壓力管道的設計工作是確保水電站正常運行的重要環(huán)節(jié)之一，因此，只有做好設計把關和設計資格認證等才能夠確保所設計壓力管道的質量水平。本文主要探討了在水電站工程中設計壓力管道的時候應該著重注意的幾點問題。 

　　關鍵詞:水電站；壓力管道；設計 

　　中圖分類號：TM622文獻標識碼： 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，在設計壓力管道的位置時應該綜合考慮各種因素，例如地質、施工條件、地形、運行狀況、水力學以及樞紐布置等。繼而設計出幾種可行方案，再通過分析各個方案的技術經濟指標情況，從中選出最佳的設計方案。 

　　2.符合整體的樞紐布置要求 

　　一般水電站設計的壓力管道必須符合整體的樞紐布置要求。同時，鋪設壓力管道的地區(qū)還需要滿足以下幾個方面的條件，即巖體結構完整穩(wěn)定、較好的水文地質狀況、有利的地質構造、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 

　　通常在設計水電站的壓力管道并鋪設管線之前，應該測量巖層和預鋪設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構，那么夾角要大于 30 度；如果巖體呈層狀結構，那么夾角要大于 45 度。但是，如果鋪設的壓力管道位于高地應力地區(qū)，那么為了確保巖層的穩(wěn)定，可以使鋪設的管線方向盡可能地和最大水平地的應力方向保持一致。 

　　4.其它建筑物和壓力管道之間應保持一定距離 

　　一般根據計算限制裂縫所開展的寬度來設計壓力管道的結構，所以水電站的一些廠房建筑物盡可能地和鋪設的壓力管道之間保持一定的距離，從而即使壓力管道產生裂縫、發(fā)生滲漏也不致會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，以實現上述目的。 

　　二、水電站壓力管道的管徑和水力計算 

　　1.壓力管道的管徑計算 

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

　　2.壓力管道的水力計算 

　　在設計水電站的壓力管道的過程中必須合理計算各項水力指標，即水頭損失、過流能力以及水利過渡等。一般根據有壓管道的各項水流條件來計算過流能力，而水頭損失一般通過使用伯努利方程來計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構設計和結構分析 

　　1.壓力管道的結構設計 

　　通常按照裂縫限制來計算和確定配筋率，根據實際情況，可以在壓力管道的混凝土襯砌內側鋪設一層或者兩層鋼筋，從而控制混凝土的最大裂縫寬度。 

　　一般利用結構力學來計算混凝土壓力管道的襯砌部分在開裂時所需的鋼筋面積。使用的相關計算公式在《水工隧洞設計規(guī)范》中。如果管道直徑小于六米，那么在計算鋼筋面積時可以只考慮內水壓力作用所產生的襯砌靜力： 

　　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）表示管道內環(huán)的鋼筋面積； 

　　σg（kN/cm2）表示鋼筋所能承受的最大應力； 

　　Rg（kN/cm2）表示管道設計的鋼筋強度； 

　　Kg表示鋼筋混凝土結構強度的安全系數； 

　　P（kN/cm2）表示管道內部承受的內水壓力； 

　　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； 

　　ri 表示壓力管道襯砌的內層半徑； 

　　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。 

　　根據以上公式計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計算鋼筋的應力σgi，然后再結合《水工混凝土結構設計規(guī)范》來對混凝土的裂縫寬度進行復核。 

　　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和變形協(xié)調等方面的相關公式來計算壓力管道橫截面的鋼筋面積。首先，利用變形協(xié)調條件來計算管道圍巖所承受的內水壓力， 

　　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）。 

　　可以根據水壓力作用的公式計算出壓力管道圍巖所能承受的壓力大小。 

　　2.壓力管道的結構分析 

　　通常可以利用有限元模型來模擬的壓力管道，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變單元來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模擬斷層和圍巖襯砌類型。此外，還可以使用桿單元來模擬巖石的錨桿和鋼筋等。一般二維有限元模型所計算出來的結果比三維有限元模型的結果更加安全可靠。通常在壓力管道的結構分析過程中很難計算出穿越斷層的結構。但是如果確實遇到了，使用二維有限元模型即可解決這個問題。 

　　四、水電站壓力管道的灌漿設計 

　　1.回填灌漿設計方法 

　　在設計水電站的壓力管道時所采取的回填灌漿設計方法具體是指，對壓力管道的鋼筋混凝土襯砌的頂拱部分實施回填灌漿工藝，采用 1 個或者 2 個回填灌漿孔交替布置。如果設置 1 個回填灌漿孔，那么就布置在洞頂；如果設置 2 個回填灌漿孔，那么其中心線的夾角應該設置成 60 度，并與壓力管道的中心軸線相對稱，排距設置成 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，但是排距應設置成 160cm。填壓式灌漿法是回填灌漿設計中的主要灌漿方法。 

　　2.固結灌漿設計方法 

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

　　3.接觸灌漿設計方法 

　　在設計水電站的壓力管道時，為了加強鋼板和回填混凝土之間的結合強度，通常對壓力管道的鋼板襯砌部分和支管部分實施接觸灌漿工藝。一般采用 1 個或者 2 個孔交替布置來進行接觸灌漿，如果設置了 2 個接觸灌漿孔，那么其中心線的夾角可以設置成 60 度，并與壓力管道的中心軸線相對稱，一般排距設置為160cm，灌漿的壓力則為 0.1MPa。 

　　五、伸縮管和伸縮節(jié)的替代設計 

　　目前很多水電站在設置壓力管道時都使用伸縮管代替?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先留出 2cm 寬的環(huán)形縫隙，外側需要設置成套環(huán)狀的墊板。同時，伸縮管的上下兩端需要設置止?jié){環(huán)，下端需要設置排水管。伸縮管外壁可以使用軟墊層來包裹，從而適應施工階段廠房分縫的不均勻變形以及向外傳遞內水壓力。在安裝伸縮管的時候可以使用特殊的支架，確保在水電站運行階段伸縮管能夠在橫向和縱向發(fā)生較小的位移。 

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

　　結論 

　　綜上所述，在設計水電站的壓力管道時需要綜合考慮各個方面的因素：壓力管道的鋪設位置、結構形態(tài)、灌漿設計以及伸縮管的替代設計等。尤其是使用伸縮管代替伸縮節(jié)有利于節(jié)省投資，改善水電站的運行效果。