水電站壓力管道設計

1、第四章 水電站壓力管道4.1 壓力管道的功用和類型4.2 壓力管道的線路選擇和布置方式4.3 明鋼管的構造、附件及敷設方式4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定4.6 鋼岔管14.1 壓力管道的功用和類型4.1.1 壓力管道的功用與特點作用：從水庫、前池或調壓室向水輪機輸送水量。特點：承受水電站大部分或全部水頭內水壓力大坡度陡靠近廠房承受動水壓力4.1 壓力管道的功用和類型4.1.2 壓力管道的類型及適用條件1.按管壁材料分類(1)鋼管：強度高，抗?jié)B性能好。應用：中/高水頭水電站(2)鋼筋混凝土管：造價低，剛度較大、經(jīng)久耐用，能承受較大外壓，管壁承受拉應力能力較差。應用：水頭較低的中小型水電站。

2、(3)鋼襯鋼筋混凝土管：應用：水頭較高的情況(4)玻璃鋼管：水流摩阻系數(shù)小，重量輕。應用：水頭不高、流量較小的中小型水電站。4.1 壓力管道的功用和類型4.1.2 壓力管道的類型及適用條件1.按管壁材料分類鋼管管節(jié) 鋼筋混凝土管4.1 壓力管道的功用和類型4.1.2 壓力管道的類型及適用條件2.按管道布置方式分類（1）地面壓力管道（明管、露天式壓力管道）：露天鋪設。應用：引水式地面廠房。4.1 壓力管道的功用和類型4.1.2 壓力管道的類型及適用條件2.按管道布置方式分類（2）地下壓力管道：布置在地面以下成為地下管道。應用：電站廠房布置在地下或地形地質條件不宜布置成明管時采用。地下埋管：壓力管

3、道埋入巖體中，內水壓力由管壁和周圍巖體分擔?；靥罟埽旱孛骈_挖溝槽，壓力管道鋪設在溝槽內后，再以土石回填，內水壓力全部由管壁承擔。4.1 壓力管道的功用和類型4.1.2 壓力管道的類型及適用條件2.按管道布置方式分類4.1 壓力管道的功用和類型地下埋管施工中4.1.2 壓力管道的類型及適用條件2.按管道布置方式分類（3）壩體壓力管道：壩式水電站廠房緊靠壩體布置，壓力管道穿過壩身成為壩體壓力管道。應用：壩后式、壩內式、地下式廠房。壩內埋管：埋設于混凝土壩體內的壓力管道，常采用鋼管。壩內埋管的安裝與大壩施工干擾較大，且影響壩體強度。壩后背管：將壓力鋼管穿過上部混凝土壩體后布置在下游壩坡上。布置較壩內

4、式的稍長，且管壁要承受全部內水壓力，管壁厚度較大，用鋼量多。應用：寬縫重力壩、支墩壩及薄拱壩的壩后式廠房。4.1 壓力管道的功用和類型4.1.2 壓力管道的類型及適用條件2.按管道布置方式分類（3）壩體壓力管道4.1 壓力管道的功用和類型斜式布置 平式布置 豎直式布置壩內埋管斜式布置這種布置多用于混凝土重力壩壩后式廠房當進水口高程較高時，一般用斜管和水輪機相連特點：管線較短，造價較低，管道在混凝土中埋得較深，可以考慮鋼管和混凝土聯(lián)合受力。鋼管安裝和混凝土澆筑干擾較大，不利于加快大壩施工平式布置當壩不高且進口高程布置較低時，鋼管可以水平或接近水平布置，穿過壩體。豎直式布置多用于壩內式廠房。對于一

5、些比較薄的拱壩，如果要設埋管，也可采用豎直式布置。但由于孔口對壩體有削弱作用，對拱壩應力求避免采用此布置。4.1.2 壓力管道的類型及適用條件2.按管道布置方式分類（3）壩體壓力管道4.1 壓力管道的功用和類型壩后背管4.2 壓力管道的線路選擇和布置方式4.2.1 壓力管道線路的選擇壓力管道路線選擇應符合水電站樞紐總體布置要求，并考慮地形、地質、水力學、施工及運行等條件，經(jīng)技術經(jīng)濟比較之后確定。原則：1.盡可能短而直2.選擇良好的地形、地質條件3.應滿足運行安全要求4.應滿足施工要求4.2 壓力管道的線路選擇和布置方式4.2.2 壓力管道的布置型式1.壓力管道的供水方式4.2 壓力管道的線路選

6、擇和布置方式單元供水Next聯(lián)合供水分組供水單元供水每臺機組都有一根水管供水。優(yōu)點：結構簡單，運行方便可靠，一根故障或檢修不影響其他。缺點：費材，工程量大，造價高適用：壩式電站，明管Back聯(lián)合供水 多臺機組共用一根總水管。優(yōu)點：機組多時水管數(shù)量少，管理方便，較經(jīng)濟缺點：總管發(fā)生故障或檢修時，由它供水的機組都要停止，每臺機組都要安設閥門以便檢修該機組時不影響其他機組運行。適用：水頭較高，流量較小的電站、地下廠房。Back分組供水 由多根水管供水，每根水管同時向兩臺以上機組供水。特點：介于以上兩種供水方式之間。適用：管道較長，機組臺數(shù)較多，需限制管徑過大的水電站。Back4.2.2 壓力管道的布

7、置型式2.壓力管道的引近方式4.2 壓力管道的線路選擇和布置方式 (a)、(b) 正向引進 (c)、(d) 側向引進 (e) 斜向引進 Next正向引近管道的軸線與廠房的縱軸線垂直。特點：水流平順、水頭損失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故時直接危機廠房安全。適用：低水頭電站。Back側向引近管道的軸線與廠房的縱軸線平行。特點：避免水流直沖廠房。管材用量增加，開挖工程量較大。適用：高、中水頭電站。Back斜向引近管道的軸線與廠房的縱軸線斜交。特點：介于上述兩者之間適用：分組供水和聯(lián)合供水。Back4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式什么是明鋼管？暴露在空氣中的壓力鋼管。在中小型引水式水電站中

8、應用廣泛。4.3.1 明鋼管的構造1.接縫與接頭(1)無縫鋼管在工廠壓軋成無縱縫的管節(jié)，運到現(xiàn)場后用橫向焊縫或法蘭將管節(jié)連成整體。適用：高水頭，小流量的水電站。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.1 明鋼管的構造1.接縫與接頭(2)焊接鋼管由輥卷成圓弧形的鋼板，用縱縫和橫縫焊接而成?？v縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸縱縫與水平軸線和垂直軸線的夾角應大于154.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.1 明鋼管的構造1.接縫與接頭(3)箍管在無縫鋼管或焊接鋼管外套上無縫鋼環(huán)（鋼箍）而成。特點：管壁和鋼箍共同承受內水壓力，以減小管壁厚度。適用：水頭極高的電站。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪

9、設方式4.3.1 明鋼管的構造2.彎管和漸縮管（1）彎管：鋼管在水平或豎直方向內改變方向時，需要裝置彎管以保持水流順暢。每一折線段兩端徑向線的夾角以57度為宜。夾角越小，水流條件越好。彎管的曲率半徑不宜小于3倍管徑。彎管首尾應為半節(jié)，使相鄰管節(jié)在接縫處的相貫線形狀相同。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.1 明鋼管的構造2.彎管和漸縮管（2）漸縮管：不同直徑鋼管段連接時需設置漸縮管。漸縮管的收縮角不宜過大，宜采用：=1016漸縮管與相鄰管段之間常以橫向焊縫連接。當漸縮管與彎管位置相近時，宜合并成漸縮彎管。分段式鋼管的彎管和漸縮管均須埋于鎮(zhèn)墩中。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3

10、.1 明鋼管的構造3.加勁環(huán)為提高抗外壓穩(wěn)定，或為加強鋼管制作、安裝時的剛度，在管外設置的環(huán)狀結構。加勁環(huán)常用T形或槽形的型鋼制作。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.1 明鋼管的構造4.分岔管當水電站采用聯(lián)合供水或分組供水時，鋼管進入廠房之前必須設置分岔管。對稱分岔：鋼管為正向進水時多用之。非對稱分岔：側向和斜向進水時多用之。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.1 明鋼管的構造5.支承環(huán)：鋼管與支座之間起支承、加固作用的環(huán)狀結構。作用：防止支墩直接接觸管壁，加強支承處鋼管的強度和剛度。支承環(huán)沿管周箍設，斷面可為工字形、T形、矩形、槽形等。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4

11、.3.4 明鋼管的支承結構1.鎮(zhèn)墩及其構造承受軸向力鎮(zhèn)墩是保持鋼管段不發(fā)生位移、傾覆和扭轉的支承結構物。作用：依靠自身的重量來固定鋼管承受因鋼管改變方向及管徑變化而產(chǎn)生的軸向不平衡力使鋼管在任何方向均不產(chǎn)生位移和轉角4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.4 明鋼管的支承結構1.鎮(zhèn)墩及其構造鎮(zhèn)墩為重力式結構?；A為軟基時，底面宜做成水平；若為巖基，底面宜做成臺階式。布置：在水管轉彎處，直線段不超過150m。類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。封閉式：應用廣泛。結構簡單，節(jié)約鋼村，固定效果好。開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.4 明鋼管

12、的支承結構1.鎮(zhèn)墩及其構造4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式封閉式 開敞式 4.3.4 明鋼管的支承結構2.支墩（支座）及其構造支承管、水重在法向的分力功用：承受水重和管重的法向分力。相當于連續(xù)梁的滾動支承，允許水管在軸向自由移動(溫度變化時)。布置：間距L=612m，D特別大時，L取3m。L小M、Q小支墩造價高。兩相鄰鎮(zhèn)墩之間，支墩宜等間距布置，設伸縮節(jié)的一跨，間距宜縮短。類型：滑動式、滾動式、擺動式。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式Next(1) 滑動支墩鞍式鋼管直接支承在鞍型的混凝土支墩上，包角90135結構簡單，造價低，摩擦力大，支承部位受力不均勻適用：D1m無支承環(huán)及D2m。B

13、ack(3) 擺動支墩在支承環(huán)與墩座之間設一擺動短柱。摩擦系數(shù)f很小，適用于大直徑管道。Back4.3.2 明鋼管的閥門和附件1.閘門及閥門壓力管道進口設快速閘門(事故門)在前池、調壓室、水庫等位置。對于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機進口前應設快速閥門(事故閥)，緊急切斷水流，防止機組產(chǎn)生飛逸。對于單元供水的電站，當水頭高于120m或管道較長時，經(jīng)技術經(jīng)濟比較，也可設置主閥。其型式有蝴蝶閥、球閥，小型水電站有時用平板閥4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.2 明鋼管的閥門和附件1.閘門及閥門（1）蝴蝶閥(Butterfly Valve)4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式優(yōu)點：啟閉力

14、小，操作方便迅速，體積小,重量輕，造價低。缺點：開啟狀態(tài)時，閥體對水流有擾動，水頭損失較大；關閉狀態(tài)止水不嚴。動水中關閉，在靜水中開啟蝴 蝶 閥開 關4.3.2 明鋼管的閥門和附件1.閘門及閥門（2）球閥：球形外殼+可旋轉的圓筒形閥體+附件優(yōu)點：開啟狀態(tài)時沒有水頭損失，止水嚴密，能承受高壓。缺點：結構復雜，尺寸和重量大，造價高。適用：高水頭電站。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式世界上最大的球閥球 閥開 關4.3.2 明鋼管的閥門和附件1.閘門及閥門（3）閘閥：閥體在門槽中的滑動方式與一般的平板閘門相似。特點：安裝和維修比較簡單，止水嚴密，運行可靠；但啟閉力大，動作緩慢，封水環(huán)易被磨損，也容

15、易產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象。適用：只適用于直徑較小的壓力鋼管。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.2 明鋼管的閥門和附件2.附件（1）伸縮節(jié)功用：消除溫度應力，且適應少量的不均勻沉陷 位置：常在上鎮(zhèn)墩的下游側 兩鎮(zhèn)墩之間一般要求布置伸縮節(jié)，伸縮節(jié)間距不宜超過150m。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式伸 縮 節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié) (b)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(c)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (d)波紋管伸縮節(jié)伸縮節(jié)動畫4.3.2 明鋼管的閥門和附件2.附件（2）通氣孔和通氣閥作用：當閥門緊急關閉時，向管內充氣，以消除管中負壓；水管充水時，排出管中空氣。即：放空時補氣，充水時排氣。位置：閥門之后當進水口較深時

16、，可采用通氣閥，在正常運行時保持關閉狀態(tài)，發(fā)生負壓時開啟，自動補氣，充水時自動排氣。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.2 明鋼管的閥門和附件2.附件（3）進人孔和進水閥當明鋼管很長時，為便于觀察和檢修管道內部，常在鎮(zhèn)墩上游側管道上設置進人孔。為便于檢修鋼管時將管內積水排出，通常在壓力鋼管的最低點設置排水閥。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.2 明鋼管的閥門和附件2.附件（4）鋼管的保護裝置和防腐蝕措施保護裝置：在鋼管破裂后管內流速增大時能迅速發(fā)出信號關閉閘門，防止事故擴大。防腐蝕措施：金屬熱噴涂、涂料保護、電化學保護和涂料聯(lián)合防腐蝕。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.

17、3.3 明鋼管的敷設方式明鋼管一般敷設在一系列支墩上，離地面不小于60cm轉彎處設鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當于梁的固定端。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式水管受力明確，在自重和水重作用下，相當于一個多跨連續(xù)梁。4.3.3 明鋼管的敷設方式1.連續(xù)式明鋼管管身在兩鎮(zhèn)墩之間是連續(xù)的，中間不設伸縮節(jié)。工程中一般較少用之。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.3.3 明鋼管的敷設方式2.分段式在兩鎮(zhèn)墩之間設置伸縮節(jié)將鋼管管身分段。鋼管軸線彎轉處設鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間管段用支墩支承，兩鎮(zhèn)墩間設伸縮節(jié)。支墩起支承管身的作用。伸縮節(jié)宜設在靠近鎮(zhèn)墩的下游側。明鋼管多用之。4.3 明鋼管的構造、附件及鋪設方式4.

18、4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定4.4.1 壓力管道的水力計算恒定流計算確定管道的水頭損失(包括沿程和局部)，以供確定水輪機的工作水頭、選擇裝機容量、計算電能和確定管徑之用。非恒定流計算水錘計算(N變Q變H變) ，確定管道中各點的動水壓力和變化過程，為管道的結構設計和機組運行提供依據(jù)。4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定4.4.1 壓力管道的水力計算1.沿程摩阻水頭損失：處于紊流，可按曼寧公式計算 式中：i單位管長的摩阻水頭損失 n壓力管道糙率 R壓力管道的水力半徑 V壓力管道中水體的流速4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定4.4.1 壓力管道的水力計算2.局部水頭損失進口、門槽、漸變段、彎段

19、、分岔等部位，按水力學公式計算。4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定4.4.2 壓力管道直徑的選擇D用材和造價流速水頭損失和電能損失D用材和造價流速水頭損失和電能損失經(jīng)過技術經(jīng)濟比較之后才能確定管徑。選擇最優(yōu)直徑（經(jīng)濟流速方法）：4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定式中：Qd壓力管道的設計流量m3/s Ve經(jīng)濟流速。明鋼管和地下埋管：46m/s；鋼筋混凝土管：24m/s；壩內埋管：水頭在3070m時，取36m/s，水頭在70100m時，取57m/s。當壓力管道比較長時，水電站壓力管道的直徑隨水頭的增高而逐漸減小是經(jīng)濟合理的，但變徑次數(shù)不宜過多，通常在鎮(zhèn)墩處變徑并設漸變段，漸變段應包括在鎮(zhèn)墩內部

20、。4.4.3 明鋼管管壁厚度的擬定4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定式中： 水的密度，1000kg/m3;H 內水壓力（包括水錘壓力），m。初估時水錘壓力值按靜水頭的15%30%，高水頭電站取小值，低水頭電站取大值。 焊縫系數(shù)，一般為0.900.95，雙面對焊取0.95，單面對焊取0.90；D0 壓力鋼管的內直徑，m； 鋼管的設計允許應力，kPa。按表4-1中數(shù)值降低15%20%4.4.3 明鋼管管壁厚度的擬定考慮到鋼管管壁厚度的制造誤差以及鋼管運行中的磨損和銹蝕，管壁厚度t應比計算厚度至少增加2mm的厚度欲量；對泥沙磨損、腐蝕較嚴重的鋼管，還應專門論證。實際工程中，對于不同管徑的管壁最小結

21、構厚度應不小于表4-2規(guī)定的最小值，且同時滿足下式條件：4.4 壓力管道的水力計算與尺寸擬定4.6 鋼岔管4.6.1 鋼岔管的工作特點及設計要求1.功用作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時，需要設置分岔管，岔管位于廠房上游側。2.特點水流條件較差，引起的水頭損失較大；岔管由薄殼和剛度較大的加強構件組成，管壁厚，構件尺寸大，有時需鍛造，焊接工藝要求高，造價較高；受力條件差，所承受的靜動水壓力最大，又靠近廠房，其安全性十分重要。4.6 鋼岔管4.6.1 鋼岔管的工作特點及設計要求3.布置原則結構合理，安全可靠，不產(chǎn)生較大的應力集中和變形。為此，各管節(jié)的轉角不宜過大，加強構件和管壁的剛度比不宜太

22、懸殊，加固措施應結構合理。岔管主、支管軸中心線宜布置在同一平面內。水流平順，水頭損失小，減少渦流和振動。分支管宜采用錐管過渡，分岔角宜較小，一般為3045 ；分岔后流速宜宜逐漸加快。對于重要工程的岔管宜作水力學模型試驗。制作、運輸、安裝方便，經(jīng)濟合理。 4.6 鋼岔管4.6.2 岔管的布置形式及構造要求 1.布置形式卜形布置?？v向引近和斜向引進的廠房常采用這種布置方式。對稱Y形布置。三岔形布置。 4.6 鋼岔管4.6.2 岔管的布置形式及構造要求 2.構造要求（1）主、支錐管（或柱管）間的連接，除貼邊岔管外，應使相貫線為平面曲線。（2）主、支錐管長度及分節(jié)，在滿足結構布置和水流流態(tài)要求下，宜布置緊湊。月牙肋岔管當肋寬比大于0.3時宜設置導流板。無梁岔管、球形岔管內部應設置導流板。（3）大型岔管宜按變厚設計。4.6 鋼岔管4.6.3 岔管的結構型式 1.三梁岔管由相貫線上的兩根腰梁和一根U梁構成三梁岔U梁承受較大的不平衡水壓力，其受力非常復雜。適用：內壓較高、直徑不大的明管道。 4.6 鋼岔管4.6.3 岔管的結構型式 2.貼邊式岔管貼邊式岔管是在卜形布置的主、支管相貫線兩側用補強板加固，補強板與管壁焊固形成一個整體。補強板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力由補強板和管壁共同承擔。4.6 鋼岔管常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。