小型水电站压力钢管道稳定设计与施工控制

          摘要：众所周知，小型水电站压力钢管的下平段和下斜段，由于内水压力很高，普通高强钢难以满足较 

　　厚钢板对焊接均一性和焊接低敏感性的要求。本文为此首先从两个方面探讨了小型水电站埋藏式压力管道的稳定性，在常规措施的基础上，提出了一系列的稳定设计与施工控制。 

　　关键词：小型水电站；压力钢管；设计；施工 

　　 小型水电站压力钢管道是水工建筑的关键性结构之一[1]。压力管道按照钢管是否直接和大气接触的条件，钢管可以分为明敷钢管与埋管。后者可以埋设在混凝土中、岩石中或在土壤中。明管通常支承在分开的支座上[2]。由于压力钢管承重压力比较大，承载荷性也比较强，为此研究小型水电站压力钢管道稳定设计与施工控制意义重大。 

　　1 埋藏式压力管道的稳定性分析 

　　1.1 内水作用下的承载分析 

　　 内水压力是压力管道的主要荷载，钢衬和钢筋混凝土衬砌的参数主要由此决定。一般来说，钢衬和钢筋混凝土衬砌能作为整体结构可靠地联合工作，即使钢衬与混凝土衬砌的粘结遭到破坏，也不影响压力管道的应力状态[3]；结构破坏前，混凝图衬砌内产生有限的径向裂缝，正常运行时允许混凝土衬砌中发生裂缝；内水压力引起的钢衬和混凝土衬砌内钢筋内的应力取值一样，与环的半径无关；极限状态进行强度计算，在正常荷载作用下，钢衬和钢筋的应力不得超过规范所规定的极限值。 

　　1.2 外压作用下的失稳分析 

　　 埋藏式压力钢管抗外压失稳的设计步骤为：首先根据已定的光面管管壁厚度计算其临界外压；如果不满足稳定要求，可考虑设置加劲环，此时先根据钢管临界外压计算加劲环的间距，然后根据加劲环抗外压失稳要求计算出加劲环的尺寸[4]。而埋藏式带加劲环的压力钢管的外医稳定包括加劲环的稳定和环间管壁的稳定。压力钢管的外压失稳与其尺寸、钢材的屈服强度、初始缺陷、外压分布形态有直接联系，是一个复杂的几何非线性问题。 

　　2小型水电站压力钢管道稳定设计与施工控制措施 

　　 近十几年来，国内外水电站的发展趋势是单机容量愈来愈大，压力管道的荷载值也不断提高。如果外压荷载较大，则作为薄壳结构的钢管壁极易发生属曲失稳破坏。下面具体探讨了相关设计与施工控制措施。 

　　2.1 常规措施 

　　 常规措施是加厚钢衬或加大混凝土衬砌配筋量，其中钢板厚度大幅度增加大大超过了现有的最大滚压能力，这给压力管道的设计、制造、安装、焊接带来了很大困难，加大混凝土衬砌配筋量则给混凝土衬砌的浇筑带来不便且无法保证浇筑质量。如果采用高强合金钢，但高强合金钢昂贵、短缺，比较经济实用的还是钢衬钢筋混凝土联合承载结构[5]。 

　　2.2 组合套管 

　　 组合套管式引水管道是由内外钢管及两管之间的混凝土管组成，三者共同承担内水压力，内层钢管可先进入塑性状态工作，外层管在弹性范围内工作，这样，不仅钢管厚度可以减少，而且对于坝内管道，混凝土中形成的裂缝不会扩展到坝体，同时也有利于提高外压作用下的稳定性，对于坝后背管，外管也起到了一定的防护作用，与此同时，这种管道有可能发展成为预制构件，以加快施工进度。类似这种管道在国外已有所尝试，如法图罗斯兰水电站采用双层管比较成功。 

　　2.3 垫层管 

　　 由于通常埋藏式压力管道存在上述问题，近年来国内外开始在埋管以1000及坝内埋管中采用设置垫层的埋管形式。设置垫层后，由于垫层将钢管和混凝土衬砌分开，使管内水压力绝大部分由钢管承受，充分发挥钢管的高抗拉性，减少了传至混凝土衬砌和围岩的内水压力，从而使混凝土衬砌和围岩减少开裂。这种结构形式可使钢管充分发挥承受内压的作用，大大减小了混凝土衬砌的拉应力，增加了混凝土衬砌的抗裂安全性，减少了管周的配筋量，并允许钢管浅埋，以减小了埋藏式压力管道的施工难度[6]。混凝土衬砌中的拉应力减小后，如果混凝土衬砌不开裂或裂缝很小，则可承受外水荷载或减小通过裂缝作用在钢管壁上的外水荷载，减小了当钢管放空时钢管管壁发生屈曲失稳的可能性。 

　　2.4 夹层管 

　　 夹层管与组合套管相比，正好相反，足由内外层混凝土衬砌和混凝土衬砌中间的钢板组成。夹层管在内水作用下，混凝土衬砌可开裂，由内外层混凝土、钢衬和围岩三者共同承载，外水则直接作用在外层混凝土村砌的外侧，通过钢衬内层混凝土衬砌开裂后也可承担外水荷载，这样将不在以钢衬这种薄壳结构的属曲临界外压为其极限外压荷载，而是以混凝土的抗压强度计算其极限外压。夹层管的另一个优点是可以用在非鼹形隧洞中，如马蹄形隧洞。 

　　2.5 合理设计 

　　 小型水电站压力钢管设计一般采用规范解析法进行计算。根据类似及以往工程设计计算结果可知，采用有限元法计算确定的管壁厚度一般要比采用规范解析法计算确定的管壁厚度小，可以节约工程投资。同时钢管制造前，必须明确其制造技术要求。压力钢管制造遵循的主要技术标准为：《压力钢管制造安装及验收规范》(DL5017-93)、国家电力公司编制的《压力钢管制造安装施工技术要求》，以及钢制压力容器有关标准、规范，如《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》、《压力容器用钢板》等。钢管制造质量控制主要根据生产工艺流程，逐道工序进行控制。 

　　 总之，压力钢管对小型水电站来说是一个重要的组成部分，为此要加强稳定设计与施工，从而保证水电站的可持续运行。 

　　参考文献： 

　　 [1] 西北勘测设计研究院.水电站压力钢管设计规范(DL/T5141-2001)[M]．北京：中国电力出版社，2001：12. 

　　 [2] 古瑞昌，傅金筑．绿水河水电站地下埋管失稳破坏和修复情况介绍[J]．水电站压力管道，2002，(2)：44. 

　　[3] 祝伟昌，邹云鹏.钢衬钢筋混凝土压力钢管的非线性分析[J]．广西大学学报，2005，7：225-227. 

　　[4] 刘宪亮.水电站加劲压力钢管整体结构分析[J]．水利学报，2007：45-47. 

　　[5] 陈露.压力容器压力管道特种设备事故处理规定实施手册[M]．北京：商业出版社，2001，11：41-43. 

　　[6] 李宁，陈波，陈飞熊．岩土工程软件FINAL的应用与开发．西安公路交通大学学报，2000(1)：27-33．