水电站压力管道设计

1、第四章 水电站压力管道4.1 压力管道的功用和类型4.2 压力管道的线路选择和布置方式4.3 明钢管的构造、附件及敷设方式4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定4.6 钢岔管14.1 压力管道的功用和类型4.1.1 压力管道的功用与特点作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。特点：承受水电站大部分或全部水头内水压力大坡度陡靠近厂房承受动水压力4.1 压力管道的功用和类型4.1.2 压力管道的类型及适用条件1.按管壁材料分类(1)钢管：强度高，抗渗性能好。应用：中/高水头水电站(2)钢筋混凝土管：造价低，刚度较大、经久耐用，能承受较大外压，管壁承受拉应力能力较差。应用：水头较低的中小型水电站。

2、(3)钢衬钢筋混凝土管：应用：水头较高的情况(4)玻璃钢管：水流摩阻系数小，重量轻。应用：水头不高、流量较小的中小型水电站。4.1 压力管道的功用和类型4.1.2 压力管道的类型及适用条件1.按管壁材料分类钢管管节 钢筋混凝土管4.1 压力管道的功用和类型4.1.2 压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（1）地面压力管道（明管、露天式压力管道）：露天铺设。应用：引水式地面厂房。4.1 压力管道的功用和类型4.1.2 压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（2）地下压力管道：布置在地面以下成为地下管道。应用：电站厂房布置在地下或地形地质条件不宜布置成明管时采用。地下埋管：压力管

3、道埋入岩体中，内水压力由管壁和周围岩体分担。回填管：地面开挖沟槽，压力管道铺设在沟槽内后，再以土石回填，内水压力全部由管壁承担。4.1 压力管道的功用和类型4.1.2 压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类4.1 压力管道的功用和类型地下埋管施工中4.1.2 压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道：坝式水电站厂房紧靠坝体布置，压力管道穿过坝身成为坝体压力管道。应用：坝后式、坝内式、地下式厂房。坝内埋管：埋设于混凝土坝体内的压力管道，常采用钢管。坝内埋管的安装与大坝施工干扰较大，且影响坝体强度。坝后背管：将压力钢管穿过上部混凝土坝体后布置在下游坝坡上。布置较坝内

4、式的稍长，且管壁要承受全部内水压力，管壁厚度较大，用钢量多。应用：宽缝重力坝、支墩坝及薄拱坝的坝后式厂房。4.1 压力管道的功用和类型4.1.2 压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道4.1 压力管道的功用和类型斜式布置 平式布置 竖直式布置坝内埋管斜式布置这种布置多用于混凝土重力坝坝后式厂房当进水口高程较高时，一般用斜管和水轮机相连特点：管线较短，造价较低，管道在混凝土中埋得较深，可以考虑钢管和混凝土联合受力。钢管安装和混凝土浇筑干扰较大，不利于加快大坝施工平式布置当坝不高且进口高程布置较低时，钢管可以水平或接近水平布置，穿过坝体。竖直式布置多用于坝内式厂房。对于一

5、些比较薄的拱坝，如果要设埋管，也可采用竖直式布置。但由于孔口对坝体有削弱作用，对拱坝应力求避免采用此布置。4.1.2 压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道4.1 压力管道的功用和类型坝后背管4.2 压力管道的线路选择和布置方式4.2.1 压力管道线路的选择压力管道路线选择应符合水电站枢纽总体布置要求，并考虑地形、地质、水力学、施工及运行等条件，经技术经济比较之后确定。原则：1.尽可能短而直2.选择良好的地形、地质条件3.应满足运行安全要求4.应满足施工要求4.2 压力管道的线路选择和布置方式4.2.2 压力管道的布置型式1.压力管道的供水方式4.2 压力管道的线路选

6、择和布置方式单元供水Next联合供水分组供水单元供水每台机组都有一根水管供水。优点：结构简单，运行方便可靠，一根故障或检修不影响其他。缺点：费材，工程量大，造价高适用：坝式电站，明管Back联合供水 多台机组共用一根总水管。优点：机组多时水管数量少，管理方便，较经济缺点：总管发生故障或检修时，由它供水的机组都要停止，每台机组都要安设阀门以便检修该机组时不影响其他机组运行。适用：水头较高，流量较小的电站、地下厂房。Back分组供水 由多根水管供水，每根水管同时向两台以上机组供水。特点：介于以上两种供水方式之间。适用：管道较长，机组台数较多，需限制管径过大的水电站。Back4.2.2 压力管道的布

7、置型式2.压力管道的引近方式4.2 压力管道的线路选择和布置方式 (a)、(b) 正向引进 (c)、(d) 侧向引进 (e) 斜向引进 Next正向引近管道的轴线与厂房的纵轴线垂直。特点：水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。适用：低水头电站。Back侧向引近管道的轴线与厂房的纵轴线平行。特点：避免水流直冲厂房。管材用量增加，开挖工程量较大。适用：高、中水头电站。Back斜向引近管道的轴线与厂房的纵轴线斜交。特点：介于上述两者之间适用：分组供水和联合供水。Back4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式什么是明钢管？暴露在空气中的压力钢管。在中小型引水式水电站中

8、应用广泛。4.3.1 明钢管的构造1.接缝与接头(1)无缝钢管在工厂压轧成无纵缝的管节，运到现场后用横向焊缝或法兰将管节连成整体。适用：高水头，小流量的水电站。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.1 明钢管的构造1.接缝与接头(2)焊接钢管由辊卷成圆弧形的钢板，用纵缝和横缝焊接而成。纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴纵缝与水平轴线和垂直轴线的夹角应大于154.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.1 明钢管的构造1.接缝与接头(3)箍管在无缝钢管或焊接钢管外套上无缝钢环（钢箍）而成。特点：管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁厚度。适用：水头极高的电站。4.3 明钢管的构造、附件及铺

9、设方式4.3.1 明钢管的构造2.弯管和渐缩管（1）弯管：钢管在水平或竖直方向内改变方向时，需要装置弯管以保持水流顺畅。每一折线段两端径向线的夹角以57度为宜。夹角越小，水流条件越好。弯管的曲率半径不宜小于3倍管径。弯管首尾应为半节，使相邻管节在接缝处的相贯线形状相同。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.1 明钢管的构造2.弯管和渐缩管（2）渐缩管：不同直径钢管段连接时需设置渐缩管。渐缩管的收缩角不宜过大，宜采用：=1016渐缩管与相邻管段之间常以横向焊缝连接。当渐缩管与弯管位置相近时，宜合并成渐缩弯管。分段式钢管的弯管和渐缩管均须埋于镇墩中。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3

10、.1 明钢管的构造3.加劲环为提高抗外压稳定，或为加强钢管制作、安装时的刚度，在管外设置的环状结构。加劲环常用T形或槽形的型钢制作。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.1 明钢管的构造4.分岔管当水电站采用联合供水或分组供水时，钢管进入厂房之前必须设置分岔管。对称分岔：钢管为正向进水时多用之。非对称分岔：侧向和斜向进水时多用之。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.1 明钢管的构造5.支承环：钢管与支座之间起支承、加固作用的环状结构。作用：防止支墩直接接触管壁，加强支承处钢管的强度和刚度。支承环沿管周箍设，断面可为工字形、T形、矩形、槽形等。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4

11、.3.4 明钢管的支承结构1.镇墩及其构造承受轴向力镇墩是保持钢管段不发生位移、倾覆和扭转的支承结构物。作用：依靠自身的重量来固定钢管承受因钢管改变方向及管径变化而产生的轴向不平衡力使钢管在任何方向均不产生位移和转角4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.4 明钢管的支承结构1.镇墩及其构造镇墩为重力式结构。基础为软基时，底面宜做成水平；若为岩基，底面宜做成台阶式。布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.4 明钢管

12、的支承结构1.镇墩及其构造4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式封闭式 开敞式 4.3.4 明钢管的支承结构2.支墩（支座）及其构造支承管、水重在法向的分力功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。布置：间距L=612m，D特别大时，L取3m。L小M、Q小支墩造价高。两相邻镇墩之间，支墩宜等间距布置，设伸缩节的一跨，间距宜缩短。类型：滑动式、滚动式、摆动式。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式Next(1) 滑动支墩鞍式钢管直接支承在鞍型的混凝土支墩上，包角90135结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀适用：D1m无支承环及D2m。B

13、ack(3) 摆动支墩在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很小，适用于大直径管道。Back4.3.2 明钢管的阀门和附件1.闸门及阀门压力管道进口设快速闸门(事故门)在前池、调压室、水库等位置。对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门(事故阀)，紧急切断水流，防止机组产生飞逸。对于单元供水的电站，当水头高于120m或管道较长时，经技术经济比较，也可设置主阀。其型式有蝴蝶阀、球阀，小型水电站有时用平板阀4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.2 明钢管的阀门和附件1.闸门及阀门（1）蝴蝶阀(Butterfly Valve)4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式优点：启闭力

14、小，操作方便迅速，体积小,重量轻，造价低。缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。动水中关闭，在静水中开启蝴 蝶 阀开 关4.3.2 明钢管的阀门和附件1.闸门及阀门（2）球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。适用：高水头电站。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式世界上最大的球阀球 阀开 关4.3.2 明钢管的阀门和附件1.闸门及阀门（3）闸阀：阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。特点：安装和维修比较简单，止水严密，运行可靠；但启闭力大，动作缓慢，封水环易被磨损，也容

15、易产生空蚀现象。适用：只适用于直径较小的压力钢管。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.2 明钢管的阀门和附件2.附件（1）伸缩节功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷 位置：常在上镇墩的下游侧 两镇墩之间一般要求布置伸缩节，伸缩节间距不宜超过150m。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式伸 缩 节(a)套筒式伸缩节 (b)波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节伸缩节动画4.3.2 明钢管的阀门和附件2.附件（2）通气孔和通气阀作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气。即：放空时补气，充水时排气。位置：阀门之后当进水口较深时

16、，可采用通气阀，在正常运行时保持关闭状态，发生负压时开启，自动补气，充水时自动排气。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.2 明钢管的阀门和附件2.附件（3）进人孔和进水阀当明钢管很长时，为便于观察和检修管道内部，常在镇墩上游侧管道上设置进人孔。为便于检修钢管时将管内积水排出，通常在压力钢管的最低点设置排水阀。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.2 明钢管的阀门和附件2.附件（4）钢管的保护装置和防腐蚀措施保护装置：在钢管破裂后管内流速增大时能迅速发出信号关闭闸门，防止事故扩大。防腐蚀措施：金属热喷涂、涂料保护、电化学保护和涂料联合防腐蚀。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.

17、3.3 明钢管的敷设方式明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁。4.3.3 明钢管的敷设方式1.连续式明钢管管身在两镇墩之间是连续的，中间不设伸缩节。工程中一般较少用之。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.3.3 明钢管的敷设方式2.分段式在两镇墩之间设置伸缩节将钢管管身分段。钢管轴线弯转处设镇墩，镇墩间管段用支墩支承，两镇墩间设伸缩节。支墩起支承管身的作用。伸缩节宜设在靠近镇墩的下游侧。明钢管多用之。4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式4.

18、4 压力管道的水力计算与尺寸拟定4.4.1 压力管道的水力计算恒定流计算确定管道的水头损失(包括沿程和局部)，以供确定水轮机的工作水头、选择装机容量、计算电能和确定管径之用。非恒定流计算水锤计算(N变Q变H变) ，确定管道中各点的动水压力和变化过程，为管道的结构设计和机组运行提供依据。4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定4.4.1 压力管道的水力计算1.沿程摩阻水头损失：处于紊流，可按曼宁公式计算 式中：i单位管长的摩阻水头损失 n压力管道糙率 R压力管道的水力半径 V压力管道中水体的流速4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定4.4.1 压力管道的水力计算2.局部水头损失进口、门槽、渐变段、弯段

19、、分岔等部位，按水力学公式计算。4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定4.4.2 压力管道直径的选择D用材和造价流速水头损失和电能损失D用材和造价流速水头损失和电能损失经过技术经济比较之后才能确定管径。选择最优直径（经济流速方法）：4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定式中：Qd压力管道的设计流量m3/s Ve经济流速。明钢管和地下埋管：46m/s；钢筋混凝土管：24m/s；坝内埋管：水头在3070m时，取36m/s，水头在70100m时，取57m/s。当压力管道比较长时，水电站压力管道的直径随水头的增高而逐渐减小是经济合理的，但变径次数不宜过多，通常在镇墩处变径并设渐变段，渐变段应包括在镇墩内部

20、。4.4.3 明钢管管壁厚度的拟定4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定式中： 水的密度，1000kg/m3;H 内水压力（包括水锤压力），m。初估时水锤压力值按静水头的15%30%，高水头电站取小值，低水头电站取大值。 焊缝系数，一般为0.900.95，双面对焊取0.95，单面对焊取0.90；D0 压力钢管的内直径，m； 钢管的设计允许应力，kPa。按表4-1中数值降低15%20%4.4.3 明钢管管壁厚度的拟定考虑到钢管管壁厚度的制造误差以及钢管运行中的磨损和锈蚀，管壁厚度t应比计算厚度至少增加2mm的厚度欲量；对泥沙磨损、腐蚀较严重的钢管，还应专门论证。实际工程中，对于不同管径的管壁最小结

21、构厚度应不小于表4-2规定的最小值，且同时满足下式条件：4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定4.6 钢岔管4.6.1 钢岔管的工作特点及设计要求1.功用作用是分配水流。采用联合供水或分组供水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。2.特点水流条件较差，引起的水头损失较大；岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价较高；受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，其安全性十分重要。4.6 钢岔管4.6.1 钢岔管的工作特点及设计要求3.布置原则结构合理，安全可靠，不产生较大的应力集中和变形。为此，各管节的转角不宜过大，加强构件和管壁的刚度比不宜太

22、悬殊，加固措施应结构合理。岔管主、支管轴中心线宜布置在同一平面内。水流平顺，水头损失小，减少涡流和振动。分支管宜采用锥管过渡，分岔角宜较小，一般为3045 ；分岔后流速宜宜逐渐加快。对于重要工程的岔管宜作水力学模型试验。制作、运输、安装方便，经济合理。 4.6 钢岔管4.6.2 岔管的布置形式及构造要求 1.布置形式卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这种布置方式。对称Y形布置。三岔形布置。 4.6 钢岔管4.6.2 岔管的布置形式及构造要求 2.构造要求（1）主、支锥管（或柱管）间的连接，除贴边岔管外，应使相贯线为平面曲线。（2）主、支锥管长度及分节，在满足结构布置和水流流态要求下，宜布置紧凑。月牙肋岔管当肋宽比大于0.3时宜设置导流板。无梁岔管、球形岔管内部应设置导流板。（3）大型岔管宜按变厚设计。4.6 钢岔管4.6.3 岔管的结构型式 1.三梁岔管由相贯线上的两根腰梁和一根U梁构成三梁岔U梁承受较大的不平衡水压力，其受力非常复杂。适用：内压较高、直径不大的明管道。 4.6 钢岔管4.6.3 岔管的结构型式 2.贴边式岔管贴边式岔管是在卜形布置的主、支管相贯线两侧用补强板加固，补强板与管壁焊固形成一个整体。补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。4.6 钢岔管常用于中、低水头卜型布置的地下埋管。