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1、 26第八章 水电站压力管道第一节 压力管道的功用、类型一、功用和特点压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。其特点是集中了水电站大部分或全部的水头，另外坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力 )，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。所以压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求。压力管道的主要荷载为内水压力，管道的内直径 D(m)和其承受的水头 H(m)及其乘积 HD 值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。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。HD 值
2、最高的常见于抽水蓄能电站，已超过 5 000m2。二、分类压力管道可按照布置型式和所用的材料分类，见表 8-1。表 8-1 压力管道类型按 结 构 型 式 分 按 材 料 分明管(露天式) ：布置在地面上 钢管，钢筋混凝土管，木管地下埋管：埋入地下山岩中 不衬砌，锚喷或混凝土衬砌，钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管混凝土坝身管道：依附于坝身，包括：(1) 坝内管道；(2) 坝上游面管；(3) 坝下游面管钢筋混凝土结构，钢衬钢筋混凝土结构，预应力钢筋钢衬混凝土结构其中，明管适用于引水式地面厂房，地下埋管多为引水式地面或地下厂房采用，混凝土坝身管道则只能在混凝土坝式厂房中使用。由于钢材强度高，防渗性能好，
3、故钢管或钢衬混凝土衬砌管道主要用于中、高水头电站；而钢筋混凝土管适用于中小型电站。 27(一) 钢管钢管按其自身的结构又可分为：(1) 无缝钢管。其直径较小，适用于高水头小流量的情况。(2) 焊接钢管。适用于较大直径的情况。焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接而成，焊缝结构如图 8-1 所示，一般相邻两节管道的纵缝应错开一定角度，以避免焊缝薄弱点在同一直线上。(3) 箍管。当 HD1 000m2 时，钢板厚度一般会超过 40mm，其加工比较困难，因而在这种情况下常采用箍管。箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从而使管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁钢板的厚度。钢管所使用
4、的钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素参照设计规范选定。(二) 钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、刚度较大、经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。除了普通的钢筋混凝土管外，还有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋混凝土管适用于 HD600m2，=32mm 40mm ，不易加工。当 HD 较高时采用 16Mn，其强度高，但塑性差：强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。 322、加工性能辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和热影响区不产生裂纹
5、。3、化学成份影响钢材的强度、焊接性能，含碳不要过高(脆) ，含硫量和含硅量也不能高。三、容许应力钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到，即=s/K不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。表 8-2 钢材的允许应力应力区域 膜应力区 局部应力区荷载组合 基本 特殊 基本 特殊产生应力的内力 轴力 轴力 轴力和弯矩 轴力 轴力和弯矩明钢管 0.55 s 0.7 s 0.67 s 0.85s 0.8 s 1.0 s地下埋管 0.67 s 0.9 s0.8 s允许应力坝内埋管 0.67 s0.9 s 按明管校核情况四、管身构造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，
6、施工困难。国内：D60cm ；国外：D120cm。适用高水头小流量电站。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，造成价低。(1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴(2) 相邻管壁厚度差2mm，内部光滑，外部成台阶状。3、箍管：钢管外加钢箍。4、钢管的结构要求：钢管最小厚度：min(D/800+4)mm，或 6mm 33防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度 2mm。第四节 敷设方式及附件一、明钢管的敷设方式和支承方式由于明钢管一般长度都很大，所以常分段敷设，即在直线段每隔 120150m 或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯 )设置镇墩，以固定
7、钢管，防止钢管发生位移。在两镇墩间设置伸缩节，其作用是当温度发生变化时，管身可以自由伸缩，从而减小温度应力。伸缩节一般放在镇墩的下游侧。镇墩之间的管段用一系列等间距的支墩支承，支墩的间距由钢管应力分析，并考虑钢管的安装条件、地基条件和支墩型式，经技术经济比较确定。靠近伸缩节的一跨，支墩间距可缩短一些。管身离地面不小于60cm，以便于维护和检修。这种敷设方式的水管受力明确，在自重和水重作用下，水管相当于一个多跨连续梁，镇墩将水管完全固定，相当于梁的固定端，见图 8-4。(一) 镇墩镇墩的作用是靠本身的重量固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力，防止水管产生位移。镇墩一般由混凝土浇制而成
8、，混凝土强度等级一般不低于图 8-4 明钢管的敷设 34C15。在寒冷地区，墩底基面应深埋在冻土线以下。分封闭式和开敞式两种型式。1封闭式：如图 8-5 所示，钢管被埋在封闭的混凝土体中。镇墩表层需布置温度筋，钢管周围设置环向筋和一定数量锚筋。这种布置方式结构简单，节约钢材，固定效果好，应用较广泛。2开敞式：如图 8-6 所示，利用锚栓将钢管固定在混凝土基础上。镇墩处的管壁受力不均匀，锚环施工复杂，其优点是便于检查维修。这种镇墩在我国很少采用。(二) 支墩支墩用于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)。按支墩上的支座与管身相对位移的特征，有以下几
9、种型式：图 8-5 封闭式镇墩 图 8-6 开敞式镇墩1滑动支墩。钢管发生轴向伸缩时，沿支座顶面滑动。滑动式支墩又可分为无支承环鞍形支墩、有支承环鞍形支墩和有支承环滑动支墩三种。无支承环鞍形支墩，见图 8-7(a)，是将钢管直接支承在一个鞍形混凝土支座上，其包角 在 90o120o 之间。为了减少管壁与支座之间的摩擦力，在支座上铺设钢板并在接触面上加润滑剂。这种支墩结构简单，但管身受力不均匀，摩擦力大。适用于管径 1m 以下的钢管。有支承环滑动支墩，见图 8-7(b)，支承环放在金属的支承板上，比上面两种支墩的摩擦力更小。适用于管径 13m 的钢管。2滚动支墩。如图 8-8 所示，在支承环与墩
10、座之间加圆柱形辊轴，钢管发生轴向伸缩时，辊轴滚动，摩擦系数约为 0.1，适用于垂直荷载较小而管径大于 2m 的钢管。3摆动支墩。如图 8-9 所示，在支承环与支承面之间设置一摆动短柱。短柱下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的承板接触。钢管沿轴向伸缩时，短柱以铰 35为中心前后摆动。其摩擦力很小，能承受较大的垂直荷载，适用于管径大于 2m 的钢管。图 8-7 滑动式支墩(a) 鞍式； (b) 支承环式图 8-8 滚动式支墩 图 8-9 摆动式支墩二、钢管上的闸门和附件(一) 闸门及阀门在压力水管的进口处一般都设置平板闸门，以便在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。平板闸门价格便宜，构造简单
11、，便于制造，常以此代替阀门。对于上游有压力前池或调压室的明管，为了在发生事故时紧急关闭和检修放空水管的需要，在钢管进口处一般也要设置闸门，闸门装在压力前池或调压室内。阀门一般设置在紧靠压力管道末端，即水轮机蜗壳进口处的钢管上。在分组供水和联合供水时，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、导水叶发生故障时紧急切断水流，防止机组产生飞逸，在每台机组前都应设置阀门，通常称为下阀门。坝内埋管长度较小，只须在进口处设置闸门，不设下阀门。有时虽是单独 36供水，但水头较高、容量较大时也要设下阀门。水电站压力水管的阀门常见的有三种。(1) 平板阀。平板阀由框架和板面构成，阀体在门槽中的滑动方
12、式与一般的平板闸门相似，如图 910 所示。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) 蝴蝶阀。如图 911 所示，蝴蝶阀由阀壳和阀体组成。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。蝴蝶阀的操作有电动和液压两种，前者用于小型，后者用于大型。这种阀门启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；但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。适用于大直径、水头不很
13、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。蝴蝶阀可在动水中关闭，但必须用旁通管平压后在静水中开启。(3) 球阀。球阀由球形外壳、可旋转的圆筒形阀体及其他附件组成，如图 8-12 所示。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。球阀的优点是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。适于作高水头电站的水轮机前阀门。球阀是在动水中关闭，但需要用旁通阀平压后在静水中开启。图 8-10 平板阀门 图 8-11 蝴蝶阀 37图 8-12 球阀
14、(a) 关闭状态 (b) 开启状态(二) 附件(1) 伸缩节。露天式压力钢管受到温度变化或水温变化的影响时，为了使管身能沿轴线自由伸缩，以消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷，常在上镇墩的下游侧设置伸缩节。对伸缩界的基本要求是：能随温度变化自由伸缩，能适应镇墩和支墩的基础变形而产生的线变位和角变位，并留有足够余度。伸缩节的型式较多，较常见的几种见图 8-13。在阀门处的伸缩节应便于阀门拆卸，并允许产生微小的角位移。(a)(b) (c)(d)图 913 伸缩节(a)套筒式伸缩节 (b)压盖式限拉伸缩节 (c)波纹管伸缩节 (d)波纹密封套筒式伸缩节 38(2) 通气阀。通气阀常布置在阀门之后。当
15、阀门紧急关闭时，水管中的负压使通气阀打开向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，管中空气从通气阀排出，然后再关闭阀门。(3) 进人孔。为了检修方便，在钢管镇墩的上游侧通常设置进人孔。进人孔间距一般为 150m，不宜超过 300m。进人孔为圆形或椭圆形，其直径 (或短轴)一般不小于45cm。为保证正常运行期间不漏水，进人孔盖与外接套管之间要设止水盘根，如图8-14 所示。(4) 旁通阀。旁通阀设在水轮机进水阀门处，与闸门处的旁通管作用相同，使阀门前后平压后开启，以减小启闭力。(5) 排水设施。在压力水管的最低点应设置排水管，在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。严寒地区的明钢管，应有防止钢管本身及其附件结冰的保温措施。图 8-14 进人孔1-孔盖； 2-垫圈； 3-螺栓； 4-接管第五节 作用在钢管上的荷载及其组合一、荷载计算按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力和法向力。各种作用力计算公式及作用方向见表 8-3，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅水工建筑物荷载设计规范 。二、荷载组合钢管结构设计应根据承载能力极限状态的要求，对不同设计状况下可能同时出现 3
