水电站压力管道设计

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4.1 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❑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。

(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。

1.按管壁材料分类钢管管节钢筋混凝土管❑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。

❑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。

2.按管道布置方式分类地下埋管施工中❑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。

❑2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道斜式布置平式布置竖直式布置❑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 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4.2.2 压力管道的布置型式1.压力管道的供水方式单元供水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❑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。

❑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。

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2.压力管道的引近方式Array(a)、(b) 正向引进(c)、(d) 侧向引进(e) 斜向引进❑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：低水头电站。

❑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。

❑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。

4.3 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应用广泛。

❑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。

❑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15°❑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。

❑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5~7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。

❑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：θ=10°~16°●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。

❑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.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。

❑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。

❑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❑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。

1.镇墩及其构造封闭式开敞式❑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=6~12m，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。

鞍式●钢管直接支承在鞍型的混凝土支墩上，包角90~135°●结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀●适用：D<1m无支承环及D<2m有支承环的钢管。

平面滑动式●在支墩处管身四周加刚性支承环。

摩擦力小，支承部位受力较均匀●适用：D=1~3m有支承环的钢管。

在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f 小，适用于D>2m。

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。

❑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❑1.闸门及阀门（1）蝴蝶阀(Butterfly Valve)●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❑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，也容易产生空蚀现象。

●适用：只适用于直径较小的压力钢管。

❑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。

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 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（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，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。