第十三章 水电站的压力管道 - 图文

第一节 压力管道的功用和类型

压力管道是指从水库、前池或调压室向水轮机输送水量的管道。其一般特点是坡度陡，内水压力大，承受水锤的动水压力，而且靠近厂房。因此它必须是安全可靠的。万一发生事故，也应有防止事故扩大的措施，以保证厂房设施和运行人员的安全。

压力管道按材料可分为： 一、钢管

钢管具有强度高、防渗性能好等许多优点，常用于大中型水电站。 钢管布置在地面以上者称明钢管，如图11-5。布置于坝体混凝土中者称坝内钢管，如图11-2。埋设于岩体中者则成地下埋管，如图18-12。以上是水电站压力钢管的三种主要形式。 二、钢筋混凝土管

钢筋混凝土管具有造价低、可节约钢材、能承受较大外压和经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。除普通钢筋混凝土管外，尚有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥和预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋混凝土管因易于开裂，一般用在水头H和内径D的乘积HD<50m的情况下；预应力和自应力钢筋混凝土管的HD值可超过200㎡，预应力钢丝网水泥管由于抗裂性能好，抗拉强度高，HD值可超过300㎡。

位于岩体中的现浇钢筋混凝土管道，在内水压力作用下，钢筋混凝土与围岩联合受力，工作状态与隧洞相似，归于隧洞一类。 三、钢衬钢筋混凝土管

钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬以钢板构成。在内水压力作用下钢衬与外包钢筋混凝土联合受力，从而可减小钢衬的厚度，适用于大HD值管道情况。由于钢衬可以防渗，外包钢筋混凝土可按允许开裂设计，以充分发挥钢筋的作用。

本章主要讲钢管。

第二节 压力管道的布置和供水方式

一、压力管道的布置

压力管道是引水系统的一个组成建筑物。压力管道的布置应根据其形式、当地的地形、地质条件和工程的总体布置要求确定，其基本原则可归纳如下： (1)、尽可能选择短而直的路线。这样不但可以缩短管道的长度，降低造价，减小水头损失，而且可以降低水锤压力，改善机组的运行条件。因此，明钢管常敷设在陡峻的山坡上，以缩短平水建筑物（如果有的话）和厂房之间的距离。 (2)、尽量选择良好的地质条件。明钢管应敷设在坚固而稳定的山坡上，以免因地基滑动引起管道破坏；支墩和镇墩应尽量设置在坚固的基岩上，表面的覆盖层应予以清除，以防支墩和镇墩发生有害的位移。地下埋管应布置在良好的岩体中，其好处是：可利用围岩承担部分内水压力；开挖时可不用或少用支护以减少施工费用和加快施工进度；良好的岩层裂隙水一般不发育，钢管受外压失稳的威胁较小。

(3)、尽量减少管道的起伏波折，避免出现反坡，以利管道排空；管道任何部位的顶部应在最低压力线以下，并有2m的裕度。若因地形限制，为了减少挖方而将明管布置成折线时，在转弯处应设镇墩，管轴线的曲率半径应不小于3倍管径。明钢管的底部至少应高出地表0.6m,以便安装检修；若直管段超过150m,中间宜加镇墩。地下埋管的坡度应便于开挖出碴和钢管的安装检修。

(4）、避开可能发生山崩或滑坡地区。明管应尽可能沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷之中，若明管之上有坠石或可能崩塌的峭壁，则应事先清除。 (5）、明钢管的首部应设事故闸门，并应考虑设置事故排水和防冲设施，以免钢管发生事故时危及电站设备和运行人员的安全。 二、压力管道的供水方式

水电站的机组往往不止一台，压力管道可能有一根或数根，压力管道向机组的供水方式可归纳为三类。 （一）单元供水

每台机组由一根专用太管供水，如图13-1（a）、(b)所示。

图13-1 压力管道供水方式示意图

这种供水方式结构简单，工作可靠，管道检修或发生事故时，只影响一台机组工作，其余机组可照常运行。这种布置方式除水头较高和机组容量较大者外，一般只在进口设事故闸门，不设下阀门。单机供水所需管道根数较多，需要钢材较多，适用于以下两种情况：单机流量较大，若几台机共用一根水管，则管径较大，管壁较厚，制造和安装困难；压力管道较短，几台机组共用一根水管，在管身上节约材料不多，但需要增加岔管、弯管和阀门，并使运行的灵活性和安全性降低。坝内钢管一般较短，通常都采用单元供水。 （二）集中供水

全部机组集中由一根管道供水，如图13-1（c）、（d）所示。用一根管道代替几根管道，管身材料较省，但需设置结构复杂的分岔管，并需在每台机组之前设置事故阀门，以保证任意一台机组检修或发生事故事时不致影响其它机组运行。这种供水方式的灵活性和可靠性不如单元供水，一旦压力管道发生事故或进行检修，需全厂停机，对于跨流域开发的梯级电站，这同时会给下游梯级的供水带来困难。

集中供水适用于单机流量不大，管道较长的情况下。对于地下埋管，由于运行可靠，同时又因不宜平行开挖几根距离不远的管井，较多地采用这种供水方式。 （三）分组供水

采用数根管道，每根管道向几台机组供水，如图13-1（e）、(f)所示。这种供水的特点介于单元供水和集中供水之间，适用于压力管道较长、机组台数较多和容量较大的情况。

压力管道可以从正面进人厂房，如图13-1 (a)、(c)、（e）所示，也可以从侧面进人厂房，如图13-1 (b)、 (d)、(f)所示。前者适用于水头不高、管道不长或地下埋管情况。对于明钢管，若水头较高，宜从侧面进人厂房：在这种情

况下，万一管道爆破，可使高速水流从厂外排走，以防危及厂房和运行人员的安全。在集中供水和分组供水情况下，管道从侧面进人厂房也易于分岔。地下埋管爆破的可能性较小，即使爆破，由于围岩的限制亦不易突然扩大，管道进人厂房的方式常决定于管道及厂房布置的需要。

第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定

一、水力计算

压力管道的水力计算包括恒定流计算和非恒定流计算两种。 （一）恒定流计算

恒定流计算主要是为了确定管道的水头损失。管道的水头损失对于水电站装机容量的选择、电能的计算、经济管径的确定以及调压室稳定断面计算等都是不可缺少的。水头损失包括摩阻损失和局部损失两种。 1、摩阻损失

管道中的水头损失与水流形态有为。水电站压力管道中的水流的雷诺数Re一般都超过3400，因而水流处于紊流状态，摩阻水头损失可用曼宁公式或斯柯别公式计算。

曼宁公式应用方便，在我国应用较广。该公式中，水头损失与流速平方成正比，这对于钢筋混凝土管和隧洞这类糙率较大的水道是适用的。对于钢管，由于糙率较小，水流未、能完全进人阻力平方区，但随着时间的推移，管壁因锈蚀糙率逐渐增大，按流速平方关系计算摩阻损失仍然是可行的。曼宁公式因一般水力学书中均可找到，此处从略。

斯柯别根据198段水管的1178个实测资料，推荐用以下公式计算每米长钢管的摩阻损失

(13-1)式中a-水头损失系数，焊接管用0.00083。

为考虑水头损失随使用年数t的增加而增大的系数，清水取K＝0.01，

腐蚀性水可取K＝0.015。

2.局部损失

在流道断面急剧变化处，水流受边界的扰动，在水流与边界之间和水流的内部形成旋涡，在水流质量强烈的混掺和大量的动量交换过程中，在不长的距离内造成较大的能量损失，这种损失通常称为局部损失。压力管道的局部损失发生在进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等处。压力管道的局部损失往往不可忽视，一尤其是分岔的损失有时可能达到相当大的数值。局部损失的计算公式通常表示为

系数可查有关手册。 （二）非恒定流计算

管道中的非恒定流现象通常称为水锤。进行非恒定流计算的目的是为了推求管道各点i的动水压强及其变化过程，为管道的布置、结构设计和机组的运行提供依据。非恒定流计算的内容见第九章。 二、管径的确定

压力管道的直径应通过动能经济计算确定。在第七章中我们已经研究了决定渠道和隧洞经济断面的方法，其基本原理对压力管道也完全适用，可以拟定几个不同管径的方案，进行誉比较，选定较为有利的管道直径，也可以将某些条件加以简化，推导出计算公式，直接求解。在可行性研究和初步设计阶段，可用以下彭德舒公式来初步确定大中型压力钢管的经济直径

式中Qmax-钢管的最大设计流量， H-设计水头，m。

；

第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造

一、钢管的材料

钢管的受力构件有管壁、加劲环、支承环及支座的滚轮和支承板等。管壁、加劲环、支承环和岔管的加强构件等应采用经过镇静熔炼的热扎平炉低碳钢或低

合金钢制造，如A3、16Mn，和经过正火的15MnV和15MnTi。滚轮可用A3、A4、A5、16Mn或35、45等优质钢材。近年来，我国一些大型水电站已开始采用屈服点为60～80

的高强度钢材制造钢管。

对于焊接管，钢材的基本性能包括机械性能、加工性能和化学成分等方面。 （一）机械性能

机械性能一般指钢材的屈服点韧性

。

内，钢材的应力与应变存在线性关系，即处于弹性工作状态。时，材料发生蠕变，即使外荷载不再增加，变形仍继续发展，形

,极限强度

、断裂时的延伸率ε和冲击

在屈服点当应力超过

成所谓流幅。对于普通低碳钢，当相对变形。达到2.5％-3％后，材料进入第三工作阶段，即自动强化阶段，钢材重新获得承受较高荷载的能力。极限强度与试件破坏前的最大荷载相对应的应力。

流幅的存在是普通碳素钢的一个重要特性，它能使结构应力趋于均匀，排除结构因局部应力太大而过早破坏。因此，流幅是提高结构物安全度的一种因素。 当应力达到无法正常工作，过

时，虽然不会引起结构破坏，但因变形过大，结构物可能已应认为是容许使用应力的上限。普通低碳钢的极限强度

超是

值55％～95％。若较低，由于变形等因素的限制，容许应力不能采用得

较高，则材料的塑性降低，因此

与ζ

过高，材料的充分利用受到限制；若

不的最优比值（最优屈强比）在0.5～0.7范围内。

延伸率ε是试件实际破坏时的相对变形值，代表材料的塑性性能。普通碳素钢的ε约为20％～24％。

钢材的脆性破坏和时效硬化趋向及材料抗重复荷载和动荷载的性能用冲击韧性

表示。冲击韧性通过试验确定，其值应不小于表13-1的数值。

冲击韧性随温度的下降而下降。冲击韧性开始剧烈下降时的临界温度称冷脆点。选择钢材时应注意使结构物的正常运行温度不低于其冷脆点。 （二）加工性能

钢材的加工性能主要指辊扎、冷弯、焊接等方面的性能，应通过样品试验确定。

冷弯性能对于制造钢管的钢材特别重要，因为制造钢管的基本作业是辊轧和弯曲。经过冷作的钢板因有塑性变形，故发生冷强，继而时效硬化，钢材变脆。 焊接性能指钢材在焊接后的性能，应保证焊缝不开裂，也不降低焊缝及相邻母材的机械性能（如强度、延伸率、冲击韧性等）。

钢管在制造过程中，辊轧、弯曲、焊接等工艺使材料的塑性降低，并产生一定的内应力。为了消除上述不良影响，当管壁超过一定厚度时需进行消除内应力处理。

（三）化学成分

钢材的化学成分影响钢材的强度、延伸率和焊接性能。当碳素钢的含碳量超过0.22％时，硬度急剧上升，

上升，塑性和冲击韧性降低，可焊性恶化。硅

的存在有同样影响，含量应限制在0.2％以内。镍和锰能够提高钢材的机械性能。 硫的存在降低钢材的强度，使钢材热脆，含硫量高的钢材不宜进行热处理。磷的存在使钢材冷脆，含磷量高的钢材不宜用于制作在低温下工作的钢结构。溶解于钢材中的氮和氧也使钢材变脆。对以上各种杂质都应加以限制。

我国制造压力钢管最常采用的是3号镇静碳素钢和16Mn低合金钢。前者的机械性能和化学成分见国家标准，GB700-79，后者见冶金部标准YB13-69。 二、容许应力

钢材的强度指标一般用屈服点安全系数K获得，或用

表示。钢材的容许应力[ζ]一般用

除以

的某一百分比表之。不同的荷载组合及不同的内力、

应力特性应采用不同的容许应力。压力钢管的容许应力按表13-2采用。

对于高强度钢材，若屈服点应以

=0.67

与抗拉强度

之比值（屈强比）大于0.67,

计算容许应力。又，坝内埋管膜应力区在特殊荷载组合下的容者，仅适用于按明管校核情况，其余情况均用0.8

。参阅

许应力取为0.9

水电站压力钢管设计规范(SD144-85）。 三、管身构造

压力钢管按其构造又分为无缝钢管、焊接管和箍管，其中焊接管应用最普遍。 焊接管是用钢板按要求的曲率辊卷成弧形，在工厂用纵向焊缝连接成管节，运到现场行再用横向焊缝将管节连成整体。内水压力是钢管的主要荷载，纵缝受力较大，在工厂焊接后应以超声波法或射线法作探伤检查，以保证纵缝的焊接质量。在焊接横缝时，应使各管节的纵缝错开，见图13-2。对于明管，纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上，与釉线的夹角应大于10° ,相应的弧线距离应大于300mm。

图13-2 纵缝和横缝示意图

管壁厚度一般经结构分析确定。管壁的结构厚度取为计算厚度加2mm的锈蚀裕度。考虑制造工艺、安装、运输等要求，管壁的最小结构厚度不宜小于（13-4）式确定的数值δ（mm）≥D/800十4 （13-4)，式中D--钢管直径，mm 。但是，也不宜小于6mm。

为了消除辊卷和焊接引起的残余应力， 符合下列条件之一者应在卷板和焊接后作消除残余应力处理： （1）结构厚度超过下列数值：

A3-42mm；16Mn-38mm；15MnV和15MnTi-36mm。 （2)冷加工成型的管壁厚δ符合下列情况： A3和16Mn：D≤33δ；15MnV和15MnTi：D≤408。 （3)岔管等形状特殊的构件

钢管安装完毕后的椭圆度（相互垂直的两管径的最大差值与标准管径之比）不得超过0.5％。

第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备

一、钢管的敷设方式

明钢管一般敷设在一系列的支墩上，底面高出地表不小于0.6m,这样使管道受力明确，管身离开地面也易于维护和检修。在自重和水重的作用下，支墩上的管道相当于一个多跨连续梁。在管道的转弯处设镇墩，将管道固定，不使有任何位移，相当于梁的固定端。

明钢管宜做成分段式，在两镇墩之间设伸缩节，如图13-3所示。由于伸缩节的存在，在温度变化时，管身在轴向可以自由伸缩，由温度变化引起的轴向力仅为管壁和支墩间的摩擦力和伸缩节的摩擦力。为了减小伸缩节的内水压力和便于安装钢管，伸缩节一般布置在管段的上端，靠近上镇墩处。这样布置也常常有利于镇墩的稳定。伸缩节的位置可以根据具体情况进行调整。若直管段的长度超过150m，可在其间加设镇墩；若其坡度较缓，也可不加镇墩，而将伸缩节置于该管段的中部。

图13-3 明钢管的敷设方式 二、明钢管的支墩和镇墩 （一）支墩

支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相当于梁的滚动支承，允许管道在轴向自由移动。减小支墩间距可以减小管道的弯矩和剪力，但支墩数增加，故支墩的间距应通过结构分析和经济比较确定，一般在6～12m之间。大直径的钢管可采用较小的支墩间距。

按管身与墩座间相对位移的特征，可将支墩分成滑动式、滚动式和摆动式三种。

1.滑动式支墩

滑动式支墩的特征是管道伸缩时沿支墩顶部滑动，可分为鞍式和支承环式两种．

鞍式支墩如图13-4（a）所示。钢管直接安放在一个鞍形的混凝土支座上，鞍座的包角在120°左右。为了减小管壁与鞍座间的摩擦力，在鞍座上常设有金属支承面，并敷以润滑剂。鞍式支墩的优点是结构简单，造价较低，缺点是摩阻力大，支承部分管身受力不钧匀，适用于直径在1OOcm以下的管道。

支承环式滑动支墩是在支墩处的管身外围加刚性的支承环，用两点支承在支墩上，这样可改善支座处的管壁应力状态，减小滑动摩阻，并可防止滑动时摩损管壁，如图13-4(b）所示。但与滚动式支座相比，摩阻系数仍然较大，适用于直径200cm以下的管道。

图13-4 滑动式支墩 2.滚动式支墩

滚动式支墩与上述支承环式滑动支墩不同之处，在于支承环与墩座之间有辊轴，如图13-5所示，改滑动为滚动，从而使摩擦系数降为0.1左右，一适用于直径200cm以上的管道。由于辊轴直径不可能做得很大，所以辊轴与上下承板的接触面积较小，不能承受较大的垂直荷载，使这种支墩的使用受到限制。

图13-5 滚动式支墩

3.摆动式支墩

摆动式支墩的特征是在支承环与墩座之间设一摆动短柱，如图13-6所示。图中摆柱的下端与墩座铰接，上端以圆弧面与支承环的承板接触，管道伸缩时，短柱以铰为中心前后摆动。这种支墩摩阻力很小，能承受较大的垂直荷载，适用于大直径管道。

图13-6 摆动式支墩 （二）镇墩

镇墩一般布置在管道的转弯处，以承受因管道改变方向而产生的不平衡力，将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移，如图13-3所示。在管道的直线段，若长度超过150m,在直线段的中间也应设置镇墩，此时伸缩节可布置在中间镇墩两侧的等距离处，以减小镇墩所受的不平衡力。 1.镇墩的型式

镇墩靠自身重量保持稳定，一般用混凝土浇制。按管道在镇墩上的固定方式，镇墩可分为封闭式（图13-7)和开敞式（图13-8)两种。前者结构简单，节省钢材，对管道的固定好，应用较多；后者易检修，但镇墩处管壁受力不够均匀，用于作用力不太大的情况。

图13-7 封闭式支墩

图13-8 开敞式支墩 2.镇墩的设计

镇墩是管道的固定端，它承受着管道的轴向力、法向力和弯矩，其中以轴向力为主。镇墩的强度一般易于满足，其体积常取决于稳定需要。

管道作用于镇墩上的轴向力见表13-3。镇墩除承受表中所列的轴向力外，还承受部分管重和水重产生的垂直管轴方向的法向力。

管重产生的法向力Qp可近似地表达为

式中

,、,

--镇墩上、下游管段单位管长的管重； —镇墩上、下游管段的倾角；

--镇墩与上、下游相邻支墩间管道长度之半。

水重产生的法向力Qw可近似地表达为

式中

,

为镇墩上、下游管段单位管长的水重，其他符号的意义同式

(13-5)。

镇墩的设计应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出各力的最不利组合，求出镇墩所需的形状和尺寸。图13-9标出了分段式（有伸缩节的）管道在满水、温升情况下作用于镇墩上各轴向力的方向。

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