水电站压力管道

第八章水电站压力管道要求：掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。

第一节压力管道的功用和类型一、功用及特点(一) 功用压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管。

(二)特点(1) 坡度陡(2) 内水压力大，且承受动水压力的冲击(水击压力)(3) 靠近厂房。

严重威胁厂房的安全。

压力管道的主要荷载为内水压力，HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。

当V=5~7m/s时，HD≈(0.15～0.18) N g H当N g相同时，H愈大，HD愈大。

目前最大达5000m2。

目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。

二、分类第二节压力管道的线路选择及尺寸拟定一、供水方式1．单元供水：一管一机。

不设下阀门。

优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管缺点：造价高适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2) 混凝土坝内管道和明管道2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。

设下阀门。

优点：造价低缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差适用：、(1) 机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3．分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。

设下阀门。

适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。

地下埋管和明管单元供水联合供水分组供水二、明管布置管道与主厂房的关系：1．正向引近：低水头电站。

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。

2．纵向引近：高、中水头电站。

避免水流直冲厂房。

3．斜向引近：分组供水和联合供水。

(a)、(b) 正向引进(c)、(d) 纵向引进(e) 斜向引进压力水管引进厂房的方式三、线路选择压力管道的线路选择应结合引水系统中的其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。

1．路线尽可能短、直。

（经济、水头损失小、水击压力小）一般设在陡峻的山脊上。

2．地质条件好。

山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。

3．尽量减小上下起伏，避免出现负压；转弯半径R ≯3D 。

四、压力管道直径的选择压力管道经济直径确定是压力管道的主要设计内容之一。

1．动能经济比较法：基本原理与渠道相同（压力管道要考虑流速、水击压力的影响），拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。

2．经验公式法：简化条件推导公式。

精度较低，初步设计时采用Q max ——压力管道设计流量，H —设计水头3．经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s ，最大不超过7m/s ，D e = Q max /V e 注：确定压力钢管直径的公式有很多。

经验公式法或经济流速方法的设计结果可作为参考。

第三节 明钢管的敷设方式及附件一、明钢管的敷设方式和支承方式明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm （便于维护和检修）。

水管受力明确，在自重和水重作用下，水管在支墩上相当于一个多跨连续梁；每隔120~150m 或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。

明钢管的敷设连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。

温度应力大，一般较少采用。

分段式：两镇墩间设伸缩节（上镇墩的下游侧）。

温度应力小。

H Q D 3max2.5(一) 镇墩1．功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。

水管在此处不产生任何方向的位移。

2．布置：水管转弯处，直线段不超过150m。

3．类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。

(1) 封闭式：应用广泛。

结构简单，节约钢村，固定效果好。

(2) 开敞式：采用较少。

易于检修，但受力不均匀。

封闭式镇墩开敞式镇墩（二) 支墩1．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）。

2．布置：间距6~12m，D特别大时，L取3m。

支墩间距小→M、Q(弯矩和剪力)小→支墩造价高。

3．类型：(1) 滑动式：支承环式、鞍式鞍式：包角：90～120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，D<1m。

支承环式：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，D<2m(2) 滚动式：在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，f小，D>2m。

(3) 摆动式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。

f很小，D>2m滑动支墩滚动支墩摆动支墩二、阀门及附件(一) 闸门及阀门1．快速平板闸门（事故门）——压力管道进口（前池、调压室、水库)。

作用：在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。

2．快速阀门（事故阀或下阀门）——水轮机进口前(联合供水或分组供水)，作用：为避免一台机组检修影响其他机组的正常运行，或在调速器、导水叶发生故障时，为紧急切断水流，防止机组产生飞逸。

类型：平板阀、蝴蝶阀、球阀(1) 平板阀：框架+板面构成。

阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。

平板阀一般用电动或液压操作。

这种阀门止水严密，运行可靠，但需要很大的启闭力，动作缓慢，易产生汽蚀，常用于直径较小的水管。

(2) 蝶阀：由阀壳+阀体组成。

阀壳为一短圆筒，阀体形似圆盘，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。

阀门关闭时，阀体平面与水流方向垂直；开启时，阀体平面与水流方向一致。

蝶阀关蝶阀开优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；缺点：在开启状态时由于阀门板对水流的扰动，造成附加水头损失和阀门内汽蚀现象；在关闭状态时，止水不严密，不能部分开启。

适用：大直径、水头不很高的情况。

目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。

蝴蝶阀要求在动水中关闭，静水中开启。

(3) 球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。

阀体圆筒的轴线与水管轴线一致时，阀门处于开启状态，若将阀体旋转90o，使圆筒一侧的球面封板挡住水流通路，则阀门处于关闭状态。

优点：在开启状态时实际上没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压；缺点：是尺寸和重量大，造价高。

适用：高水头电站的水轮机前阀门。

球阀是在动水中关闭，在静水中开启。

球阀关球阀开(二) 附件(1) 伸缩节作用：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(2) 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，排出管中空气位置：阀门之后(3) 进人孔作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右。

(4) 旁通阀及排水设备旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。

排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。

第四节 作用在明钢管上的力一、力和荷载种类(一) 力1．内水压力：(1) 正常蓄水位的静水压力；(2) 正常工作情况最高压力(正常蓄水位,丢弃全负荷)；(3) 特殊工作情况最高压力(最高发电水位,丢弃全负荷)；(4) 水压试验内水压力；2．钢管结构自重；3．钢管内的满水重；4．钢管充水，放水过程中，管内部分水重；5．由温度变化引起的力，对分段敷设的明钢管，即伸缩节和支墩的摩擦力；6．管道直径变化处，转弯处及作用在闷头，闸阀，伸缩节上的水压力；7．镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力；8．风荷载；9．雪荷载；10．施工荷载；11．地震荷载；12．管道放空时通气设备造成的气压差；要注意荷载的作用方向及作用的时间，在某些情况下有的荷载不可能出现。

(二) 荷载种类按力的作用方向可以将上述作用力归纳为轴向力、径向力和法向力。

1．轴向力：水重+管重的轴向分力，摩擦力，管径变化处、转弯处、闷头、阀门、伸缩节上的水压力。

2．径向力：内水压力3．法向力：水重+管重的法向分力第五节 明钢管的结构分析一、钢管管壁厚度估算在进行钢管应力分析时，需要先设定管壁厚度。

由于内水压力在管壁上产生的环向应力是其主要应力。

因此用锅炉公式来初拟管壁厚度，以钢材的允许应力[σ]代替σ θ，[][]σφγσφδ22HDPD ==根据规范要求，焊缝系数φ一般取为0.9~0.95，允许应力取钢管材料允许应力的75% ~85%。

考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，δ实际=δ+2mm （锈蚀厚度）；在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度δmin 。

δmin 一般取为D /800+4(mm)，且不宜小于6 mm二、管身的应力分析钢管支承在一系列支墩的直线管段在法向力的作用下，相当于一根连续梁。

支墩处设有支承环，由于抗外压需要，支承环之间有时还加有刚性环(加劲环)。

一般情况下，最后一跨的应力最大。

根据受力特点常选四个断面进行应力分析。

(1) 跨中断面1－1:只有弯距作用，且弯距最大,无局部应力——受力最简单；(2) 支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2－2：弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力——受力比较简单；(3) 加劲环及其旁管壁，断面3－3：由于加劲环的约束，存在局部应力；(4) 支承环及其旁管壁，断面4－4：应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，有局部应力．分析方法：结构力学法。

坐标：轴向x 、径向r 、环向θ(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁应力跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。

1．径向应力管壁内表面: ， “-”表示压应力。

管壁外表面：由于径向应力的数值比较小，所以应力计算中可以忽略。

2．切向(环向)应力设压力水管中心处的水头为H ，而水管轴线与水平面的夹角为α，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为θ)的水头为。

推导出管壁中的切向拉力T 和切向应力为：[]σr σH r γσ-=0=r σ1θσθαcos cos r H -1θσ)cos cos (θαγr H r T -=()θαδγδσθcos cos 11r H rT -=⨯=)cos cos 1(θαδH rr P-=管壁上内水压力的分布 管壁微圆弧的受力平衡式中 P —— 内水压强；δ —— 管壁计算厚度；H —— 计算水头；α —— 管轴线倾角；θ —— 管壁中任意一点半径与管顶半径的夹角；r —— 水管半径。

3．轴向应力轴向应力=法向力引起的轴向弯曲应力+轴向作用力引起的轴向应力(1) 法向力作用引起的管壁轴向应力将水重和管重的法向分力视为均布荷载，则钢管的受力与多跨连续梁类似，其变形以弯曲为主，并在管壁上产生弯曲正应力与剪应力。

在相邻两镇墩之间的压力钢管放置于支墩之上，支墩相当于连续梁的中间辊轴支座，最下端的镇墩相当于固定端，上端伸缩节处可近似认为是自由端。

x σx σ1x σ2x σ1xσ法向力引起的弯矩和剪力在均布荷载作用下，连续梁的弯矩和剪力如图所示，二者的正负最大值近似认为相等，其值已在图中标示出来。