讨论水电站压力管道设计

 摘 要:压力管道的设计工作是确保水电站正常运行的重要环节之一，因此，只有做好设计把关和设计资格认证等才能够确保所设计压力管道的质量水平。本文主要探讨了在水电站工程中设计压力管道的时候应该着重注意的几点问题。 

　　关键词:水电站；压力管道；设计 

　　中图分类号：TM622文献标识码： A 

　　一、水电站压力管道的位置选择 

　　1.综合考虑多种因素，比选最佳方案 

　　通常情况下，在设计压力管道的位置时应该综合考虑各种因素，例如地质、施工条件、地形、运行状况、水力学以及枢纽布置等。继而设计出几种可行方案，再通过分析各个方案的技术经济指标情况，从中选出最佳的设计方案。 

　　2.符合整体的枢纽布置要求 

　　一般水电站设计的压力管道必须符合整体的枢纽布置要求。同时，铺设压力管道的地区还需要满足以下几个方面的条件，即岩体结构完整稳定、较好的水文地质状况、有利的地质构造、较好的岩性以及方便施工等。 

　　3.确保岩层和压力管道的管线之间的夹角较大 

　　通常在设计水电站的压力管道并铺设管线之前，应该测量岩层和预铺设的管线之间的夹角大小，确保夹角较大。如果岩体的整体呈块状结构，那么夹角要大于 30 度；如果岩体呈层状结构，那么夹角要大于 45 度。但是，如果铺设的压力管道位于高地应力地区，那么为了确保岩层的稳定，可以使铺设的管线方向尽可能地和最大水平地的应力方向保持一致。 

　　4.其它建筑物和压力管道之间应保持一定距离 

　　一般根据计算限制裂缝所开展的宽度来设计压力管道的结构，所以水电站的一些厂房建筑物尽可能地和铺设的压力管道之间保持一定的距离，从而即使压力管道产生裂缝、发生渗漏也不致会直接影响到水电站的厂房建筑物。因此，可以在厂房和压力管道之间搭建一段钢管，以实现上述目的。 

　　二、水电站压力管道的管径和水力计算 

　　1.压力管道的管径计算 

　　通常水电站压力管道的管径又称为横断面尺寸，在计算经济管径的时候要遵循一定的原则，即确保能量损失最少、管道工程费用最小。此外，只有保证压力管道内部的水流速度小于经济水流速度，才能尽可能地降低能量损失。 

　　2.压力管道的水力计算 

　　在设计水电站的压力管道的过程中必须合理计算各项水力指标，即水头损失、过流能力以及水利过渡等。一般根据有压管道的各项水流条件来计算过流能力，而水头损失一般通过使用伯努利方程来计算压力管道的局部损失或者沿程损失。 

　　三、水电站压力管道的结构设计和结构分析 

　　1.压力管道的结构设计 

　　通常按照裂缝限制来计算和确定配筋率，根据实际情况，可以在压力管道的混凝土衬砌内侧铺设一层或者两层钢筋，从而控制混凝土的最大裂缝宽度。 

　　一般利用结构力学来计算混凝土压力管道的衬砌部分在开裂时所需的钢筋面积。使用的相关计算公式在《水工隧洞设计规范》中。如果管道直径小于六米，那么在计算钢筋面积时可以只考虑内水压力作用所产生的衬砌静力： 

　　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）表示管道内环的钢筋面积； 1000;

　　σg（kN/cm2）表示钢筋所能承受的最大应力； 

　　Rg（kN/cm2）表示管道设计的钢筋强度； 

　　Kg表示钢筋混凝土结构强度的安全系数； 

　　P（kN/cm2）表示管道内部承受的内水压力； 

　　Eg（kN/cm2）表示钢筋的弹性； 

　　K0（kN/cm3）表示单位弹性的管道围岩的抗力系数； 

　　ri 表示压力管道衬砌的内层半径； 

　　r0表示压力管道衬砌的外层半径； 

　　Eh（kN/cm2） 表示管道混凝土的弹性； 

　　Eh'（kN/cm2）表示管道混凝土的裂缝弹性。 

　　根据以上公式计算的管道钢筋面积必须大于管道衬砌的最小配筋率。通常可以使用以下公式来计算钢筋的应力σgi，然后再结合《水工混凝土结构设计规范》来对混凝土的裂缝宽度进行复核。 

　　σgi=P*γi+100*K0*m*0.01*f+K0*γi*0.01*Eg>σg 

　　此外，还可以使用弹性力学和变形协调等方面的相关公式来计算压力管道横截面的钢筋面积。首先，利用变形协调条件来计算管道围岩所承受的内水压力， 

　　公式如下： 

　　tc+tr+Δ0=Δs+tc-dc+(tr-dr) 

　　式中： 

　　dc 是指灌浆之后管道混凝土衬砌所发生的压缩变形； 

　　dr是指压力管道的松动圈围岩所发生的压缩变形； 

　　Δ0是钢筋所发生的总体径向变形程度（Δ0=dc+dr）。 

　　可以根据水压力作用的公式计算出压力管道围岩所能承受的压力大小。 

　　2.压力管道的结构分析 

　　通常可以利用有限元模型来模拟的压力管道，并可划分为二维和三维有限元模型。其中，二维的有限元模型主要使用平面应变单元来模拟压力管道所处的断层和围岩衬砌；而三维的有限元模型主要使用厚壳等参单元来模拟断层和围岩衬砌类型。此外，还可以使用杆单元来模拟岩石的锚杆和钢筋等。一般二维有限元模型所计算出来的结果比三维有限元模型的结果更加安全可靠。通常在压力管道的结构分析过程中很难计算出穿越断层的结构。但是如果确实遇到了，使用二维有限元模型即可解决这个问题。 

　　四、水电站压力管道的灌浆设计 

　　1.回填灌浆设计方法 

　　在设计水电站的压力管道时所采取的回填灌浆设计方法具体是指，对压力管道的钢筋混凝土衬砌的顶拱部分实施回填灌浆工艺，采用 1 个或者 2 个回填灌浆孔交替布置。如果设置 1 个回填灌浆孔，那么就布置在洞顶；如果设置 2 个回填灌浆孔，那么其中心线的夹角应该设置成 60 度，并与压力管道的中心轴线相对称，排距设置成 200cm。此外，混凝土衬砌段也需要回填灌浆，采用 1 孔或者 2 灌浆孔交替布置，但是排距应设置成 160cm。填压式灌浆法是回填灌浆设计中的主要灌浆方法。 

　　2.固结灌浆设计方法 

　　固结灌浆设计通常是在设计水电站的压力管道时，用来降低渗透压力和提升管道围岩的承载力和整体性。而对压力管道的钢筋混凝土衬砌部分实施的固结灌浆工艺，一般每相隔 280cm 就可以设置一排固结灌浆孔，通常一排有 6 个孔，每个孔深入基岩内部约 2.5 米，相邻两排孔成梅花形状布置。环内加密和环间分序是进行固结灌浆的主要原则。 

　　3.接触灌浆设计方法 

　　在设计水电站的压力管道时，为了加强钢板和回填混凝土之间的结合强度，通常对压力管道的钢板衬砌部分和支管部分实施接触灌浆工艺。一般采用 1 个或者 2 个孔交替布置来进行接触灌浆，如果设置了 2 个接触灌浆孔，那么其中心线的夹角可以设置成 60 度，并与压力管道的中心轴线相对称，一般排距设置为160cm，灌浆的压力则为 0.1MPa。 

　　五、伸缩管和伸缩节的替代设计 

　　目前很多水电站在设置压力管道时都使用伸缩管代替传统的伸缩节。通常使用的伸缩管长约 10 米，钢板衬砌的厚度约为30mm，外层包裹的软垫层的厚度约为 20mm，软木垫层的材质为聚胺脂，弹性模量约为 3MPa。一般靠近厂房分缝的伸缩管之间需要预先留出 2cm 宽的环形缝隙，外侧需要设置成套环状的垫板。同时，伸缩管的上下两端需要设置止浆环，下端需要设置排水管。伸缩管外壁可以使用软垫层来包裹，从而适应施工阶段厂房分缝的不均匀变形以及向外传递内水压力。在安装伸缩管的时候可以使用特殊的支架，确保在水电站运行阶段伸缩管能够在横向和纵向发生较小的位移。 

　　通常根据压力管道投入钢管的运行顺序来焊接伸缩管预先留出的环缝。然后，厂前分缝部位的不均匀变形、温度变化以及内水压力等负荷可以直接由伸缩管承受。一般在各种负荷作用下，伸缩管分缝两端发生的相对位移以及钢板衬砌部分的应力都可以利用三维有限元模型来进行计算和分析。 

　　结论 

　　综上所述，在设计水电站的压力3cde管道时需要综合考虑各个方面的因素：压力管道的铺设位置、结构形态、灌浆设计以及伸缩管的替代设计等。尤其是使用伸缩管代替伸缩节有利于节省投资，改善水电站的运行效果。 

　　参考文献： 

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　　[3] 古琴. 水电工程压力管道设计应关注的几个问题[J]. 建材与装饰, 2013 (21).