大工14秋《水电站建筑物》辅导资料9(共20页)

1、大连理工大学网络教育学院第 PAGE 13页 共 NUMPAGES 13页水电站建筑物辅导资料九主 题：第四章 水电站压力(yl)管道1-3节学习(xux)时间：2014年11月24日11月30日内 容：我们这周主要(zhyo)学习第二部分水电站建筑物第四章1-3节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对压力管道功用、类型、线路选择、布置方式和地面压力管道相关知识的理解。一、学习要求1. 掌握压力管道的功用和特点，掌握水电站压力管道的类型和适用条件；2. 掌握压力管道的线路选择和布置方式；3. 掌握压力管道的组成和各组成的作用，了解压力管道具体构造，掌握明钢管的敷设方式，掌握压力管道经济

2、直径的选择，掌握地面压力钢管的结构计算，重点掌握光滑管管壁的应力计算。二、主要内容重要知识点：压力管道的功用特点、类型和适用条件；压力管道的线路选择和布置方式；压力管道的组成，明钢管的敷设方式，压力管道经济直径的选择，地面压力钢管结构计算。第四章 水电站压力管道第一节 压力(yl)管道的功用和类型定义(dngy)：从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水流的管道。（重要(zhngyo)名词）（一）功用与特点1. 作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。2. 特点（重要知识点，常见选择题）承受水电站大部分或全部水头，内水压力大，管道直径D和水头H的乘积HD值，是标志管道规模和技术难度的特征值。

3、坡度陡；靠近厂房，发生事故，会威胁厂房安全；承受动水压力。（二）压力管道的类型及适用条件I. 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。 3. 钢衬钢筋混凝土管：应用于水头较高的情况。II. 按管道布置方式分类（掌握各类型管道定义和适用情况）1. 地面压力管道（明管、露天式压力管道）：露天铺设。应用于引水式地面厂房。2. 地下压力管道：布置在地面以下称为地下管道。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。 根据埋设方式可分为：地下埋管和

4、回填管。（1）地下(dxi)埋管：压力管道埋入岩体中，内水压力由管壁和周围岩体分担。 （2）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(qunb)由管壁承担。3. 坝体压力(yl)管道：坝式水电站厂房紧靠坝体布置，压力管道穿过坝身称为坝体压力管道。适用于：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：重力坝、支墩坝及薄拱坝的坝后式厂房。（1）坝内

5、埋管的通常有三种布置方式：倾斜式布置、平式或平斜式布置、竖直式布置。（掌握各方式特点） 倾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。 平式或平斜式布置当坝不高且进口高程布置(bzh)较低时，钢管可以水平或接近水平布置，穿过坝体。 竖直(sh zh)式布置多用于坝内式厂房(chngfng)。对于一些比较薄的拱坝，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。（2）坝后背管优点：

6、只有进口后一小段管道穿过坝体，不削弱坝体；对大坝施工无干扰；能充分发挥钢材的强度。缺点：管道长度较大，水头损失和水击压力较大；管道正常运行时受大气温度的影响较大。坝后背管根据管道材料的不同分为：坝下游面明钢管，坝下游面钢衬钢筋混凝土管。第二节 压力管道的线路选择和布置方式（一）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。主要原则如下：（重要知识点，常见简答题）1. 尽可能短而直，降低造价，降低水击压力。2. 选择良好的地形、地质条件。 3. 应满足运行安全要求，明管布置山脊上，防止滑坡或坠石造成破坏。 4.

7、 应满足施工要求。（二）压力管道(gundo)的布置型式（掌握(zhngw)各型式及特点和适用情况）压力管道布置方式可根据(gnj)供水方式和引进方式来区分。1. 供水方式（1）单元供水（单管单机供水）优点：结构简单，运行方便可靠，一根故障或检修不影响其他。水头损失小；事故损失小。 缺点：钢材用量大，造价贵，且占地面积大。 适用：管线较短（造价增加不大），引用流量大的坝式电站。（2）联合供水（单管多机供水）优点：省钢材，造价低。机组多时水管数量少，管理方便； 缺点：水头损失大（有分叉管）；事故影响面大（总管损坏都停机）；阀门多，且易漏水。 适用：高水头，小流量且线路较长的电站和地下厂房。（3）

8、分组供水（多管多机供水）优缺点和适用范围介于上述两者之间。适用：管道较长，机组台数较多，需限制管径过大的水电站。 2. 引进方式 （1）正向引进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：中、低水头电站。（2）侧向(c xin)引进管道的轴线与厂房(chngfng)的纵轴线平行。特点(tdin)：避免水流直冲厂房。管材用量增加，开挖工程量较大。水管进入厂房前要转90，水头损失大。适用：高、中水头电站。（3）斜向引进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第三节 地面压力管道（一）地

9、面压力钢管的组成和构造组成：钢管、加劲环、支承环、镇墩、支墩、伸缩节、阀门等。（常见填空）I. 支墩和镇墩（重点掌握支墩和镇墩的作用及布置）1. 支墩 （1）作用：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）。（2）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。便于钢管维修（使钢管与地面保持至少0.6m距离）。（3）类型：鞍式支墩、支撑环式支墩。（重点掌握各类型特点和适用情况） 鞍式支墩 钢管直接(zhji)支承在鞍型的混凝土支墩上，包角90135，结构简单(jind

10、n)，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀。 适用：适用于直径(zhjng)较小的钢管（D2m的钢管，间距取1018m。摇摆式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱，短柱下端与支墩铰接。短柱以铰为中心前后摇摆适应管的伸缩。摩擦力很小。 适用于直径较大钢管，间距取1018m。2. 镇墩 镇墩是保持钢管段不发生位移、倾覆和扭转的支承结构物。 （1）作用：以自重固定钢管，承受因钢管改变方向及管径变化而产生的轴向不平衡力。 （2）布置：转弯处，对于直管线隔一定距离设一个。（3）型式：按固定钢管的方式可分为：封闭式和开敞式 封闭式：结构简单，固定效果好；开敞式：易于检修，但受力不均匀。II. 加劲(ji jn

11、)环和支承环1. 加劲(ji jn)环 按一定间距用较厚的钢板或工字钢包焊在钢管(gnggun)周围，增加钢管的刚度，提高其抗外压失稳能力和防止安装吊装是变形。2. 支承环 除支撑在鞍形支墩上的光滑管外，其他钢管在支墩上都要箍设支承环，避免钢管与支墩直接接触，提高钢管的强度和刚度。 III. 伸缩节、阀门和附件 1. 伸缩节 （1）作用 消除大部分温度应力；适应少量不均匀沉陷。 （2）布置一般布置在镇墩的下游侧以及阀门前。 （3）型式：单套筒式和双套筒式。2. 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，在压力管道末端应设快速阀门(事故阀)，

12、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。 蝴蝶阀（蝶阀）优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小,重量轻，造价低。缺点：开启(kiq)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(gunb)，在静水中开启。适用(shyng)：大直径，低水头（H200m）的情况。 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。 平板阀 阀体在门槽中的滑动方式与一般

13、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，也容易产生空蚀现象。 适用：只适用于直径较小的压力钢管。3. 进人孔和排水阀 进人孔：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。 排水阀：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. 通气孔和通气阀 通气孔：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。通气阀：当进水口较深时，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(kiq)，自动补气，充水时自动排

14、气。（二）明钢管(gnggun)的敷设方式明钢管(gnggun)一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm。（重要知识点）转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。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。根据有无伸缩节可分为分段式和连续式。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。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。（三）压力管道经济直径的选择 压力管道直径的选择是一个动能经济比较问题，目前

15、还没有通用的公式，下面介绍几个经验公式。（应掌握三个经验公式的判断参数）1. 经验公式（彭德舒公式） 式中：Qmax为通过钢管的最大流量。k我国一般取5.2。2. 统计公式式中：N为水轮机额定( dng)出力（kW）。3. 经济流速(li s)法（用于初步设计或不太重要工程）式中：。（四）地面压力(yl)钢管的结构计算镇墩镇墩伸缩节支墩钢管阀门轴向法向径向I. 作用在钢管及墩座上的力（要求能判断各方向有何受力）径向力：沿管径方向的作用力（如内水压力）；法向力：垂直于管道纵轴方向的作用力；轴向力：沿管道纵轴方向的作用力。1. 径向力 内水压力属于径向力，是地面式压力钢管所承受的最主要的外荷载。（

16、1）当管径D较小，水头H较高时内水压强为：，式中：为静水头。若考虑水击压力，则可得设计钢管的总内水压强（2）当管径D较大(jio d)，水头H较低时应考虑不均匀(jnyn)水压力，设钢管纵轴线与水平地面(dmin)的夹角为，则C点的内水压强为：A点和B点的内水压强为： 是否考虑不均匀水压力的标准：时，考虑不均匀水压力。2. 法向力 主要为钢管自重与水重在垂直于管轴方向上的分力。3. 轴向力主要包括钢管自重的轴向分力、作用在阀门上的轴向力、作用在弯管段的轴向力、水流在转弯处离心力的轴向分力、管径变化处的内水压力、伸缩节处钢管端面的内水压力、温度变化时，伸缩节止水填料与管壁产生的摩擦力、温度变化时

17、，支墩与钢管的摩擦力、水流对管壁产生的摩擦力 、由于钢管径向受力变形所引起的轴向力、由于温度变化所引起的轴向力的计算。II. 光滑管管壁的应力计算（重要计算题知识点，各公式应熟记）光滑管是指作用在鞍式支墩上的管，对于有支承环的管，支承环中间部分管段也可称为光滑管，即支承环影响范围之外部分的钢管。 1. 应力计算方法求钢管管壁应力的步骤如下：初估管壁厚度(hud) 求荷载 求管壁(un b)应力 强度(qingd)校核，即验算应力是否满足允许应力。2. 初估管壁厚度 D由于地面式压力钢管的主要荷载为内水压力，所以根据内水压力来初估管壁厚度。取单位管长，沿任一管径切取计算断面，内水压力产生的环向拉

18、应力为，根据平衡条件得： ，可用代替。由于此式未考虑其它荷载，所以单用代替是不合理的，一般用乘以一个折减系数0.75代替。所以，初估时，（熟记）此式算出的为计算厚度，实际选用钢管时还要考虑2mm的防锈层，即结构厚度为计算厚度加上2mm。注意：计算应力时用计算厚度，计算荷载时用结构厚度。3. 管壁应力的计算 （1）径向力产生的应力 环向拉应力为（锅炉公式），沿厚度方向均匀。 内壁径向压应力为，渐变到管外壁为0。说明：计算中拉应力为正，压应力为负；由于比小得多，一般可忽略。（2）轴向力产生的应力由材料力学知识得，轴向应力为 式中：F为管壁(un b)断面积；为轴向力荷载(hzi)之和。 注意(zh

19、 y)：计算时，若A 为压力，则 A 前加负号。（3）法向力产生的应力法向力可看作为作用在一多跨连续梁上的均布荷载。由材料力学可画出弯矩图和剪力图。最大弯矩为（支座处为负，跨中为正）。最大剪力在支座处为，跨中为0。由弯矩 M 可得钢管横断面管壁沿方向各点的轴向应力式中：W为抗弯模量。由剪力Q可得沿角变化的环向剪应力式中：为钢管断面惯性矩，；为受剪断面净宽度，；为钢管断面计算点以外面积对中心轴的面积矩，说明(shumng)：非跨中断面，剪应力在横截面上分布(fnb)不均匀，在顶点(dngdin)和底点为零；在跨中断面，（整个横截面上）。4. 管壁的强度校核 由于管壁承受着复杂的应力状态，所以进行

20、强度校核时，应校核每点的合成应力。目前世界上绝大多数国家的钢管设计规范都采用第四强度理论进行强度校核，我国也采用，合成应力公式为：式中：为焊缝系数，取0.90.95，由焊接质量和检验质量决定，质量越高，系数越大；为允许应力，基本荷载组合时取（钢材屈服强度）。 说明：校核时，一般求出，处管壁内缘和外缘六个点的，控制点一般是，处管壁内缘。III. 带有刚性环及支承环的管壁应力计算 在光滑管的计算中，若初估的管壁厚度不能满足强度和稳定要求，可采用两种方法：（掌握两种方法，常见选择题和填空题）（1）增加管壁厚度； （2）加刚性环和支承环。 方法（2）比方法（1）经济、常用。刚性环是包在钢管外周的圆环。

21、在均匀内水压力作用下，管壁将沿径向外移，刚性环将对其附近管壁变形起约束作用，从而产生较复杂的附加局部应力，其对每侧管段的影响长度设为t 。对于带有刚性环及支承环的钢管在计算应力时，一般选四个控制断面。1-1断面(dun min)：相当于光滑管跨中断面；2-2断面：刚性(n xn)环影响范围边界处，相当于光滑管支座断面；3-3断面(dun min)：刚性环断面；4-4断面：支承环断面。计算思想就是将环旁管壁的局部应力按相同方向分别与前述光滑管计算的应力叠加，然后按合成应力进行强度校核。（四个断面应重点掌握）IV. 地面压力钢管的稳定计算明钢管外压失稳的原因及失稳现象：机组运行过程中由于负荷变化产

22、生负水击，而使管道内产生负压；管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。稳定计算的目的主要就是求临界荷载。（熟记）1. 光滑管段的稳定性 光滑钢管的抗外压稳定临界压力为：长圆钢管属于平面应变问题，E应以代替，当外压力(yl)P增加(zngji)到临界压力时，钢管管壁就丧失(sngsh)稳定。地面钢管外压设计荷载最大值为一个大气压，为了安全起见，引入安全系数K，要求：。取K=2.0，Pa=0.1MPa，钢材的弹性模量E=2105 MPa, 取=0.3，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：2. 带有刚性环的管壁的稳定计算（重要计

23、算知识点）如按上述计算，不能满足要求，可采用在管壁上增加刚性环以提高管壁刚度的措施。若刚性环间距较大，则中间管段仍为光滑管，因此应分别进行刚性环段和中间管段的稳定计算。（1）刚性环段1）同光滑管的理论（曲梁）相同，不同的是取刚性环有效断面范围内圆管。式中：为刚性环有效断面惯性矩；l为刚性环环间距。2）用短柱强度计算公式（规范建议）注：设计时，用以上两式分别计算，取最小值。（2）中间管段中间管段虽仍属光滑管，但由于受刚性环的限制，其失稳形式不是钢管全长被压扁，而是刚性环间的管壁发生屈曲。因此，临界荷载与光滑管计算方法不同。规范推荐采用米赛斯公式进行计算，即：式中：n为屈曲(q q)波数（应为整数

24、）。计算方法：1）据公式求出n 值，取整；2）分别(fnbi)把 n-1、n、n+1代入米赛斯公式(gngsh)中求，取的最小值即为所求的临界荷载。带刚性环的地面式压力钢管稳定计算的步骤：1）按米赛斯公式或查图表求出中间管段管壁的；2）判断所求是否大于钢管所受最大外压，若不满足，再加刚性环改变，直至满足为止。3）求刚性环段的，看是否满足上述要求，不满足，再加刚性环或加大刚性环断面尺寸。V. 地面式压力钢管的最小管壁厚度 实际中，按正常内水压力算出的钢管管壁厚度与管径相比会很小，为此，要考虑制造、运输和安装等条件，必须保持一定的刚度，因此需限制一个最小厚度，规范中规定了不同直径下管壁的最小厚度（

25、结构厚度）。管径D（m）11.133.155.177.199.11111.113（mm）681012141618地面式压力钢管结构计算的步骤：（常见简答题）初估管壁厚度，再+2mm得结构厚度；将所求结构厚度和规范规定最小厚度比较，取大值作为最终的结构厚度；进行强度计算，看是否满足，不满足加刚性环，重新计算；进行(jnxng)稳定计算，判断所求是否(sh fu)大于钢管所受最大外压0.2MPa，若不满足，再加刚性(n xn)环或加大刚性环断面尺寸。三、本周课程内容典型例题（一）选择题1、地面压力管道镇墩的型式中，封闭式镇墩一般（ ）。A结构复杂，固定效果好B结构复杂，固定效果差C结构简单，固定效果好D结构简单，固定效果差答案：C2、压力管道向机组的供水方式中，（ ）水头损失较小，钢材用量较大。A串联供水 B单元