關(guān)于水電站的壓力管道設(shè)計(jì)方法分析

劉靜

摘要： 水電站是我國的核心發(fā)電單位。通過對“水電站工程概況”、“壓力管道的布置及設(shè)計(jì)”作綜述，希望水電站能夠參照地形地質(zhì)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)參數(shù)、壓力管道布置方案確定管壁厚度，對計(jì)算參數(shù)、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核實(shí)，從而確保壓力管道的設(shè)計(jì)質(zhì)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.

關(guān)鍵詞： 水電站；壓力管道設(shè)計(jì)；方法

Key words： hydropower station；pressure piping design；method

中圖分類號：TV732.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)換的綜合性工程設(shè)施，其核心任務(wù)是發(fā)電。它包含為運(yùn)用水能生產(chǎn)電能所裝設(shè)的一系列水電站設(shè)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(jìn)行調(diào)節(jié)和匯集，將其輸向水輪機(jī)，在水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)下，實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換為電能，最后利用變壓器、輸電線路、開關(guān)站等將電能全部輸進(jìn)電網(wǎng)[1]。此文系研究水電站壓力管道的設(shè)計(jì)及方法，結(jié)果所獲頗豐。

1 工程概況

我國某水電站的核心任務(wù)是發(fā)電。其裝機(jī)容量高達(dá)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(shè)計(jì)方法，以下是壓力管道的相關(guān)布置，主要含有“地形及地質(zhì)”、“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)”、“壓力管道布置方案”。

2.1 地形及地質(zhì)

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(tài)，而900m高程下和地表屬于上更新統(tǒng)沖積洪積（al-plQ3）砂質(zhì)粘土與全新統(tǒng)坡積（Qp14）碎石土，其巖性屬于石炭-火山角巖。這段節(jié)理的裂隙發(fā)育良好，而貫穿性結(jié)構(gòu)未得到發(fā)育，結(jié)構(gòu)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(fēng)化基巖內(nèi)。巖層走向與管溝走向的交角是63.4°，較為穩(wěn)定，可是結(jié)構(gòu)面仍然存在局部塌方、掉塊的危險(xiǎn)。上更新統(tǒng)沖積洪積砂質(zhì)粘土抗腐蝕能力一般，允載力約為360～480kPa，弱風(fēng)化基巖的允載力為1MPa。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)

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(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》來劃分的[3]。根據(jù)自然災(zāi)害防御研究所發(fā)布的《某水電站工程場地地震危險(xiǎn)性評估表》，本工程50年超越概率15%的場地地表水平，地震動(dòng)峰值加速度為0.27g，與之對應(yīng)的地震烈度為8度。按照《水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)報(bào)告》，水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)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(shù)等因素進(jìn)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(fā)電洞等方案進(jìn)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(jī)方案、兩管四機(jī)方案、單管單機(jī)方案等多個(gè)方案進(jìn)行對比，全部方案的裝機(jī)總?cè)萘渴?×52MW，最大引水流量設(shè)計(jì)為137.6m3/s，鋼管外部應(yīng)用鋼筋混凝土，并在完工后回填泥土。

具體如下：①一管四機(jī)：引流量設(shè)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(shè)置為6.4m，支管管徑設(shè)置為3.2m。②兩管四機(jī)：雙壓力主管鋼管作平行布置，將單管引水流量設(shè)置為68.8m3/s；雙壓力主管在壓力前池的地面進(jìn)行布置，經(jīng)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(shè)置為3.1m、4.4m[6]。③單機(jī)單管：引流量設(shè)置為32.8m3/s，壓力鋼管的管徑設(shè)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(guān)措施。④明鋼管：單管的引水流量設(shè)置為32.8m3/s，壓力鋼管的管徑設(shè)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(shè)立支墩，支墩的間距約為7m；上下彎段敷設(shè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩的間距約為95m[7]。⑤發(fā)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(shè)置為6.4m、3.2m。

發(fā)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(fù)雜，而且在地下洞穴施工較為困難，工程進(jìn)度慢，臨時(shí)支護(hù)量較多，不符合安全施工、技術(shù)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(yùn)行非常靈活和方便，但是在冬季保溫措施當(dāng)中需要進(jìn)行側(cè)向加固，沒有大量的維護(hù)費(fèi)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(yùn)行、施工技術(shù)、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(jī)”方案進(jìn)行施工。

3 壓力管道的設(shè)計(jì)

壓力管道設(shè)計(jì)對水電站工程的質(zhì)量具有嚴(yán)重的影響，設(shè)計(jì)壓力管道時(shí)，必須對“管壁厚度”、“計(jì)算參數(shù)”、“計(jì)算結(jié)果”進(jìn)行仔細(xì)的核對，才能保證工程質(zhì)量。

3.1 管壁厚度

回填鋼管時(shí)，隊(duì)管壁厚度進(jìn)行初步擬定，并對鋼管的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)明管設(shè)計(jì)管壁厚度，運(yùn)用假定鋼管水承載力的方式，通過鍋爐公式對管壁厚度進(jìn)行計(jì)算，并考慮安裝與運(yùn)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(jìn)行計(jì)算，得出主管管壁厚度、支管管壁厚度分別為12mm、10mm。

3.2 計(jì)算參數(shù)

按照管道布置方案，對主管管道的末端斷面進(jìn)行回填管計(jì)算，具體如下：鋼管內(nèi)徑為1400mm，管壁厚度為12mm，管頂覆土為2.5m，地面堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10kN/m2，管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為1.03MPa，管內(nèi)真空壓力標(biāo)準(zhǔn)值為0.05MPa，鋼管管壁鋼材屈服點(diǎn)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(shù)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(cè)原狀土變形模量為3MPa，管中心處基槽寬度為3m，土弧基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算中心角為90°，閉合溫差為24°，焊縫系數(shù)為0.94°。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《回填管設(shè)計(jì)方法與給排水規(guī)范》、《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》對回填鋼管進(jìn)行計(jì)算，荷載不將分項(xiàng)系數(shù)納為計(jì)算因素，管壁應(yīng)力必須滿足的條件如下：管壁的單獨(dú)內(nèi)水壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力不可大于明鋼管膜的允許應(yīng)力（0.55？準(zhǔn)6），荷載組合產(chǎn)生的環(huán)向、等效應(yīng)力不可大于明鋼管局部的允許應(yīng)力（0.67？準(zhǔn)6），？準(zhǔn)即焊接系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，主管的管壁厚度為12mm，鋼材種類為Q345B，膜應(yīng)力為189.75MPa，局部應(yīng)力為231.15MPa，單獨(dú)內(nèi)水壓力引起的環(huán)向應(yīng)力為59.46MPa，組合荷載作用下環(huán)向應(yīng)力為144.25MPa，軸向應(yīng)力為98.89MPa（-12.35MPa），等效應(yīng)力為114.98MPa（135.72MPa），臨界外壓為0.597MPa，鋼管設(shè)計(jì)穩(wěn)定性抗力系數(shù)為5.66，管道變形為40.03mm，支管的管壁厚度、鋼材種類、膜應(yīng)力、局部應(yīng)力、單獨(dú)內(nèi)水壓力引起的環(huán)向應(yīng)力、組合荷載作用下環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、等效應(yīng)力、臨界外壓、鋼管設(shè)計(jì)穩(wěn)定性抗力系數(shù)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(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，其穩(wěn)定性抗力系數(shù)均>2，能夠滿足穩(wěn)定性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

壓力管道的設(shè)計(jì)需與水電站的實(shí)際工作情況相吻合，必須對成本、技術(shù)、施工安全進(jìn)行有效控制，通過合理的壓力管道布置，設(shè)計(jì)管壁厚度，確定計(jì)算參數(shù)，核對計(jì)算結(jié)果，保證壓力管道設(shè)計(jì)能夠提高水電站工程質(zhì)量，從而使得水電站工作能夠長期有效的開展。

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