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

　　關鍵詞： 水電站；壓力管道設計；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換的綜合性工程設施，其核心任務是發電。它包含為運用水能生產電能所裝設的一系列水電站設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節和匯集，將其輸向水輪機，在水輪發電機的運轉下，實現水能轉換為電能，最后利用變壓器、輸電線路、開關站等將電能全部輸進電網[1]。此文系研究水電站壓力管道的設計及方法，結果所獲頗豐。 

　　1 工程概況 

　　我國某水電站的核心任務是發電。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計方法，以下是壓力管道的相關布置，主要含有“地形及地質”、“設計標準與參數”、“壓力管道布置方案”。 

　　2.1 地形及地質 

　　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，而900m高程下和地表屬于上更新統沖積洪積（al-plQ3）砂質粘土與全新統坡積（Qp14）碎石土，其巖性屬于石炭-火山角巖。這段節理的裂隙發育良好，而貫穿性結構未得到發育，結構面為多閉合，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。巖層走向與管溝走向的交角是63.4°，較為穩定，可是結構面仍然存在局部塌方、掉塊的危險。上更新統沖積洪積砂質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 設計標準與參數 

　　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計安全標準》來劃分的[3]。根據自然災害防御研究所發布的《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，與之對應的地震烈度為8度。按照《水工建筑物的抗震設計報告》，水工建筑物的抗震設計的烈度為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，全部方案的裝機總容量是4×52MW，最大引水流量設計為137.6m3/s，鋼管外部應用鋼筋混凝土，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置為6.4m，支管管徑設置為3.2m。②兩管四機：雙壓力主管鋼管作平行布置，將單管引水流量設置為68.8m3/s；雙壓力主管在壓力前池的地面進行布置，經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置為3.1m、4.4m[6]。③單機單管：引流量設置為32.8m3/s，壓力鋼管的管徑設置為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措施。④明鋼管：單管的引水流量設置為32.8m3/s，壓力鋼管的管徑設置為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；為明鋼管設立支墩，支墩的間距約為7m；上下彎段敷設鎮墩，鎮墩的間距約為95m[7]。⑤發電洞：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置為6.4m、3.2m。 

　　發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、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 壓力管道的設計 

　　壓力管道設計對水電站工程的質量具有嚴重的影響，設計壓力管道時，必須對“管壁厚度”、“計算參數”、“計算結果”進行仔細的核對，才能保證工程質量。 

　　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、穩定性進行分析。根據明管設計管壁厚度，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 

　　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，管道設計內水壓力標準值為1.03MPa，管內真空壓力標準值為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，基槽雙側原狀土變形模量為3MPa，管中心處基槽寬度為3m，土弧基礎設計計算中心角為90°，閉合溫差為24°，焊縫系數為0.94°。 

　　3.3 計算結果 

　　根據《回填管設計方法與給排水規范》、《水電站壓力鋼管設計規范》對回填鋼管進行計算，荷載不將分項系數納為計算因素，管壁應力必須滿足的條件如下：管壁的單獨內水壓力產生的環向應力不可大于明鋼管膜的允許應力（0.55？準6），荷載組合產生的環向、等效應力不可大于明鋼管局部的允許應力（0.67？準6），？準即焊接系數。經計算，主管的管壁厚度為12mm，鋼材種類為Q345B，膜應力為189.75MPa，局部應力為231.15MPa，單獨內水壓力引起的環向應力為59.46MPa，組合荷載作用下環向應力為144.25MPa，軸向應力為98.89MPa（-12.35MPa），等效應力為114.98MPa（135.72MPa），臨界外壓為0.597MPa，鋼管設計穩定性抗力系數為5.66，管道變形為40.03mm，支管的管壁厚度、鋼材種類、膜應力、局部應力、單獨內水壓力引起的環向應力、組合荷載作用下環向應力、軸向應力、等效應力、臨界外壓、鋼管設計穩定性抗力系數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計要求，其穩定性抗力系數均>2，能夠滿足穩定性設計要求，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計要求。 

　　4 結語 

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