关于水电站的压力管道设计方法分析

刘静

摘要： 水电站是我国的核心发电单位。通过对“水电站工程概况”、“压力管道的布置及设计”作综述，希望水电站能够参照地形地质、设计标准、基础参数、压力管道布置方案确定管壁厚度，对计算参数、计算结果进行核实，从而确保压力管道的设计质量。

Abstract： The hydropower station is the core of China's power generation units. Through a summary of "General Situation of Hydropower Station Project" and "the layout and design of pressure pipeline"， hope that the hydropower station can make references to the topography and geology， design standards， basic parameters， pressure piping layout scheme to determine the pipe wall thickness， verify the calculation parameters and calculation results， so as to ensure the design quality of the pressure pipeline.

关键词： 水电站；压力管道设计；方法

Key words： hydropower station；pressure piping design；method

中图分类号：TV732.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0091-02

0 引言

水电站又称水电厂，主要指将水能向电能进行转换的综合性工程设施，其核心任务是发电。它包含为运用水能生产电能所装设的一系列水电站设备与建造的多种水电站建筑物，通过建筑物将天然水流集中并形成水头，对天然水流量进行调节和汇集，将其输向水轮机，在水轮发电机的运转下，实现水能转换为电能，最后利用变压器、输电线路、开关站等将电能全部输进电网[1]。此文系研究水电站压力管道的设计及方法，结果所获颇丰。

1 工程概况

我国某水电站的核心任务是发电。其装机容量高达220MW，主要建筑物含有引水渠、厂房、压力管道、拦河引水枢纽、垮沟填方渠道、泄水坡、压力前池、尾水渠与渠系建筑物等，是重要的中型Ⅲ等工程。

2 压力管道的布置

此文系分析水电站压力管道的设计方法，以下是压力管道的相关布置，主要含有“地形及地质”、“设计标准与参数”、“压力管道布置方案”。

2.1 地形及地质

水电站压力管道的高程：山顶957m至山前斜坡坡脚856m，地形高差91m。此段900m高程上的基岩处于裸露状态，而900m高程下和地表属于上更新统冲积洪积（al-plQ3）砂质粘土与全新统坡积（Qp14）碎石土，其岩性属于石炭-火山角岩。这段节理的裂隙发育良好，而贯穿性结构未得到发育，结构面为多闭合，各岩块能够有效嵌合[2]。由于挖深方段为9m～13m，因此大部分压力管道在新鲜基岩或弱风化基岩内。岩层走向与管沟走向的交角是63.4°，较为稳定，可是结构面仍然存在局部塌方、掉块的危险。上更新统冲积洪积砂质粘土抗腐蚀能力一般，允载力约为360～480kPa，弱风化基岩的允载力为1MPa。

2.2 设计标准与参数

此水电站的工程等级为中型Ⅲ等，压力管道属于3级建筑物，这些都是按照《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》来划分的[3]。根据自然灾害防御研究所发布的《某水电站工程场地地震危险性评估表》，本工程50年超越概率15%的场地地表水平，地震动峰值加速度为0.27g，与之对应的地震烈度为8度。按照《水工建筑物的抗震设计报告》，水工建筑物的抗震设计的烈度为8度[4]。

2.3 压力管道布置方案

按照厂房及压力前池的布置，对工程建筑物的抗震烈度以及冬季加温措施、施工技术等因素进行考虑，压力管道的布置必须将浅埋式钢衬钢筋混凝土管方案、明钢管方案与发电洞等方案进行比较分析[5]。其中，浅埋式钢衬钢筋混凝土管需要再与一管四机方案、两管四机方案、单管单机方案等多个方案进行对比，全部方案的装机总容量是4×52MW，最大引水流量设计为137.6m3/s，钢管外部应用钢筋混凝土，并在完工后回填泥土。

具体如下：①一管四机：引流量设置为137.6m3/s，在压力前池的地面布置压力主管；作2次分岔，将4根支管在厂房垂直接入；将压力主管的管径设置为6.4m，支管管径设置为3.2m。②两管四机：双压力主管钢管作平行布置，将单管引水流量设置为68.8m3/s；双压力主管在压力前池的地面进行布置，经1次分岔后分作4根支管在厂房垂直接入；将压力支管与主管的管径分别设置为3.1m、4.4m[6]。③单机单管：引流量设置为32.8m3/s，压力钢管的管径设置为3.1m；4根相同管径的压力钢管在压力前池的地面布置好，然后在厂房平行接入；对4根钢管采取外包及回填土等相关措施。④明钢管：单管的引水流量设置为32.8m3/s，压力钢管的管径设置为3.1m；在压力前池将4根相同管径的钢管在地面上布置好，然后平行接入厂房；为明钢管设立支墩，支墩的间距约为7m；上下弯段敷设镇墩，镇墩的间距约为95m[7]。⑤发电洞：引水流量为137.6m3/s，以垂直的形式在压力前池的斜井段、岔管段与下平洞段接入厂房；将压力主管与支管的管径分别设置为6.4m、3.2m。

发电洞方案虽然耗资较少，但其压力钢管的安装及制作非常复杂，而且在地下洞穴施工较为困难，工程进度慢，临时支护量较多，不符合安全施工、技术控制等施工原则。明钢管方案中制作、安装钢管较简单，水电站运行非常灵活和方便，但是在冬季保温措施当中需要进行侧向加固，没有大量的维护费用，就很难顺利完成施工，此方案不符合“成本控制”的施工原则。

综合压力管道安全运行、施工技术、施工成本控制等因素，本工程最终选择浅埋式钢衬钢筋混凝土管中的“一管四机”方案进行施工。

3 压力管道的设计

压力管道设计对水电站工程的质量具有严重的影响，设计压力管道时，必须对“管壁厚度”、“计算参数”、“计算结果”进行仔细的核对，才能保证工程质量。

3.1 管壁厚度

回填钢管时，队管壁厚度进行初步拟定，并对钢管的强度、稳定性进行分析。根据明管设计管壁厚度，运用假定钢管水承载力的方式，通过锅炉公式对管壁厚度进行计算，并考虑安装与运输过程中对管壁厚度的要求，拟定出最为合适的管壁厚度。对本工程的压力钢管进行计算，得出主管管壁厚度、支管管壁厚度分别为12mm、10mm。

3.2 计算参数

按照管道布置方案，对主管管道的末端断面进行回填管计算，具体如下：钢管内径为1400mm，管壁厚度为12mm，管顶覆土为2.5m，地面堆积荷载标准值为10kN/m2，管道设计内水压力标准值为1.03MPa，管内真空压力标准值为0.05MPa，钢管管壁钢材屈服点为344MPa，钢材的弹性模量为206000N/mm2，钢材的泊松比为10∶3，钢材的线膨胀系数为0.000012，钢材的重度为78.4kN/m3，回填土重度为18kN/m3，回填土变形模量为4MPa，回填土的泊松比为10∶3，基槽双侧原状土变形模量为3MPa，管中心处基槽宽度为3m，土弧基础设计计算中心角为90°，闭合温差为24°，焊缝系数为0.94°。

3.3 计算结果

根据《回填管设计方法与给排水规范》、《水电站压力钢管设计规范》对回填钢管进行计算，荷载不将分项系数纳为计算因素，管壁应力必须满足的条件如下：管壁的单独内水压力产生的环向应力不可大于明钢管膜的允许应力（0.55？准6），荷载组合产生的环向、等效应力不可大于明钢管局部的允许应力（0.67？准6），？准即焊接系数。经计算，主管的管壁厚度为12mm，钢材种类为Q345B，膜应力为189.75MPa，局部应力为231.15MPa，单独内水压力引起的环向应力为59.46MPa，组合荷载作用下环向应力为144.25MPa，轴向应力为98.89MPa（-12.35MPa），等效应力为114.98MPa（135.72MPa），临界外压为0.597MPa，钢管设计稳定性抗力系数为5.66，管道变形为40.03mm，支管的管壁厚度、钢材种类、膜应力、局部应力、单独内水压力引起的环向应力、组合荷载作用下环向应力、轴向应力、等效应力、临界外压、钢管设计稳定性抗力系数以及管道变形分别为10mm、Q345B、189.75MPa、231.15MPa、35.68MPa、115.56MPa、90.29MPa（-20.94MPa）、94.71MPa（114.62MPa）、

1.09MPa、10.35、12.71mm。

可见，管道强度能够满足设计要求，其稳定性抗力系数均>2，能够满足稳定性设计要求，干管的管道变形40.03mm<0.03D0（42.35mm），支管12.71mm<0.03D0，即21.4mm，管道变形能够满足设计要求。

4 结语

压力管道的设计需与水电站的实际工作情况相吻合，必须对成本、技术、施工安全进行有效控制，通过合理的压力管道布置，设计管壁厚度，确定计算参数，核对计算结果，保证压力管道设计能够提高水电站工程质量，从而使得水电站工作能够长期有效的开展。

参考文献：

[1]苟芳蓉，黄煌，陈子海.冶勒水电站压力管道设计[J].水电站设计，2011，01（6）：10-11+19.

[2]张曼曼，石广斌，王红，费秉宏.积石峡水电站压力管道设计与分析[J].水力发电，2011，11（24）：36-39.

[3]孙磊，马克俊.南田一级水电站压力管道设计[J].广东水利水电，2016，07（35）：33-35.

[4]韩建博，张锦堂.宝兴水电站压力管道施工方法比较[J].西北水电，2012，01（7）：38-41.

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