)論
綜上所述，在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)需要綜合考慮各個(gè)方面的因素：壓力管道的鋪設(shè)位置、結(jié)構(gòu)形態(tài)、灌漿設(shè)計(jì)以及伸縮管的替代設(shè)計(jì)等。尤其是使用伸縮管代替伸縮節(jié)有利于節(jié)省投資，改善水電站的運(yùn)行效果。
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