第三章水电站压力管道课件

在平面上：
①管道在平面上转向坝段一侧布置(a)。厂坝之 间不设纵缝连成整体，二者横缝在一条直线上。
②管道在平面上布置在坝段中央(b)。厂坝之间 设纵缝，二者横缝相互错开。
横 缝
a
b 纵缝
2）坝内埋管的施工方法 方法一：安装一段钢管，浇筑一层混凝土。 可省去二期混凝土，但施工干扰较大。 方法二：坝体内预留钢管施工槽→钢管在槽内 一次组装→回填混凝土→ 接缝灌浆。
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。
现为向家坝， 直径14.4m。
二、压力管道的类型及适用条件
按布置方式
明管 地下埋管
砼坝身埋管
材料
钢管、钢筋砼管
不衬砌、锚喷或砼衬砌、 钢衬砼衬砌
钢筋砼结构、 钢衬钢筋砼结构
明管
地
下
埋
管
砼坝体压力管道
（一）按管壁材料分 1、钢管。广泛应用于中高水头电站。
（2）阀门类型 ① 平板阀(闸阀)：常用于直径较小的压力钢管。 ② 蝴蝶阀：适用H<200m，管径较大情况，目前 最大管径达8m。
蝴蝶阀关
蝴蝶阀开
③球阀：球形外壳+可 旋转的圆筒形阀体+附件。
适用：H>100m高水 头水电站。
目前最大球阀直径为 3.4m，最大水头达850m， 最大重量超过100t。
(3)进人孔：设置在镇墩上 游侧，水平轴线下方45°处， 为直径≮45cm圆孔或≮45cm× 50cm的椭圆孔，间距≯150m 。
(4)排水管及排水阀：设置在在压力钢管的最低点。 (5)旁通阀：进水阀前后的钢管用旁通管连通。 (6)钢管的保护装置：钢管上安装的测量压力、流 量和管壁应力等。
(7)防腐蚀措施：金属热喷涂、涂料保护、电化
学保护与涂料联合等。防腐措施应在钢管安装完 毕，焊缝探伤合格后，并除锈达到规定的清洁度 和粗糙度后进行。
另：安装完毕后钢管椭圆度不得大于5D/1000， 且≯40mm。
椭圆度：管道剖面上相互垂直的两个直径之差。 现场至少测量2组。
三、明钢管的敷设方式 1、连续式：两镇墩间管身不设伸缩节，少用。 2、分段式：两镇墩之间设置伸缩节。 3、不设镇墩：管道纵坡较缓且管道长度≯200m， 可不加镇墩，管段中部设伸缩节。
（2）联合供水：适用水头高、流量小、引水道 长的地下埋管和明管。
（3）分组供水：适用管道较长，机组台数多， 需要限制管径过大的地下埋管和明管。
2、压力管道引近厂房的方式 即讨论主管轴线与厂房纵轴线的关系。
（1）正向引近：适用于水头较低、管道较短的 水电站。
(2)侧(纵)向引近：适用于多用于高、中水头电站。
4、满足运行安全要求。
减少管道转弯次数，管顶在最低压力线下2m。 管道转弯半径≮3倍管径。 地下埋管埋深≮0.4倍水头和3倍洞径。
二、压力管道的布置方式 1、压力管道的供水方式 一般每根主管供水的机组 台数不超过4台。
（1）单元供水：适用①单机流量大、长度短的 地下埋管或明管； ②砼坝内管道和明管道。
(3)斜向引近：当地形、 地质条件、引水系统及厂 房布置要求适宜时采用这 种布置方式，多用于分组 供水和联合供水。
纵向引近 正向引近
3.3 明钢管的构造、附件及敷设方式
一、明钢管的构造 1、接缝与接头
钢管通常是在工厂用钢板制成管段，然后运
到现场安装焊接。管段长度一般为4-6m。
（1）无缝钢管：无纵缝，横缝用焊接、法兰 连接成整体，强度高，造价高。
b、有支承环鞍 形支座
钢管通过支承环 安放在鞍形支座上。
适用于管径 D<2m的钢管。
c、有支承环的 平面滑动支座
适用于管径D ＝1~3m的钢管。
②滚动式支座 钢管通过滑轮支承在支墩顶面的固定钢板上， 滑轮安装在支承环下端。固定钢板外侧设有防止横 向位移的侧挡板。
常用于管径D>2m的钢管。
③摆动式支座：在支承环与墩座之间设一摆动 短柱。短柱下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支 承环的上托板接触。
2、附件 (1)伸缩节 由钢板焊接而成。 ①功用为消除温度应力， 且适应少量的不均匀沉陷， 常位于在上镇墩的下游侧第 一节管的横向接缝处。
(a)套筒式伸缩节
②作为阀门附件，位于阀门上游侧或下游侧， 便于进水阀的安装和拆卸，也可用于补偿坝体和厂 房砼不均匀沉降或钢管的伸缩变形。
(2)通气孔和通气阀：位于 进口闸门之后的钢管顶部。
镇墩
支墩
2、支墩（支座）及其构造 (1)功用：相当于定向支座，允许水管在支墩处 沿轴向自由移动。
(2)布置：间距L取6~12m；当D特别大时，L取 3m。两镇墩间的支墩应等间距布置，设伸缩节的一 跨间距应缩短。
(3)支墩尺寸拟定 砼不低于C15。底面及埋深要求同镇墩。 支墩尺寸规划好后，也应按照《土力学》中抗 滑、抗倾覆及地基承载力公式校核。
D 7 5.2Qm3 ax Hr
随水头H增加，D可逐渐缩 小，但变径次数不宜过，通 常在镇墩处变径并设渐变段。
一、压力管道的水力计算 1、恒定流计算：确定管道的直径和水头损失。 2、非恒定流计算 确定压力管道荷载和管线(最高压力线和最低 压力线) ，即水锤计算，在本书第四章详细叙述。
二、压力管道直径D选择 前提：确定供水方式→确定每条管道的Q →选 择D 。
▓计算方法：我国目前尚无统一规定。
1、经验直径法 我国较多的采用彭德舒公式。
国内：D≤60cm；国外：D≤120cm。 适用：高水头小流量电站，应用不多。
（2）焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊
接成管段。适用于各种直径、水头，造价低。
纵缝：焊缝交错排列 (工厂焊)，避开横断面垂
直轴线和水平轴线，并与其夹角>15°，采用对接焊，
焊缝由超声波法或射线法进行探伤。
横缝(环缝)：现场完成。环向焊缝间距
先后 浇浇 块块
4）坝内埋管的埋设方式 ①用弹性软垫层将管道与坝体分开－－钢管承 受绝大部分内水压力，受力明确。
软垫层：材料为 沥青、泡沫等。
②管道与坝体结合为整体－－砼承受绝大部分 内水压力。
5）坝内埋管失稳过程 坝体砼首先开裂→钢衬的应力达到其屈服强度 破坏。 砼开裂过程：管顶处砼厚度小常先开裂→应力 重新分布，导致管底砼开裂→其它断面砼相继开裂。
地震区应加大 埋深，并适当加大 基础面，同时减小 镇墩间距。
镇墩尺寸规划好后，应按照《土力学》中抗滑、 抗倾覆及地基承载力公式校核。
抗滑稳定验算公式
Kc
f
Y G X
Kc
地基承载力验算公式
Y G
B.L
1
6e B
R
(5)镇墩施工 分两期施工。砼不低于C15。
先浇筑镇墩的一期砼基座(地面以下部分)； 安装镇墩处的弯管段，就位后予以固定。向上 凸的弯管应配置锚固件。布置镇墩表面温度筋及钢 管外环向钢筋。 浇筑镇墩二期砼(地面以上部分)。 后在砼表面涂敷密闭材料。
常用于管径D>2m的钢管。
(5) 支墩施工 应注意在浇筑时预 留支墩环底座的地脚螺 栓孔。
当支墩体积较小时， 可事先预制，然后进行 埋设。
五、管道高程 1、上限：保证管内在运行情况下不出现负压， 钢管顶部至少在最低压力线以下2m。 2、下限：钢管底与地面净距不得小于0.6m。
距地面≮60cm
3.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定
3、加劲环（刚性环） 用来提高管壁抗外压稳定，在管外侧焊接的环 状结构。
4、分岔管 对称分岔、非对称分岔。
5、支承环 钢管与支墩之间起支承、加固作用的环向结构。 断面可为工字钢、T形、矩形、槽型等。
工
工
二、明钢管的阀门和附件
1、闸门：压力管道进口设快速闸门(在前池、 调压室、水库等位置)。
2、阀门 (1)设置情况 联合供水或分组供水：在水轮机进口前应设快 速阀门，通常称为主阀。 单元供水：当H高于120m，Q较大，管路较长 也须在水轮机进口前设置。
（二）按管道布置方式分类
1、地面压力管道（明钢管）。广泛应用于中 小型引水式地面厂房。
2、地下压力管道。适用于地下厂房及地形地 质条件不宜布置明管时。
地下埋管：压力管道埋于岩体中。管道承受部 分内水压。
回填管：压力管道敷设在地面开挖的沟槽内后， 再以土石回填。管道承受全部内水压。
3、坝体压力管道
钢筋砼管的支承：通常敷设在由砌石或砼制 成的连续管床上。
考虑防冻，可在管道顶面以上填土，填土厚 度不小于当地冻土层厚度。
3、钢衬钢筋砼管。适用于HD值较高情况，利 用钢筋强度减小钢管壁厚。
4、玻璃钢管。由玻璃纤维及合成树脂缠绕而 成。目前尚无统一设计规范，仅在水头不高且流量 较小的中小型水电站中应用。
2、钢筋砼管。抗拉强度低，一般适用于水头 较低的中小型水电站。
分为普通钢筋砼管、预应力和自应力钢筋砼管、 钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。
普通钢筋砼管：适应于HD＜60m2，且H<50m。 预应力和自应力钢筋砼管：适应于HD＜ 300m2，H≤150m。
预制管管段长一般3-5m， 连接方式多为承插式接头。
≮500mm。
钢管横向连接也可由法兰完成。 相邻管壁厚 度差≯2mm(以 利焊接)，内部 光滑，外部成 台阶状。P89
2、弯管和渐缩段
（1）弯管。空间上转弯的管段由钢板焊接而 成。弯管曲率半径≮3倍管径。
每一折线段两端径向线夹角≯10°，以5-7 ° 为宜。
（2）渐变管。用于不同直径钢管连接处。 收缩角通常采 用10 ° -16 °。管 段之间以横缝连接。 渐变管与弯管位置相近时，合成渐缩弯管。 渐变管与弯管均需埋于镇墩中。
管顶
（2）坝下游面管道(坝后背管)：除进水口后一 小段管道穿过坝体外，主要部分沿坝下游面铺设。
对坝体削弱少、管道施工与坝体干扰小，但使 厂房向下游移动而增加工程量。
①坝下游面明钢管
钢管穿出坝体 →接上弯 管(锚固在坝体上)→经伸缩节 接明钢管→下弯管(锚固在坝体 上)→进入厂房与蜗壳连接。
②坝下游面钢衬钢筋砼管
压力管道穿过坝体。适用于砼坝坝式水电站。
坝 内 埋 管
坝上 游面 管道
坝下 游面 管道
（1）坝内埋管：管道 全部埋藏于坝体内。
1）坝内埋管的布置
在立面上： ① 倾斜式布置：应用最普遍。 ② 平式和平斜式布置：坝体厚度不大而管径较 大的拱坝采用。 ③ 竖直式布置：坝内厂房；或为避免对坝体施 工干扰，在坝体内预留竖井，后期安装钢管。
(4)支墩支承结构类型：滑动式、滚动式、摆动式。
无支承环鞍形支座
有支承环鞍形支座
有支承环的平面滑动支座
滚动式支座
摆动式支座
①滑动式支墩
a.无支承环鞍形支墩：将钢管直接支承在一个 鞍形的砼支座上，包角在90～135°之间。
适用于管径D<1m的钢管。
为减少f，管径小 的可在支墩砼顶面铺 设石墨、石棉或油毡 等材料；管径大的可 在支墩砼顶面装设用 锚筋与支墩相固定钢 板，并涂润滑剂。
第3章 水电站压力管道
功用：从水库或水电站平水建筑 物向水轮机输送水量并承受水压力的 输水建筑物。
3.1 压力管道的类型
一、压力管道的特点 (1) 坡度陡。明管最大坡 比可达1：1。 (2) 承受电站的最大水头， 承受水锤压力。 (3) 靠近厂房。
压力管道规模及技术难度指标：管道内径
D（m）和水压H（m）及其乘积HD值。 目前HD最大达5000m2。 以前水电站压力管道直径最大的是巴基斯坦的
四、明钢管的支承结构 1、镇墩及其构造 (1)功用：相当于固定端， 水管在此处不产生任何位移。 (2)布置：管道空间转弯处、 支墩 渐变处或管道直线段距离超过 150m。
(3)类型：封 闭式、开敞式。
镇墩
(4)尺寸拟定 镇墩为重力式结构。 镇墩底面：软基上水平，岩基上呈台阶状。 镇墩尺寸：将钢管的转弯段完全包住。镇墩上 游面垂直管轴，管道外包砼厚度≮管径的0.8~1.0倍。 管道底距地面≮0.6m。 镇墩埋深：软基上应埋入冰冻线以下1m，对岩 基埋入地基≮0.5m。
现场浇制式(适用H<50m) 在分段处用套管接头。
自应力水泥：膨胀值较大的膨胀水泥。 自应力水泥的特性：依靠自身体积膨胀产生的能 来张拉任何方向的钢筋，同时砼受到相应的压应力。 混凝土中所产生压应力的数值称为自应力值。当 自应力钢筋砼管在外力作用下产生较大的拉应力时， 就可被水泥的自应力抵消或降低。
管道内衬钢板外包钢筋砼， 用坝下游面的键槽及锚筋与坝 体固定。钢衬与外包砼之间不 设垫层，紧密结合。
3.2 压力管道的线路选择和布置方式
一、压力管道的线路选择
1、路线尽可能短直。明管一般布置在陡峻的 山脊上。
2、地质条件好。 3、满足施工要求。 明管倾角不宜超过40°。地下埋管考虑施工支 洞方便。