第三章水电站压力管道讲课

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1、第第3章章 水电站压力管道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。一、压力管道的特点一、压力管道的特点(1)坡度陡。坡度陡。明管明管最大坡最大坡比可达比可达1：1。(2)承受电站的最大水头，承受电站的最大水头，承受承受水锤压力水锤压力。(3)靠近厂房。靠近厂房。3.1 压力管道的类型压力管道的类型压力管道规模及技术难度指标压力管道规模及技术难度指标：管道内径：管道内径D（m）和水压）和水压H（m）及其乘积）及其乘积HD值。值。目前目前HD最大达最大达5000m2。以前水电站压力管道直径最大的是巴基斯坦的以前水电站压力管道直径最大的是巴基斯坦的塔贝拉

2、水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直，直径为径为13.26m。现为向家坝，现为向家坝，直径直径14.4m。二、压力管道的类型及适用条件二、压力管道的类型及适用条件按布置方式按布置方式材料材料明管明管钢管、管、钢筋筋砼管管地下埋管地下埋管不不衬砌、砌、锚喷或或砼衬砌、砌、钢衬砼衬砌砌砼坝身埋管身埋管钢筋筋砼结构、构、钢衬钢筋筋砼结构构地地下下埋埋管管明管明管砼坝体压力管道砼坝体压力管道（一）按管壁材料分（一）按管壁材料分1、钢管、钢管。广泛应用于中高水头电站。广泛应用于中高水头电站。2、钢筋砼管、钢筋砼管。抗拉强度低，一般适用于水头。抗拉强度低，一般适用

3、于水头较低的中小型水电站。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、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。钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋砼管普通钢筋砼管：适应于适应于HD60m2，且，且H50m。预应力和自应力钢筋砼管预应力和自应力钢筋砼管：适应于适应于HD300m2，H150m。预制管管段长一般预制管管段长一般3-5m，连接方式多为承插式接头连接方式多为承插式接头。现场浇制式现场浇制式(适用适用H15，采用对接焊，采用对接焊，焊缝由超声波法或射线法进行探伤。焊缝由超声波法或射线法进行探伤。横缝横缝(环缝环缝)：现场完成

4、。环向焊缝间距现场完成。环向焊缝间距 500mm。钢管横向连接也可由法兰完成。钢管横向连接也可由法兰完成。相邻管壁厚相邻管壁厚度差度差 2mm(以以利焊接利焊接)，内部，内部光滑，外部成光滑，外部成台阶状。台阶状。P892、弯管和渐缩段、弯管和渐缩段（1）弯管）弯管。空间上转弯的管段由钢板焊接而。空间上转弯的管段由钢板焊接而成。弯管曲率半径成。弯管曲率半径 3倍管径。倍管径。每一折线段两端径向线夹角每一折线段两端径向线夹角 10，以，以5-7为宜。为宜。（2）渐变管）渐变管。用于不同直径钢管连接处。用于不同直径钢管连接处。收缩角通常采收缩角通常采用用10-16。管。管段之间以横缝连接。段之间以

5、横缝连接。渐变管与弯管位置相近时，合成渐缩弯管。渐变管与弯管位置相近时，合成渐缩弯管。渐变管与弯管均需埋于镇墩中渐变管与弯管均需埋于镇墩中。3、加劲环（刚性环）、加劲环（刚性环）用来提高管壁抗外压稳定，在管外侧焊接的环用来提高管壁抗外压稳定，在管外侧焊接的环状结构。状结构。4、分岔管、分岔管对称分岔、非对称分岔。对称分岔、非对称分岔。5、支承环、支承环钢管与支墩之间起支承、加固作用的环向结构。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、断面可为工字钢、T形、矩形、槽型等。形、矩形、槽型等。工工工工二、明钢管的阀门和附件二、明钢管的阀门和附件1、闸门：、闸门：压力管道进口设快速闸门

6、压力管道进口设快速闸门(在前池、调在前池、调压室、水库等位置压室、水库等位置)。2、阀门、阀门(1)设置情况设置情况联合供水或分组供水联合供水或分组供水：在水轮机进口前应设快：在水轮机进口前应设快速阀门，通常称为主阀。速阀门，通常称为主阀。单元供水单元供水：当：当H高于高于120m，Q较大，管路较长较大，管路较长也须在水轮机进口前设置。也须在水轮机进口前设置。（2）阀门类型）阀门类型平板阀平板阀(闸阀闸阀)：常用于直径较小的压力钢管。：常用于直径较小的压力钢管。蝴蝶阀：蝴蝶阀：适用适用H100m高水头高水头水电站。水电站。目前最大球阀直径为目前最大球阀直径为3.4m，最大水头达，最大水头达85

7、0m，最大重量超过最大重量超过100t。2、附件、附件(1)伸缩节伸缩节由钢板焊接而成。由钢板焊接而成。功用功用为消除温度应力，为消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷，且适应少量的不均匀沉陷，常常位于位于在上镇墩的下游侧第在上镇墩的下游侧第一节管的横向接缝处一节管的横向接缝处。作为阀门附件，位于作为阀门附件，位于阀门上游侧或下游侧，阀门上游侧或下游侧，便于便于进水阀的安装和拆卸，也可用于补偿坝体和厂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。房砼不均匀沉降或钢管的伸缩变形。(a)套筒式伸缩节套筒式伸缩节(2)通气孔和通气阀：通气孔和通气阀：位于位于进口闸门之后的钢管

8、顶部。进口闸门之后的钢管顶部。(3)进人孔：进人孔：设置在镇墩上设置在镇墩上游侧，水平轴线下方游侧，水平轴线下方45处，为处，为直径直径 45cm圆孔或圆孔或 45cm50cm的椭圆孔，间距的椭圆孔，间距 150m。(4)排水管及排水阀：设置在排水管及排水阀：设置在在压力钢管的在压力钢管的最低点最低点。(5)旁通阀：旁通阀：进水阀前后的钢管用进水阀前后的钢管用旁通管旁通管连通。连通。(6)钢管的保护装置：钢管的保护装置：钢管上安装的测量压力、流钢管上安装的测量压力、流量和管壁应力等。量和管壁应力等。(7)防腐蚀措施：防腐蚀措施：金属热喷涂、涂料保护、电化金属热喷涂、涂料保护、电化学保护与涂料联

9、合等。学保护与涂料联合等。防腐措施防腐措施应在应在钢管安装完钢管安装完毕，焊缝探伤合格后，并除锈达到规定的清洁度毕，焊缝探伤合格后，并除锈达到规定的清洁度和粗糙度后和粗糙度后进行。进行。另：另：安装完毕后钢管安装完毕后钢管椭圆度椭圆度不得大于不得大于5D/1000，且且 40mm。椭圆度椭圆度：管道剖面上相互垂直的两个直径之差。：管道剖面上相互垂直的两个直径之差。现场至少测量现场至少测量2组。组。三、明钢管的敷设方式三、明钢管的敷设方式1、连续式：、连续式：两镇墩间管身不设伸缩节，少用。两镇墩间管身不设伸缩节，少用。2、分段式：、分段式：两镇墩之间设置伸缩节。两镇墩之间设置伸缩节。3、不设镇墩

10、：、不设镇墩：管道纵坡较缓且管道长度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。，可不加镇墩，管段中部设伸缩节。四、明钢管的支承结构四、明钢管的支承结构1、镇墩及其构造、镇墩及其构造(1)功用功用：相当于：相当于固定端固定端，水管在此处水管在此处不产生任何位移不产生任何位移。(2)布置布置：管道空间转弯处、：管道空间转弯处、渐变处或管道直线段距离超过渐变处或管道直线段距离超过150m。镇墩镇墩支墩支墩(3)类型：类型：封封闭式、开敞式。闭式、开敞式。(4)尺寸拟定尺寸拟定镇墩为重力式结构。镇墩为重力式结构。镇墩底面镇墩底面：软基上水平，岩基上呈台阶状。：软基上水平，岩基上呈

11、台阶状。镇墩尺寸镇墩尺寸：将钢管的转弯段完全包住将钢管的转弯段完全包住。镇墩上。镇墩上游面垂直管轴，管道外包砼厚度游面垂直管轴，管道外包砼厚度 管径的管径的0.81.0倍。倍。管道底距地面管道底距地面 0.6m。镇墩埋深：镇墩埋深：软基上应埋入冰冻线以下软基上应埋入冰冻线以下1m，对岩，对岩基埋入地基基埋入地基 0.5m。地震区应加大地震区应加大埋深，并适当加大埋深，并适当加大基础面，同时减小基础面，同时减小镇墩间距。镇墩间距。镇墩尺寸规划好后，应按照镇墩尺寸规划好后，应按照土力学土力学中抗滑、中抗滑、抗倾覆及地基承载力公式校核。抗倾覆及地基承载力公式校核。抗滑稳定验算公式抗滑稳定验算公式地基

12、承载力验算公式地基承载力验算公式(5)镇墩施工镇墩施工分两期施工。砼不低于分两期施工。砼不低于C15。先浇筑镇墩的一期砼基座先浇筑镇墩的一期砼基座(地面以下部分地面以下部分)；安装镇墩处的弯管段，就位后予以固定。向上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。管外环向钢筋。浇筑镇墩二期砼浇筑镇墩二期砼(地面以上部分地面以上部分)。后在砼表面涂敷密闭材料。后在砼表面涂敷密闭材料。镇墩镇墩支墩支墩2、支墩（支座）及其构造、支墩（支座）及其构造(1)功用功用：相当于相当于定向支座定向支座，允许水管在支，

13、允许水管在支墩处墩处沿轴向自由移动沿轴向自由移动。(2)布置布置：间距：间距L取取612m；当；当D特别大时，特别大时，L取取3m。两镇墩间的支墩应等间距布置，设伸缩节的一。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。跨间距应缩短。(3)支墩尺寸拟定支墩尺寸拟定砼不低于砼不低于C15。底面及埋深要求同镇墩。底面及埋深要求同镇墩。支墩尺寸规划好后，也应按照支墩尺寸规划好后，也应按照土力学土力学中抗中抗滑、抗倾覆及地基承载力公式校核。滑、抗倾覆及地基承载力公式校核。(4)支墩支承结构类型支墩支承结构类型：滑动式、滚动式、摆动式。：滑动式、滚动式、摆动式。无支承环鞍形支座无支承环鞍形支座有

14、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有支承环的平面滑动支座滚动式支座滚动式支座摆动式支座摆动式支座滑动式支墩滑动式支墩a.无支承环鞍形支墩无支承环鞍形支墩：将钢管直接支承在一个：将钢管直接支承在一个鞍形的砼支座上，包角在鞍形的砼支座上，包角在90135之间。之间。适用于管径适用于管径D1m的钢管。的钢管。为减少为减少f，管径小管径小的可在支墩砼顶面铺的可在支墩砼顶面铺设设石墨、石棉或油毡石墨、石棉或油毡等材料；等材料；管径大管径大的可的可在支墩砼顶面装设用在支墩砼顶面装设用锚筋与支墩相固定锚筋与支墩相固定钢钢板板，并涂，并涂润滑剂润滑剂。b、有支承环鞍、有支承环鞍形支座形支座钢

15、管通过支承环钢管通过支承环安放在鞍形支座上。安放在鞍形支座上。适用于管径适用于管径D2m的钢管。的钢管。摆动式支座摆动式支座：在支承环与墩座之间设一摆动：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。承环的上托板接触。常用于管径常用于管径D2m的钢管。的钢管。(5)支墩施工支墩施工应注意在浇筑时预应注意在浇筑时预留支墩环底座的地脚螺留支墩环底座的地脚螺栓孔。栓孔。当支墩体积较小时，当支墩体积较小时，可事先预制，然后进行可事先预制，然后进行埋设。埋设。五、管道高程五、管道高程1、上限：、上限：保证管内在运行情况

16、下不出现负压，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钢管顶部至少在最低压力线以下2m。2、下限：、下限：钢管底与地面净距不得小于钢管底与地面净距不得小于0.6m。距地面距地面 60cm3.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定压力管道的水力计算与尺寸拟定一、压力管道的水力计算一、压力管道的水力计算1、恒定流计算、恒定流计算：确定管道的直径和水头损失。：确定管道的直径和水头损失。2、非恒定流计算、非恒定流计算确定压力管道荷载和管线确定压力管道荷载和管线(最高压力线和最低最高压力线和最低压力线压力线)，即水锤计算，在本书，即水锤计算，在本书第四章第四章详细叙述。详细叙述。二、压力管

17、道直径二、压力管道直径D选择选择前提：前提：确定确定供水方式供水方式确定每条管道的确定每条管道的Q选选择择D。计算方法计算方法：我国目前尚无统一规定。我国目前尚无统一规定。我国较多的采用我国较多的采用彭德舒公式彭德舒公式。随水头随水头H增加，增加，D可逐渐缩可逐渐缩小，但变径次数不宜过多，通小，但变径次数不宜过多，通常在镇墩处变径并设渐变段常在镇墩处变径并设渐变段。1、经验直径法、经验直径法2、经济流速法、经济流速法对于不重要的工程或缺对于不重要的工程或缺乏可靠的技术经济资料时，乏可靠的技术经济资料时，或在可研和初设阶段采用。或在可研和初设阶段采用。Qd设计流量，等于电站最大引用流量设计流量，

18、等于电站最大引用流量(m3/s)。Ve压力管道的经济流速压力管道的经济流速(m/s)，地下埋管和明，地下埋管和明管为管为46m/s；钢筋砼管为；钢筋砼管为24m/s；坝内埋管设计水；坝内埋管设计水头在头在3070m时为时为36m/s，70100m时为时为57m/s；不不衬砌隧洞一般衬砌隧洞一般2.5m/s。三、明钢管管壁厚度的拟定三、明钢管管壁厚度的拟定计算公式为计算公式为锅炉公式：锅炉公式：w1000kg/m3。g10N/kg。H内水压力（静水动水），内水压力（静水动水），m。初步估算时。初步估算时水锤压力取静水头的水锤压力取静水头的15%30%，高水头电站取小值，高水头电站取小值，低水头电

19、站取大值。低水头电站取大值。焊缝系数，一般取为焊缝系数，一般取为0.9(单面对接焊单面对接焊)0.95(双面对接焊双面对接焊)。D管道内管道内直径，直径，m。钢管设钢管设计允许应力，计允许应力，kPa。计算代入时应降计算代入时应降低低15%20%。允用应力取值允用应力取值情况见右表。情况见右表。另应用此公式估算管壁厚度时另应用此公式估算管壁厚度时应注意：应注意：1、考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，误差，t实际实际=t计算计算+2mm（锈蚀厚度）。（锈蚀厚度）。2、考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的

20、刚度，因而需要限制管壁的最小厚度一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度tmin。tmin一般取一般取D/800+4(mm)，且且不小于下表数值。不小于下表数值。钢管外径（管外径（mmmm） 8704mm，应将较厚板的接口处，应将较厚板的接口处刨成刨成1:3的坡度。的坡度。关于钢管焊接内容，详见压力钢管相关规范。关于钢管焊接内容，详见压力钢管相关规范。例题例题8.2mm，取整，取整10mm。3.53.5明钢管结构分析明钢管结构分析一、作用在钢管上的荷载及荷载组合一、作用在钢管上的荷载及荷载组合1、作用在钢管上荷载、作用在钢管上荷载(1)按作用方向分按作用方向分(见图见图3-24及表及表3-3)径

21、向力径向力：半径方向分布，如内水压力。：半径方向分布，如内水压力。轴向力轴向力：管道轴线方向分布，如摩擦力等。：管道轴线方向分布，如摩擦力等。法向力法向力：铅直面内垂直于管轴线方向如管重：铅直面内垂直于管轴线方向如管重的在该方向上的分力。的在该方向上的分力。表中表中水压试验水压试验内内水压力，其值通水压力，其值通常为设计水头的常为设计水头的1.21.3倍。倍。2、计算工况与荷载组合、计算工况与荷载组合（见表（见表3-4）(1)基本荷载组合基本荷载组合正常运行工况一：正常运行工况一：(2)+2+3+5+6+7。正常运行工况二：正常运行工况二：(1)+2+3+5+6+7+8或或9。放空情况：放空情

22、况：12+2。(2)特殊荷载组合特殊荷载组合特殊运行工况：特殊运行工况：(3)+2+3+5+6+7。水压试验情况：水压试验情况：(4)+2+3+6。施工情况：施工情况：2+5+8或或9+10。充水情况：充水情况：2+4。地震情况：地震情况：(1)+2+3+5+6+7+11。二、管身应力分析二、管身应力分析方法：方法：弹性力学法、弹性力学法、结构力学法结构力学法。管身应力分析的断面有四个：管身应力分析的断面有四个：每个断面上分别按书上给出的公式求每个断面上分别按书上给出的公式求环向应力、环向应力、径向应力、轴向应力及剪应力径向应力、轴向应力及剪应力。三、强度校核三、强度校核目前多采用第四强度理论

23、平面分析校核目前多采用第四强度理论平面分析校核：若此式不满足，则应适当增大管壁厚度，再若此式不满足，则应适当增大管壁厚度，再重新验算。重新验算。四、明钢管抗外压稳定分析四、明钢管抗外压稳定分析1 1、明钢管外压失稳的原因及失稳现象、明钢管外压失稳的原因及失稳现象(1)(1)管道放空时通气孔失灵，管道内产生真空。管道放空时通气孔失灵，管道内产生真空。(2)(2)机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压。而使管道内产生负压。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。压力下

24、可能丧失稳定，管壁被压瘪。因此，必须根据钢管处于真空状因此，必须根据钢管处于真空状态时不致产生不稳定变形的条件态时不致产生不稳定变形的条件来校核管壁厚度或采取措施。来校核管壁厚度或采取措施。2、光滑管段的外压稳定分析、光滑管段的外压稳定分析(1)稳定性验算稳定性验算：钢管能够抵抗外压临界压力：钢管能够抵抗外压临界压力Pcr为为：s为钢材的泊松比。为钢材的泊松比。为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数K，明钢管可取，明钢管可取K=2.0(2)改善措施改善措施：若验算后光滑管不能满足抗外压：若验算后光滑管不能满足抗外压失稳条件，则可采用如下措施：失稳条件，则可采用如下措施：增加管壁厚

25、度、减小管道直径、提高钢材等增加管壁厚度、减小管道直径、提高钢材等级，原理从公式出发；级，原理从公式出发；设置加劲环。设置加劲环。若采用若采用增加管壁的厚度增加管壁的厚度方法致使方法致使管壁较厚管壁较厚，加，加工困难。则工困难。则可在管壁上增加加劲环，以可在管壁上增加加劲环，以提高管壁刚提高管壁刚度度，从而提高管壁的抗外压稳定性。，从而提高管壁的抗外压稳定性。3、加劲钢管的外压稳定、加劲钢管的外压稳定本知识点的实质：本知识点的实质：将加劲环断面及加劲环之间将加劲环断面及加劲环之间管壁断面需同时满足外压稳定作为已知条件，求加管壁断面需同时满足外压稳定作为已知条件，求加劲环的间距及断面尺寸。劲环的

26、间距及断面尺寸。(1)加劲环断面的加劲环断面的外压稳定外压稳定加劲环处管壁变加劲环处管壁变形的有效尺寸为形的有效尺寸为：加劲环断面的外压稳定计算公式加劲环断面的外压稳定计算公式：计算断面用：计算断面用加劲环的有效断面。加劲环的有效断面。以下两公式算得结果取小值以下两公式算得结果取小值。式中式中：JR计算断面对自身中和轴的惯性矩；计算断面对自身中和轴的惯性矩；Rk加劲环有效断面中心半径；加劲环有效断面中心半径；K安全系数，取安全系数，取K=2.0；l 加劲环的间距；加劲环的间距；Ae加劲环有效截面面积。加劲环有效截面面积。(2)加劲环之间的管壁外压稳定性加劲环之间的管壁外压稳定性两个加劲环的中间

27、光滑部分的临界外压力为：两个加劲环的中间光滑部分的临界外压力为：式中：式中：n相相应于最小于最小临界界压力的屈曲波数，力的屈曲波数，L为加加劲环间距。距。计算算过程程：首先求出屈曲波数：首先求出屈曲波数n，并四舍五入，并四舍五入取整，然后用取整，然后用n，n-1，n+1三个数分三个数分别带入上面的入上面的公式中，求出的最小公式中，求出的最小值就是就是临界荷界荷载。Pcr也可以用查图表的方法求得，见图也可以用查图表的方法求得，见图3-34。 五、五、明钢管的设计步骤明钢管的设计步骤1、线路选择线路选择：选择几个方案，进行技术经济：选择几个方案，进行技术经济比较。比较。2、选择压力钢管的供水方式选

28、择压力钢管的供水方式。3、管径确定、管径确定4、管道布置及附件设计管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、阀门。节、进人孔、阀门。5、水力计算水力计算(1)恒定流恒定流：确定钢管在不同流量下的：确定钢管在不同流量下的h损损。(2)非恒定流非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。的水击压力。6、压力钢管结构设计、压力钢管结构设计(1)初步拟定管壁厚度初步拟定管壁厚度t；(2)根据根据t用用光滑管外压稳定计算公式光滑管外压稳定计算公式进行外压稳进行外压稳定校核，定校核，如如果果不不稳定设置稳定设置加劲环加劲环(也可用支承环代替也可用

29、支承环代替)，并，并选定其间距选定其间距；(3)根据加劲环根据加劲环抗外压稳定抗外压稳定和和横断面压应力小于横断面压应力小于允许值允许值的要求，的要求，确定加劲环的尺寸确定加劲环的尺寸；(4)进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到厚度或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到满足要求。满足要求。7、校核镇墩的稳定及地基应力。校核镇墩的稳定及地基应力。六、地面压力钢管施工安装简述六、地面压力钢管施工安装简述1、施工准备工作、施工准备工作(1)在工厂内将钢管制作成管段在工厂内将钢管制作成管段(直、弯直、弯)，并在相，并

30、在相应直管段上附着刚性环、支承环和伸缩节端头。应直管段上附着刚性环、支承环和伸缩节端头。管段长度一般为管段长度一般为6-8m，管段内架立，管段内架立临时支撑临时支撑。(2)清理平整敷设管道的地基坡面，测量管线，清理平整敷设管道的地基坡面，测量管线，并按设计标出镇墩和中间支墩的位置及高程。并按设计标出镇墩和中间支墩的位置及高程。(3)在管道旁或两侧铺设轻便轨道，在顶部位置在管道旁或两侧铺设轻便轨道，在顶部位置设卷扬机，以便用平台车运送安装的管段。设卷扬机，以便用平台车运送安装的管段。2、施工安装程序、施工安装程序(1)先浇筑上、下镇先浇筑上、下镇墩的一期砼墩的一期砼(地面以下部地面以下部分分)；

31、然后安装镇墩处的然后安装镇墩处的弯管段，待就位后予以弯管段，待就位后予以固定并浇筑镇墩二期砼固定并浇筑镇墩二期砼(地面以上部分地面以上部分)。(2)浇筑中间砼支墩。浇筑中间砼支墩。应注意在浇筑时预应注意在浇筑时预留支墩环底座的地脚螺留支墩环底座的地脚螺栓孔。栓孔。当支墩体积较小时，当支墩体积较小时，可事先预制，然后进行可事先预制，然后进行埋设。埋设。(3)架设管道的临时架设管道的临时支架或管床，然后自下支架或管床，然后自下而上地进行各直管段的而上地进行各直管段的吊装、就位与焊接。吊装、就位与焊接。当管壁厚度当管壁厚度20mm时，应采用时，应采用X型坡口两面型坡口两面对焊，并及时检查焊缝对焊，并

32、及时检查焊缝质量。质量。(4)最后安装具有伸缩节的管段。最后安装具有伸缩节的管段。安装时可用伸缩节进行管道的结合与调整，调整安装时可用伸缩节进行管道的结合与调整，调整就位后与上、下管段相焊接。就位后与上、下管段相焊接。(5)在钢管安装完工后，拆去内部与外部支撑并在钢管安装完工后，拆去内部与外部支撑并清扫管内外，尤其要注意清除内壁上附着物使管壁保清扫管内外，尤其要注意清除内壁上附着物使管壁保持光滑，以减小水力损失。持光滑，以减小水力损失。为防止管壁锈蚀，在管的内壁和外壁进行防腐处为防止管壁锈蚀，在管的内壁和外壁进行防腐处理。理。3.6 3.6 岔管岔管用以分配水流。在管道需分岔的部位设置。用以分

33、配水流。在管道需分岔的部位设置。一、分岔管的布置形式一、分岔管的布置形式(1)卜形布置卜形布置。即书上的非对称。即书上的非对称Y型布置。用于型布置。用于主管中分出一支较小的岔管，或两条支管的轴线因主管中分出一支较小的岔管，或两条支管的轴线因故不能作对称布置。多用于故不能作对称布置。多用于纵向和斜向引近纵向和斜向引近的厂房。的厂房。卜形布置卜形布置(2)对称对称Y形布置形布置。用于主管分成二个相同的支。用于主管分成二个相同的支管，如一管二机。管，如一管二机。(3)三岔形布置三岔形布置。用于主管直接分成三个相同的。用于主管直接分成三个相同的支管。支管。若机组台数较多时，可采用若机组台数较多时，可采

34、用Y形形卜形卜形或或Y形形三岔形三岔形组合布置。组合布置。对称对称Y形布置形布置三岔形布置三岔形布置二、岔管的结构形式二、岔管的结构形式1、三梁岔管、三梁岔管在主、支管相贯线上设置在主、支管相贯线上设置两根腰梁和一根两根腰梁和一根U梁梁。布置布置：典型布置为：典型布置为Y形、卜形和三岔形。形、卜形和三岔形。应用应用：内压较高、流量不大的明管道。：内压较高、流量不大的明管道。2、贴边式岔管、贴边式岔管定义定义：在主、支管的相贯线处管道外壁或内壁，：在主、支管的相贯线处管道外壁或内壁，或内外壁设置与管壳紧密贴合的补强板而成。补强或内外壁设置与管壳紧密贴合的补强板而成。补强板与管壁焊固形成一个整体。

35、板与管壁焊固形成一个整体。布置布置：典型布置为卜形。：典型布置为卜形。应用应用：中、低水头卜型布置的管道。：中、低水头卜型布置的管道。3、球形岔管、球形岔管定义定义：通过球面壳体进行分岔，沿圆柱形主、：通过球面壳体进行分岔，沿圆柱形主、支管与球壳交接处的相贯线，设置圆环形加强梁。支管与球壳交接处的相贯线，设置圆环形加强梁。球壳内设导流板。球壳内设导流板。布置布置：典型布置：典型布置为为Y形和三岔形。形和三岔形。应用应用：高水头电：高水头电站。国外采用比较多站。国外采用比较多的一种成熟管型，目的一种成熟管型，目前国内应用尚少。前国内应用尚少。4、(内加强内加强)月牙肋岔管月牙肋岔管定义定义：并沿

36、支锥的相贯线，内插一月牙状的肋：并沿支锥的相贯线，内插一月牙状的肋板，焊接在管壁上作为加强构件。板，焊接在管壁上作为加强构件。布置布置：典型布置为：典型布置为Y形、卜形两种。形、卜形两种。应用应用：大中型电站。：大中型电站。5、无梁岔管、无梁岔管定义定义：用主管和支管逐渐扩大的锥壳与中心的：用主管和支管逐渐扩大的锥壳与中心的球壳比较连续、平顺地联接，不设置任何加固梁。球壳比较连续、平顺地联接，不设置任何加固梁。布置布置：典型布置为：典型布置为Y形、卜形、三分岔形。形、卜形、三分岔形。应用应用：是一种有发：是一种有发展前途的管型，能发挥展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。与围岩共同受力的优

37、点。适用于大中型电站的地适用于大中型电站的地下埋管，国内应用较少下埋管，国内应用较少。6、隔壁岔管、隔壁岔管定义定义：由扩散段、隔壁段、变形段组成，各级：由扩散段、隔壁段、变形段组成，各级皆为完整的封闭壳体，除隔壁外无其他加强构件。皆为完整的封闭壳体，除隔壁外无其他加强构件。应用应用：隔壁岔管是国外新发展起来的适应性强、：隔壁岔管是国外新发展起来的适应性强、流态较优、受力条件较好而不需特大锻件的岔管，流态较优、受力条件较好而不需特大锻件的岔管，但我国尚无实践。但我国尚无实践。三、岔管的材料三、岔管的材料1、钢岔管、钢岔管：一般明：一般明钢岔管外包砼镇墩钢岔管外包砼镇墩，地下岔，地下岔管按明岔管

38、设计。设计时只考虑钢板承担内水压力。管按明岔管设计。设计时只考虑钢板承担内水压力。2、地下埋藏式钢筋砼岔管、地下埋藏式钢筋砼岔管岔管是与围岩结合成整体的钢筋砼结构。岔管是与围岩结合成整体的钢筋砼结构。钢筋砼岔管工作时允许开裂，故一般围岩固结钢筋砼岔管工作时允许开裂，故一般围岩固结灌浆要求较高，以防渗。灌浆要求较高，以防渗。3、钢衬钢筋砼岔管、钢衬钢筋砼岔管钢岔管外包钢筋砼。钢岔管外包钢筋砼。可节省钢板用量，结构安全性也比明钢岔管高。可节省钢板用量，结构安全性也比明钢岔管高。国外已经开始运用，但我国尚无实例，也还缺乏成国外已经开始运用，但我国尚无实例，也还缺乏成熟的设计计算方法。熟的设计计算方法

39、。4.7 压力隧洞及隧洞式钢管压力隧洞及隧洞式钢管一、水电站压力隧洞的工作特点一、水电站压力隧洞的工作特点1、有压隧洞的衬砌形式、有压隧洞的衬砌形式压力引水隧洞：压力引水隧洞：单层或双层钢筋砼衬砌。单层或双层钢筋砼衬砌。高压引水隧洞：高压引水隧洞：常采用埋置钢管衬砌，称为常采用埋置钢管衬砌，称为地下埋管或隧洞式钢管。地下埋管或隧洞式钢管。有压隧有压隧洞较长洞较长时可在时可在靠近厂靠近厂房处设房处设调压井调压井压力引水隧洞压力引水隧洞i=1-2高压引水隧洞高压引水隧洞调压室或调压室或调压井调压井地下埋管施地下埋管施工中工中2、地下埋管的性质、地下埋管的性质：钢衬与岩体钢衬与岩体之间用砼回之间用砼

40、回填后填后共同受力的组合结构共同受力的组合结构。但回填的砼只传力但回填的砼只传力。若想利用围岩承担内水压力，一般若想利用围岩承担内水压力，一般完整完整岩层覆岩层覆盖层的厚度应超过三倍开挖洞径。盖层的厚度应超过三倍开挖洞径。3、地下埋管施工过程、地下埋管施工过程：开挖岩洞：开挖岩洞安装钢管安装钢管回填岩石与钢管间砼回填岩石与钢管间砼各种灌浆。各种灌浆。4、地下埋管的工作特点、地下埋管的工作特点与明管相比与明管相比：布置灵活方便、减小钢衬厚度、布置灵活方便、减小钢衬厚度、运行安全。但运行安全。但工序多工序多，工艺要求高，施工条件较差，工艺要求高，施工条件较差，且且外压稳定问题突出外压稳定问题突出。

41、二、地下埋管二、地下埋管(隧洞式钢管隧洞式钢管)的布置形式的布置形式1、竖井式钢管、竖井式钢管：常用于首部式开发的地下电站，：常用于首部式开发的地下电站，竖井的开挖、钢管的安装、砼的回填，一般都竖井的开挖、钢管的安装、砼的回填，一般都自下自下而上而上进行。进行。竖井开挖方法竖井开挖方法：自下而上开挖导洞，然后自上：自下而上开挖导洞，然后自上而下进行全断面开挖。而下进行全断面开挖。2、斜井、斜井：适用于地面和地下厂房，：适用于地面和地下厂房，应用最多应用最多。为了施工出渣方便，为了施工出渣方便，倾角倾角45自下而上自下而上开挖；开挖；倾角倾角 35自上而下自上而下开挖开挖。3、平洞、平洞：作为过

42、渡段使用。：作为过渡段使用。三、地下埋管的结构三、地下埋管的结构地下埋管相当于多层衬砌的隧洞地下埋管相当于多层衬砌的隧洞。钢衬作用钢衬作用：承担部分水压力和防渗。：承担部分水压力和防渗。回填砼作用回填砼作用：传递力。：传递力。四、地下埋管的施工简述四、地下埋管的施工简述1、主洞开挖、主洞开挖尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持圆形孔口，减少爆破松动影响。圆形孔口，减少爆破松动影响。先先开挖导洞开挖导洞，然后，然后扩大导洞断面，扩大导洞断面，开挖方向如开挖方向如前。施工时应在前。施工时应在不同高程开挖水平施工支洞不同高程开挖水平施工支洞，作为，作为出渣

43、、钢衬的运输安装和回填砼之用出渣、钢衬的运输安装和回填砼之用。开挖过程中包括：开挖过程中包括：放线、打眼、装药、放炮、放线、打眼、装药、放炮、排烟、清除危岩、喷锚支护等。排烟、清除危岩、喷锚支护等。TBM掘进机工作过各示意图掘进机工作过各示意图TBM刀盘部分刀盘部分全长全长100多米，钻头多米，钻头直径直径8米多，隧洞的衬砌，米多，隧洞的衬砌，支护可一气呵成支护可一气呵成 。2、钢衬的制作与安装、钢衬的制作与安装钢衬在工厂钢衬在工厂焊制成一定焊制成一定长度的管节长度的管节后，由平台后，由平台车运至洞口。车运至洞口。倾斜式的管道，从进口到管段就位处一般采用倾斜式的管道，从进口到管段就位处一般采用

44、单轮小车沿预先设置的轨道上滑行，并用卷扬机控单轮小车沿预先设置的轨道上滑行，并用卷扬机控制其下滑就位。制其下滑就位。测量定位后用锚环固定，然后卸去小车。测量定位后用锚环固定，然后卸去小车。整个管道拼装焊接可自下而上进行，并及时调整个管道拼装焊接可自下而上进行，并及时调整钢管的椭圆度整钢管的椭圆度 5D0，并检查焊缝质量。，并检查焊缝质量。钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸：钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸：需在管外焊接作业时需在管外焊接作业时：钢管两侧及顶部至少留：钢管两侧及顶部至少留0.5m，底部至少留，底部至少留0.6m或更大。加劲环距岩壁应至或更大。加劲环距岩壁应至少留少留0.3m。应尽量

45、避免现场管外焊接，减少加劲环高度，应尽量避免现场管外焊接，减少加劲环高度，以节省开挖和回填砼量。以节省开挖和回填砼量。 0.5m0.6m0.3m3、回填砼、回填砼一般采用砼泵浇筑。一般采用砼泵浇筑。回填砼分层浇筑。当回填砼分层浇筑。当需加快施工进度时，可在需加快施工进度时，可在管内架设临时支撑。管内架设临时支撑。回填砼回填砼标号一般在标号一般在C15C25之间。之间。为振捣方便，砼浇筑为振捣方便，砼浇筑可在安装好几段钢管后交可在安装好几段钢管后交叉进行。叉进行。地下埋管的灌浆地下埋管的灌浆顶拱回填灌浆顶拱回填灌浆：平洞、斜井因顶拱处很不容：平洞、斜井因顶拱处很不容易浇筑好需进行。应在砼浇筑易浇

46、筑好需进行。应在砼浇筑14天后进行。天后进行。固结灌浆固结灌浆：基岩破碎时选用。基岩破碎时选用。在回填灌浆在回填灌浆7-14天之后进行。天之后进行。接缝灌浆：接缝灌浆：在固结灌浆后在固结灌浆后14天后进行。天后进行。1、基本、基本工作原理工作原理r1五、地下埋管承受内水压力时的强度计算五、地下埋管承受内水压力时的强度计算2、计算内容、计算内容(1)在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力；钢衬环向拉应力的计算公式钢衬环向拉应力的计算公式：(2)在已知钢衬允许应力的情况下求钢衬厚度。在已知钢衬允许应力的情况下求钢衬厚度。给定允许应力和焊缝系数的情况下，求给定允许应力和焊缝

47、系数的情况下，求管壁厚度管壁厚度的计算公式：的计算公式：除公式不同外，除公式不同外，计算结果处理同计算结果处理同明钢管。明钢管。r1管道内直径管道内直径EEs/(1-s2)钢材的钢材的P内水压力内水压力六、影响钢衬应力因素的分析六、影响钢衬应力因素的分析1、围岩的单位抗力系数、围岩的单位抗力系数K0。半径为半径为100cm的孔口，受均匀内压时，孔周发的孔口，受均匀内压时，孔周发生生1cm的径向位移时的均匀内压值。可由工程经验的径向位移时的均匀内压值。可由工程经验或试验的方法得出：或试验的方法得出：K0=Ed/100(1+d)应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量，应该尽量改善围岩的质量，提高其

48、弹性模量，途径为途径为灌浆灌浆。是否需要需论证。是否需要需论证。Ed与与d为围岩的弹模和泊为围岩的弹模和泊松比，可由试验得出，无论松比，可由试验得出，无论是室内还是现场试验都应注是室内还是现场试验都应注意试验结果的局限性。意试验结果的局限性。r12、初始缝隙、初始缝隙。对应力影响大，但不易确定。对应力影响大，但不易确定。(1)施工缝隙施工缝隙0：砼浇筑或接缝灌浆完工后，温：砼浇筑或接缝灌浆完工后，温度恢复正常时，钢衬与砼衬圈及砼与围岩间的间隙度恢复正常时，钢衬与砼衬圈及砼与围岩间的间隙总和。由砼的收缩和施工质量不良造成。总和。由砼的收缩和施工质量不良造成。若施工处理较好，可取若施工处理较好，可

49、取00.2mm。r1减小施工缝隙的措施减小施工缝隙的措施浇筑砼的水化热消散后在低温时进行接缝灌浆。浇筑砼的水化热消散后在低温时进行接缝灌浆。在砼浇筑时降低入仓温度和对钢衬进行冷却，在砼浇筑时降低入仓温度和对钢衬进行冷却，如喷洒冷水。如喷洒冷水。采用膨胀砼回填。此法有时可不进行接缝灌浆。采用膨胀砼回填。此法有时可不进行接缝灌浆。采用预埋骨料压浆砼。采用预埋骨料压浆砼。r1（2）钢衬冷缩缝隙钢衬冷缩缝隙S（温差缝隙温差缝隙）：）：其值取决其值取决于钢衬竣工时温度于钢衬竣工时温度(竣工时洞内气温或接缝灌浆时洞竣工时洞内气温或接缝灌浆时洞内最高温度内最高温度)与运行时温度与运行时温度(水温水温)之差之

50、差ts。其为非定值，冬季最大。其为非定值，冬季最大。S=stsr1(1+s)s钢材膨胀系数；钢材膨胀系数；s钢材泊松比。钢材泊松比。r1(3)围岩冷缩缝隙围岩冷缩缝隙R ：管道投入运行后，水温低管道投入运行后，水温低管道投入运行后，水温低管道投入运行后，水温低于围岩原始温度，围岩降温冷缩形成的缝隙。于围岩原始温度，围岩降温冷缩形成的缝隙。于围岩原始温度，围岩降温冷缩形成的缝隙。于围岩原始温度，围岩降温冷缩形成的缝隙。R=dtRr1R围岩完整区收缩使缝隙减小，围岩破碎区收缩围岩完整区收缩使缝隙减小，围岩破碎区收缩使缝隙增加使缝隙增加。r1d围岩膨胀系数；围岩膨胀系数；tR围岩温差。围岩温差。R围

51、岩破碎区影响字数，围岩破碎区影响字数，可由规范查得。可由规范查得。(4)围岩塑性压缩缝隙围岩塑性压缩缝隙p：岩体的残余变形。：岩体的残余变形。难于确定，一般可用适当降低围岩抗力系数难于确定，一般可用适当降低围岩抗力系数K0值的方法加以考虑。值的方法加以考虑。计算时初始缝隙计算时初始缝隙的取值的取值：= 0+S+R=(3.54.3)10-4r1。围岩围岩六六、围岩承载能力、围岩承载能力即选择管外所覆盖围岩的厚度。即选择管外所覆盖围岩的厚度。1、最小覆盖厚度方法、最小覆盖厚度方法。埋管顶部基岩净厚度埋管顶部基岩净厚度H不得小于管道砼不得小于管道砼衬圈外直径三倍衬圈外直径三倍 H6r3工程上应用较多

52、，工程上应用较多，但不合理，势必被淘汰。但不合理，势必被淘汰。2、抗上抬方法、抗上抬方法。上覆岩体的重量上覆岩体的重量内水压产生的上抬力。内水压产生的上抬力。 qdHcos此方法是偏于安全的。此方法是偏于安全的。当当60，其不适用。可用考虑围岩摩擦力的，其不适用。可用考虑围岩摩擦力的侧推平衡原则分析围岩水平覆盖厚度的要求，即水侧推平衡原则分析围岩水平覆盖厚度的要求，即水平覆盖厚度应大于垂直覆盖厚度平覆盖厚度应大于垂直覆盖厚度。d岩石的容重岩石的容重3、数值分析方法、数值分析方法七、地下埋管的外压荷载七、地下埋管的外压荷载 1 1、外压荷载、外压荷载(1)地下水压力地下水压力，可根据勘测资料选定

53、。，可根据勘测资料选定。(2)钢衬与砼之间钢衬与砼之间接缝灌浆压力接缝灌浆压力。计算时接缝灌。计算时接缝灌浆压力一般为浆压力一般为0.2MPa。(3)回填砼时流态砼的压力。回填砼时流态砼的压力。即施工期一次浇筑的液态砼的自重，最大可能即施工期一次浇筑的液态砼的自重，最大可能值等于砼容重乘以一次浇筑高度：值等于砼容重乘以一次浇筑高度：两种失稳模式两种失稳模式 (a) n个屈曲波个屈曲波 (b)三个半波三个半波2、埋管钢衬在外压下失稳的特征、埋管钢衬在外压下失稳的特征外压外压钢衬屈曲钢衬屈曲钢衬变形达到钢衬变形达到0外压继续外压继续增加增加钢衬发生更多波形的屈曲钢衬发生更多波形的屈曲钢衬应力值钢衬

54、应力值钢钢衬应力达到材料屈服值衬应力达到材料屈服值失稳。失稳。此形式较符此形式较符合实际情况，合实际情况，较常见较常见钢衬的屈曲失稳形式可以是整体的或局部的钢衬的屈曲失稳形式可以是整体的或局部的3、防止埋管钢衬受外压失稳的措施、防止埋管钢衬受外压失稳的措施(1)降低地下水水压力降低地下水水压力。地下水位较高地区，可在管周打排水洞地下水位较高地区，可在管周打排水洞(效果好效果好)、设排水管、设排水管(易堵塞易堵塞)，也可，也可采用环向、纵向排水暗采用环向、纵向排水暗管。管。(2)精心施工，精心施工，做好钢衬与砼之间的接缝灌浆做好钢衬与砼之间的接缝灌浆，减小缝隙。减小缝隙。(3)设加劲环设加劲环的

55、方法来提高稳定性和在运输和施的方法来提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。工时增加钢衬的刚度。(4)用用临时支撑解决临时支撑解决或或限制一次浇筑限制一次浇筑砼砼高度高度。(5)采用采用夹膜式钢筋砼管道夹膜式钢筋砼管道(即在二层钢筋砼中即在二层钢筋砼中夹薄钢板夹薄钢板)，不仅抵抗外压的能力大大增强，而且具，不仅抵抗外压的能力大大增强，而且具有明显的经济效益。有明显的经济效益。八、地下埋管的改进途径和措施八、地下埋管的改进途径和措施1、采用高强度钢材、采用高强度钢材：可降低钢衬：可降低钢衬，但也降低，但也降低了了Pcr，且造价高，一些工艺性能不易保证。，且造价高，一些工艺性能不易保证。2、采用

56、双层钢管作为钢衬、采用双层钢管作为钢衬：主要是为了避免：主要是为了避免钢衬太厚，但造价高、施工质量不易保证，可在后钢衬太厚，但造价高、施工质量不易保证，可在后期加固采用。双层钢管可紧套在一起，也可在中间期加固采用。双层钢管可紧套在一起，也可在中间回填砂浆。回填砂浆。3、采用箍管、采用箍管：箍管由锻钢制成，为特殊的高：箍管由锻钢制成，为特殊的高强钢，起预压和加劲作用。我国无应用。强钢，起预压和加劲作用。我国无应用。箍管箍管加劲环加劲环4、采用柔性钢衬、采用柔性钢衬(或其他材料或其他材料)：仅起防渗作用。：仅起防渗作用。可在内壁加一层薄砼衬砌提升强度，但施工麻烦。可在内壁加一层薄砼衬砌提升强度，但

57、施工麻烦。5、采用预应力砼砌衬、钢筋砼衬砌，或取消采用预应力砼砌衬、钢筋砼衬砌，或取消衬砌，或只在局部做喷锚或素砼衬砌。衬砌，或只在局部做喷锚或素砼衬砌。6、采用隧洞内的明钢管。采用隧洞内的明钢管。作业：作业：1、简述地下埋管的施工程序？、简述地下埋管的施工程序？2、地下埋管的初始缝隙由哪部分组成、地下埋管的初始缝隙由哪部分组成？分别是由什么引起的？计算时初始缝隙值？分别是由什么引起的？计算时初始缝隙值应如何选取？应如何选取？3、施工过程中，可采用什么措施来减、施工过程中，可采用什么措施来减小地下埋管施工缝隙？小地下埋管施工缝隙？4、简述施工过程中防止埋管钢衬受外、简述施工过程中防止埋管钢衬受外压失稳的措施有哪些？压失稳的措施有哪些？