壓力管道的設(shè)計(jì)工作是確保水電站正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一，因此，只有做好設(shè)計(jì)把關(guān)和設(shè)計(jì)資格認(rèn)證等才能夠確保所設(shè)計(jì)壓力管道的質(zhì)量水平。本文主要探討了在水電站工程中設(shè)計(jì)壓力管道的時(shí)候應(yīng)該著重注意的幾點(diǎn)問題。 

　　關(guān)鍵詞:水電站；壓力管道；設(shè)計(jì) 

　　中圖分類號(hào)：TM622文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 

　　一、水電站壓力管道的位置選擇 

　　1.綜合考慮多種因素，比選最佳方案 

　　通常情況下，在設(shè)計(jì)壓力管道的位置時(shí)應(yīng)該綜合考慮各種因素，例如地質(zhì)、施工條件、地形、運(yùn)行狀況、水力學(xué)以及樞紐布置等。繼而設(shè)計(jì)出幾種可行方案，再通過分析各個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)情況，從中選出最佳的設(shè)計(jì)方案。 

　　2.符合整體的樞紐布置要求 

　　一般水電站設(shè)計(jì)的壓力管道必須符合整體的樞紐布置要求。同時(shí)，鋪設(shè)壓力管道的地區(qū)還需要滿足以下幾個(gè)方面的條件，即巖體結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)定、較好的水文地質(zhì)狀況、有利的地質(zhì)構(gòu)造、較好的巖性以及方便施工等。 

　　3.確保巖層和壓力管道的管線之間的夾角較大 

　　通常在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道并鋪設(shè)管線之前，應(yīng)該測(cè)量巖層和預(yù)鋪設(shè)的管線之間的夾角大小，確保夾角較大。如果巖體的整體呈塊狀結(jié)構(gòu)，那么夾角要大于 30 度；如果巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，那么夾角要大于 45 度。但是，如果鋪設(shè)的壓力管道位于高地應(yīng)力地區(qū)，那么為了確保巖層的穩(wěn)定，可以使鋪設(shè)的管線方向盡可能地和最大水平地的應(yīng)力方向保持一致。 

　　4.其它建筑物和壓力管道之間應(yīng)保持一定距離 

　　一般根據(jù)計(jì)算限制裂縫所開展的寬度來(lái)設(shè)計(jì)壓力管道的結(jié)構(gòu)，所以水電站的一些廠房建筑物盡可能地和鋪設(shè)的壓力管道之間保持一定的距離，從而即使壓力管道產(chǎn)生裂縫、發(fā)生滲漏也不致會(huì)直接影響到水電站的廠房建筑物。因此，可以在廠房和壓力管道之間搭建一段鋼管，以實(shí)現(xiàn)上述目的。 

　　二、水電站壓力管道的管徑和水力計(jì)算 

　　1.壓力管道的管徑計(jì)算 

　　通常水電站壓力管道的管徑又稱為橫斷面尺寸，在計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑的時(shí)候要遵循一定的原則，即確保能量損失最少、管道工程費(fèi)用最小。此外，只有保證壓力管道內(nèi)部的水流速度小于經(jīng)濟(jì)水流速度，才能盡可能地降低能量損失。 

　　2.壓力管道的水力計(jì)算 

　　在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道的過程中必須合理計(jì)算各項(xiàng)水力指標(biāo)，即水頭損失、過流能力以及水利過渡等。一般根據(jù)有壓管道的各項(xiàng)水流條件來(lái)計(jì)算過流能力，而水頭損失一般通過使用伯努利方程來(lái)計(jì)算壓力管道的局部損失或者沿程損失。 

　　三、水電站壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析 

　　1.壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　通常按照裂縫限制來(lái)計(jì)算和確定配筋率，根據(jù)實(shí)際情況，可以在壓力管道的混凝土襯砌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層或者兩層鋼筋，從而控制混凝土的最大裂縫寬度。 

　　一般利用結(jié)構(gòu)力學(xué)來(lái)計(jì)算混凝土壓力管道的襯砌部分在開裂時(shí)所需的鋼筋面積。使用的相關(guān)計(jì)算公式在《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中。如果管道直徑小于六米，那么在計(jì)算鋼筋面積時(shí)可以只考慮內(nèi)水壓力作用所產(chǎn)生的襯砌靜力： 

　　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）表示管道內(nèi)環(huán)的鋼筋面積； 

　　σg（kN/cm2）表示鋼筋所能承受的最大應(yīng)力； 

　　Rg（kN/cm2）表示管道設(shè)計(jì)的鋼筋強(qiáng)度； 

　　Kg表示鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)； 

　　P（kN/cm2）表示管道內(nèi)部承受的內(nèi)水壓力； 

　　Eg（kN/cm2）表示鋼筋的彈性； 

　　K0（kN/cm3）表示單位彈性的管道圍巖的抗力系數(shù)； 

　　ri 表示壓力管道襯砌的內(nèi)層半徑； 

　　r0表示壓力管道襯砌的外層半徑； 

　　Eh（kN/cm2） 表示管道混凝土的彈性； 

　　Eh'（kN/cm2）表示管道混凝土的裂縫彈性。 

　　根據(jù)以上公式計(jì)算的管道鋼筋面積必須大于管道襯砌的最小配筋率。通常可以使用以下公式來(lái)計(jì)算鋼筋的應(yīng)力σgi，然后再結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)對(duì)混凝土的裂縫寬度進(jìn)行復(fù)核。 

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

　　此外，還可以使用彈性力學(xué)和變形協(xié)調(diào)等方面的相關(guān)公式來(lái)計(jì)算壓力管道橫截面的鋼筋面積。首先，利用變形協(xié)調(diào)條件來(lái)計(jì)算管道圍巖所承受的內(nèi)水壓力， 

　　公式如下： 

　　tc+tr+Δ0=Δs+tc-dc+(tr-dr) 

　　式中： 

　　dc 是指灌漿之后管道混凝土襯砌所發(fā)生的壓縮變形； 

　　dr是指壓力管道的松動(dòng)圈圍巖所發(fā)生的壓縮變形； 

　　Δ0是鋼筋所發(fā)生的總體徑向變形程度（Δ0=dc+dr）。 

　　可以根據(jù)水壓力作用的公式計(jì)算出壓力管道圍巖所能承受的壓力大小。 

　　2.壓力管道的結(jié)構(gòu)分析 

　　通常可以利用有限元模型來(lái)模擬的壓力管道，并可劃分為二維和三維有限元模型。其中，二維的有限元模型主要使用平面應(yīng)變單元來(lái)模擬壓力管道所處的斷層和圍巖襯砌；而三維的有限元模型主要使用厚殼等參單元來(lái)模擬斷層和圍巖襯砌類型。此外，還可以使用桿單元來(lái)模擬巖石的錨桿和鋼筋等。一般二維有限元模型所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果比三維有限元模型的結(jié)果更加安全可靠。通常在壓力管道的結(jié)構(gòu)分析過程中很難計(jì)算出穿越斷層的結(jié)構(gòu)。但是如果確實(shí)遇到了，使用二維有限元模型即可解決這個(gè)問題。 

　　四、水電站壓力管道的灌漿設(shè)計(jì) 

　　1.回填灌漿設(shè)計(jì)方法 

　　在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)所采取的回填灌漿設(shè)計(jì)方法具體是指，對(duì)壓力管道的鋼筋混凝土襯砌的頂拱部分實(shí)施回填灌漿工藝，采用 1 個(gè)或者 2 個(gè)回填灌漿孔交替布置。如果設(shè)置 1 個(gè)回填灌漿孔，那么就布置在洞頂；如果設(shè)置 2 個(gè)回填灌漿孔，那么其中心線的夾角應(yīng)該設(shè)置成 60 度，并與壓力管道的中心軸線相對(duì)稱，排距設(shè)置成 200cm。此外，混凝土襯砌段也需要回填灌漿，采用 1 孔或者 2 灌漿孔交替布置，但是排距應(yīng)設(shè)置成 160cm。填壓式灌漿法是回填灌漿設(shè)計(jì)中的主要灌漿方法。 

　　2.固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)方法 

　　固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)通常是在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)，用來(lái)降低滲透壓力和提升管道圍巖的承載力和整體性。而對(duì)壓力管道的鋼筋混凝土襯砌部分實(shí)施的固結(jié)灌漿工藝，一般每相隔 280cm 就可以設(shè)置一排固結(jié)灌漿孔，通常一排有 6 個(gè)孔，每個(gè)孔深入基巖內(nèi)部約 2.5 米，相鄰兩排孔成梅花形狀布置。環(huán)內(nèi)加密和環(huán)間分序是進(jìn)行固結(jié)灌漿的主要原則。 

　　3.接觸灌漿設(shè)計(jì)方法 

　　在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)，為了加強(qiáng)鋼板和回填混凝土之間的結(jié)合強(qiáng)度，通常對(duì)壓力管道的鋼板襯砌部分和支管部分實(shí)施接觸灌漿工藝。一般采用 1 個(gè)或者 2 個(gè)孔交替布置來(lái)進(jìn)行接觸灌漿，如果設(shè)置了 2 個(gè)接觸灌漿孔，那么其中心線的夾角可以設(shè)置成 60 度，并與壓力管道的中心軸線相對(duì)稱，一般排距設(shè)置為160cm，灌漿的壓力則為 0.1MPa。 

　　五、伸縮管和伸縮節(jié)的替代設(shè)計(jì) 

　　目前很多水電站在設(shè)置壓力管道時(shí)都使用伸縮管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伸縮節(jié)。通常使用的伸縮管長(zhǎng)約 10 米，鋼板襯砌的厚度約為30mm，外層包裹的軟墊層的厚度約為 20mm，軟木墊層的材質(zhì)為聚胺脂，彈性模量約為 3MPa。一般靠近廠房分縫的伸縮管之間需要預(yù)先留出 2cm 寬的環(huán)形縫隙，外側(cè)需要設(shè)置成套環(huán)狀的墊板。同時(shí)，伸縮管的上下兩端需要設(shè)置止?jié){環(huán)，下端需要設(shè)置排水管。伸縮管外壁可以使用軟墊層來(lái)包裹，從而適應(yīng)施工階段廠房分縫的不均勻變形以及向外傳遞內(nèi)水壓力。在安裝伸縮管的時(shí)候可以使用特殊的支架，確保在水電站運(yùn)行階段伸縮管能夠在橫向和縱向發(fā)生較小的位移。 

　　通常根據(jù)壓力管道投入鋼管的運(yùn)行順序來(lái)焊接伸縮管預(yù)先留出的環(huán)縫。然后，廠前分縫部位的不均勻變形、溫度變化以及內(nèi)水壓力等負(fù)荷可以直接由伸縮管承受。一般在各種負(fù)荷作用下，伸縮管分縫兩端發(fā)生的相對(duì)位移以及鋼板襯砌部分的應(yīng)力都可以利用三維有限元模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算和分析。 

　　結(jié)論 

　　綜上所述，在設(shè)計(jì)水電站的壓力管道時(shí)需要綜合考慮各個(gè)方面的因素：壓力管道的鋪設(shè)位置、結(jié)構(gòu)形態(tài)、灌漿設(shè)計(jì)以及伸縮管的替代設(shè)計(jì)等。尤其是使用伸縮管代替伸縮節(jié)有利于節(jié)省投資，改善水電站的運(yùn)行效果。