小型水電站壓力鋼管道穩(wěn)定設(shè)計(jì)與施工控制

          摘要：眾所周知，小型水電站壓力鋼管的下平段和下斜段，由于內(nèi)水壓力很高，普通高強(qiáng)鋼難以滿足較 

　　厚鋼板對(duì)焊接均一性和焊接低敏感性的要求。本文為此首先從兩個(gè)方面探討了小型水電站埋藏式壓力管道的穩(wěn)定性，在常規(guī)措施的基礎(chǔ)上，提出了一系列的穩(wěn)定設(shè)計(jì)與施工控制。 

　　關(guān)鍵詞：小型水電站；壓力鋼管；設(shè)計(jì)；施工 

　　 小型水電站壓力鋼管道是水工建筑的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)之一[1]。壓力管道按照鋼管是否直接和大氣接觸的條件，鋼管可以分為明敷鋼管與埋管。后者可以埋設(shè)在混凝土中、巖石中或在土壤中。明管通常支承在分開的支座上[2]。由于壓力鋼管承重壓力比較大，承載荷性也比較強(qiáng)，為此研究小型水電站壓力鋼管道穩(wěn)定設(shè)計(jì)與施工控制意義重大。 

　　1 埋藏式壓力管道的穩(wěn)定性分析 

　　1.1 內(nèi)水作用下的承載分析 

　　 內(nèi)水壓力是壓力管道的主要荷載，鋼襯和鋼筋混凝土襯砌的參數(shù)主要由此決定。一般來說，鋼襯和鋼筋混凝土襯砌能作為整體結(jié)構(gòu)可靠地聯(lián)合工作，即使鋼襯與混凝土襯砌的粘結(jié)遭到破壞，也不影響壓力管道的應(yīng)力狀態(tài)[3]；結(jié)構(gòu)破壞前，混凝圖襯砌內(nèi)產(chǎn)生有限的徑向裂縫，正常運(yùn)行時(shí)允許混凝土襯砌中發(fā)生裂縫；內(nèi)水壓力引起的鋼襯和混凝土襯砌內(nèi)鋼筋內(nèi)的應(yīng)力取值一樣，與環(huán)的半徑無關(guān)；極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，在正常荷載作用下，鋼襯和鋼筋的應(yīng)力不得超過規(guī)范所規(guī)定的極限值。 

　　1.2 外壓作用下的失穩(wěn)分析 

　　 埋藏式壓力鋼管抗外壓失穩(wěn)的設(shè)計(jì)步驟為：首先根據(jù)已定的光面管管壁厚度計(jì)算其臨界外壓；如果不滿足穩(wěn)定要求，可考慮設(shè)置加勁環(huán)，此時(shí)先根據(jù)鋼管臨界外壓計(jì)算加勁環(huán)的間距，然后根據(jù)加勁環(huán)抗外壓失穩(wěn)要求計(jì)算出加勁環(huán)的尺寸[4]。而埋藏式帶加勁環(huán)的壓力鋼管的外醫(yī)穩(wěn)定包括加勁環(huán)的穩(wěn)定和環(huán)間管壁的穩(wěn)定。壓力鋼管的外壓失穩(wěn)與其尺寸、鋼材的屈服強(qiáng)度、初始缺陷、外壓分布形態(tài)有直接聯(lián)系，是一個(gè)復(fù)雜的幾何非線性問題。 

　　2小型水電站壓力鋼管道穩(wěn)定設(shè)計(jì)與施工控制措施 

　　 近十幾年來，國(guó)內(nèi)外水電站的發(fā)展趨勢(shì)是單機(jī)容量愈來愈大，壓力管道的荷載值也不斷提高。如果外壓荷載較大，則作為薄殼結(jié)構(gòu)的鋼管壁極易發(fā)生屬曲失穩(wěn)破壞。下面具體探討了相關(guān)設(shè)計(jì)與施工控制措施。 

　　2.1 常規(guī)措施 

　　 常規(guī)措施是加厚鋼襯或加大混凝土襯砌配筋量，其中鋼板厚度大幅度增加大大超過了現(xiàn)有的最大滾壓能力，這給壓力管道的設(shè)計(jì)、制造、安裝、焊接帶來了很大困難，加大混凝土襯砌配筋量則給混凝土襯砌的澆筑帶來不便且無法保證澆筑質(zhì)量。如果采用高強(qiáng)合金鋼，但高強(qiáng)合金鋼昂貴、短缺，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的還是鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)[5]。 

　　2.2 組合套管 

　　 組合套管式引水管道是由內(nèi)外鋼管及兩管之間的混凝土管組成，三者共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，內(nèi)層鋼管可先進(jìn)入塑性狀態(tài)工作，外層管在彈性范圍內(nèi)工作，這樣，不僅鋼管厚度可以減少，而且對(duì)于壩內(nèi)管道，混凝土中形成的裂縫不會(huì)擴(kuò)展到壩體，同時(shí)也有利于提高外壓作用下的穩(wěn)定性，對(duì)于壩后背管，外管也起到了一定的防護(hù)作用，與此同時(shí)，這種管道有可能發(fā)展成為預(yù)制構(gòu)件，以加快施工進(jìn)度。類似這種管道在國(guó)外已有所嘗試，如法圖羅斯蘭水電站采用雙層管比較成功。 

　　2.3 墊層管 

　　 由于通常埋藏式壓力管道存在上述問題，近年來國(guó)內(nèi)外開始在埋管以及壩內(nèi)埋管中采用設(shè)置墊層的埋管形式。設(shè)置墊層后，由于墊層將鋼管和混凝土襯砌分開，使管內(nèi)水壓力絕大部分由鋼管承受，充分發(fā)揮鋼管的高抗拉性，減少了傳至混凝土襯砌和圍巖的內(nèi)水壓力，從而使混凝土襯砌和圍巖減少開裂。這種結(jié)構(gòu)形式可使鋼管充分發(fā)揮承受內(nèi)壓的作用，大大減小了混凝土襯砌的拉應(yīng)力，增加了混凝土襯砌的抗裂安全性，減少了管周的配筋量，并允許鋼管淺埋，以減小了埋藏式壓力管道的施工難度[6]�；炷�土襯砌中的拉應(yīng)力減小后，如果混凝土襯砌不開裂或裂縫很小，則可承受外水荷載或減小通過裂縫作用在鋼管壁上的外水荷載，減小了當(dāng)鋼管放空時(shí)鋼管管壁發(fā)生屈曲失穩(wěn)的可能性。 

　　2.4 夾層管 

　　 夾層管與組合套管相比，正好相反，足由內(nèi)外層混凝土襯砌和混凝土襯砌中間的鋼板組成。夾層管在內(nèi)水作用下，混凝土襯砌可開裂，由內(nèi)外層混凝土、鋼襯和圍巖三者共同承載，外水則直接作用在外層混凝土村砌的外側(cè)，通過鋼襯內(nèi)層混凝土襯砌開裂后也可承擔(dān)外水荷載，這樣將不在以鋼襯這種薄殼結(jié)構(gòu)的屬曲臨界外壓為其極限外壓荷載，而是以混凝土的抗壓強(qiáng)度計(jì)算其極限外壓。夾層管的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用在非鼴形隧洞中，如馬蹄形隧洞。 

　　2.5 合理設(shè)計(jì) 

　　 小型水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)一般采用規(guī)范解析法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)類似及以往工程設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，采用有限元法計(jì)算確定的管壁厚度一般要比采用規(guī)范解析法計(jì)算確定的管壁厚度小，可以節(jié)約工程投資。同時(shí)鋼管制造前，必須明確其制造技術(shù)要求。壓力鋼管制造遵循的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(DL5017-93)、國(guó)家電力公司編制的《壓力鋼管制造安裝施工技術(shù)要求》，以及鋼制壓力容器有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，如《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級(jí)》、《壓力容器用鋼板》等。鋼管制造質(zhì)量控制主要根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，逐道工序進(jìn)行控制。 

　　 總之，壓力鋼管對(duì)小型水電站來說是一個(gè)重要的組成部分，為此要加強(qiáng)穩(wěn)定設(shè)計(jì)與施工，從而保證水電站的可持續(xù)運(yùn)行。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　 [1] 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5141-2001)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2001：12. 

　　 [2] 古瑞昌，傅金筑．綠水河水電站地下埋管失穩(wěn)破壞和修復(fù)情況介紹[J]．水電站壓力管道，2002，(2)：44. 

　　[3] 祝偉昌，鄒云鵬.鋼襯鋼筋混凝土壓力鋼管的非線性分析[J]．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，7：225-227. 

　　[4] 劉憲亮.水電站加勁壓力鋼管整體結(jié)構(gòu)分析[J]．水利學(xué)報(bào)，2007：45-47. 

　　[5] 陳露.壓力容器壓力管道特種設(shè)備事故處理規(guī)定實(shí)施手冊(cè)[M]．北京：商業(yè)出版社，2001，11：41-43. 

　　[6] 李寧，陳波，陳飛熊．巖土工程軟件FINAL的應(yīng)用與開發(fā)．西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(1)：27-33．