水电站压力管道

第三章水电站压力管道

第三章水电站压力管道

要求：掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。

第一节压力管道的功用和类型

一、功用及特点

(一)功用

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。

(二)特点

(1) 坡度陡

(2) 内水压力大，且承受动水压力的冲击(水击压力)

(3) 靠近厂房。严重威胁厂房的安全。

压力管道的主要荷载为内水压力，HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。

当V=5~7m/s时，HD≈(0.15～0.18) N g H

当N g相同时，H愈大，HD愈大。目前最大达5000m2。

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。

二、分类

按布置方式分按材料分

明管：暴露在空气中(无压引水式电站) 钢管(大中型水电站)

钢筋混凝土管(小型电站) 地下埋管（隧洞埋管)：埋入岩体。(有压引水电站) 不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、

钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管

混凝土坝身埋管：依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝)，包括：坝内管道、坝上游面管、坝下游面管

钢筋混凝土结构、钢衬钢筋混凝土结构

第二节压力管道的线路选择及尺寸拟定

一、供水方式

1．单元供水：一管一机。不设下阀门。

优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管

缺点：造价高

适用：(1)单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)混凝土坝内

管道和明管道

2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。设下阀门。

优点：造价低

缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差

适用：、(1)机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3．分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。

适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下

单元供水联合供水分组供水

埋管和明管

二、明管布置

管道与主厂房的关系：

1．正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。

2．纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。

3．斜向引近：分组供水和联合供水。

(a)、(b) 正向引进(c)、(d) 纵向引进(e)

斜向引进

压力水管引进厂房的方式

三、线路选择

压力管道的线路选择应结合引水系统中的其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。

1．路线尽可能短、直。（经济、水头损失小、水击压力小）一般设在陡峻的山脊上。

2．地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。

3．尽量减小上下起伏，避免出现负压；转弯半径R≯3D。

四、压力管道直径的选择

压力管道经济直径确定是压力管道的主要设计内容之一。

1．动能经济比较法：基本原理与渠道相同（压力管道要考虑流速、水击压力的影响），拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。

2．经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用

Q max——压力管道设计流量，H—设计水头

3．经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s，D e= Q max/V e

注：确定压力钢管直径的公式有很多。经验公式法或经济流速方法的设计结果可作为参考。

第三节明钢管的敷设方式及附件

一、明钢管的敷设方式和支承方式

明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm（便于维护和检修）。水管受力明确，在自重和水重作用下，水管在支墩上相当于一个多跨连续梁；每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。

连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。

明钢管的敷设

分段式：两镇墩间设伸缩节（上镇墩的下游侧）。温度应力小。

(一) 镇墩

1．功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任

何方向的位移。

2．布置：水管转弯处，直线段不超过150m 。

3．类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。

(1)封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。

(2)开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。

封闭式镇墩

开敞式镇墩

（二) 支墩

1．功用：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）。

2．布置：间距6~12m ，D 特别大时，L 取3m 。支墩间距小→M 、Q(弯矩和剪力)小→支墩

造价高。

3．类型：

(1)滑动式：支承环式、鞍式

鞍式：包角：90～120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，D<1m 。

支承环式：在支墩处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均匀，D<2m

(2)滚动式：在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，f 小，D>2m 。

开敞式镇墩

(3)摆动式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。f很小，D>2m

滑动支墩

滚动支墩摆动支墩

二、阀门及附件

(一) 闸门及阀门

1．快速平板闸门（事故门）——压力管道进口（前池、调压室、水库)。

作用：在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。

2．快速阀门（事故阀或下阀门）——水轮机进口前(联合供水或分组供水)，

作用：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，为紧急切断水流，防止机组产生飞逸。

类型：平板阀、蝴蝶阀、球阀

(1)平板阀：框架+板面构成。阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。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)蝶阀：由阀壳+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。

蝶阀关蝶阀开优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；

缺点：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：大直径、水头不很高的情况。

目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。蝴蝶阀要求在动水中关闭，静水中开启。

(3)球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。

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。

优点：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。

适用：高水头电站的水轮机前阀门。

球阀是在动水中关闭，在静水中开启。

球阀关球阀开

(二) 附件

(1)伸缩节

作用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷

位置：常在上镇墩的下游侧

(2)通气阀

作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气位置：阀门之后

(3)进人孔

作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右。

(4)旁通阀及排水设备

旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。

排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。

要求：掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。

第一节压力管道的功用和类型

一、功用及特点

(一)功用

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。

(二)特点

(1) 坡度陡

(2) 内水压力大，且承受动水压力的冲击(水击压力)

(3) 靠近厂房。严重威胁厂房的安全。

压力管道的主要荷载为内水压力，HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。

当V=5~7m/s时，HD≈(0.15～0.18) N g H

当N g相同时，H愈大，HD愈大。目前最大达5000m2。

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。

二、分类

按布置方式分按材料分

明管：暴露在空气中(无压引水式电站) 钢管(大中型水电站)

钢筋混凝土管(小型电站) 地下埋管（隧洞埋管)：埋入岩体。(有压引水电站) 不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、

钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管

混凝土坝身埋管：依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝)，包括：坝内管道、坝上游面管、坝下游面管

钢筋混凝土结构、钢衬钢筋混凝土结构

第二节压力管道的线路选择及尺寸拟定一、供水方式

1．单元供水：一管一机。不设下阀门。

优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管

缺点：造价高

适用：(1)单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)混凝土坝内

管道和明管道

2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。设下阀门。

优点：造价低

缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差

适用：、(1)机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3．分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。

适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下

单元供水联合供水分组供水

埋管和明管

二、明管布置

管道与主厂房的关系：

1．正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。

2．纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。

3．斜向引近：分组供水和联合供水。

(a)、(b) 正向引进(c)、(d) 纵向引进(e)

斜向引进

压力水管引进厂房的方式

三、线路选择

压力管道的线路选择应结合引水系统中的其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。

1．路线尽可能短、直。（经济、水头损失小、水击压力小）一般设在陡峻的山脊上。

2．地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。

3．尽量减小上下起伏，避免出现负压；转弯半径R≯3D。

四、压力管道直径的选择

压力管道经济直径确定是压力管道的主要设计内容之一。

1．动能经济比较法：基本原理与渠道相同（压力管道要考虑流速、水击压力的影响），拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。

2．经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用

Q max——压力管道设计流量，H—设计水头

3．经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s，D e= Q max/V e

注：确定压力钢管直径的公式有很多。经验公式法或经济流速方法的设计结果可作为参考。

第三节明钢管的敷设方式及附件

一、明钢管的敷设方式和支承方式

明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm（便于维护和检修）。水管受力明确，在自重和水重作用下，水管在支墩上相当于一个多跨连续梁；每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。

连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。

明钢管的敷设

分段式：两镇墩间设伸缩节（上镇墩的下游侧）。温度应力小。

(一) 镇墩

1．功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任

何方向的位移。

2．布置：水管转弯处，直线段不超过150m 。

3．类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。

(1)封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。

(2)开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。

封闭式镇墩

开敞式镇墩

（二) 支墩

1．功用：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）。

2．布置：间距6~12m ，D 特别大时，L 取3m 。支墩间距小→M 、Q(弯矩和剪力)小→支墩

造价高。

3．类型：

(1)滑动式：支承环式、鞍式

鞍式：包角：90～120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，D<1m 。

支承环式：在支墩处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均匀，D<2m

(2)滚动式：在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，f 小，D>2m 。

开敞式镇墩

(3)摆动式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。f很小，D>2m

滑动支墩

滚动支墩摆动支墩

二、阀门及附件

(一) 闸门及阀门

1．快速平板闸门（事故门）——压力管道进口（前池、调压室、水库)。

作用：在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。

2．快速阀门（事故阀或下阀门）——水轮机进口前(联合供水或分组供水)，

作用：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，为紧急切断水流，防止机组产生飞逸。

类型：平板阀、蝴蝶阀、球阀

(1)平板阀：框架+板面构成。阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。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)蝶阀：由阀壳+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。

蝶阀关蝶阀开优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；

缺点：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：大直径、水头不很高的情况。

目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。蝴蝶阀要求在动水中关闭，静水中开启。

(3)球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。

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。

优点：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。

适用：高水头电站的水轮机前阀门。

球阀是在动水中关闭，在静水中开启。

球阀关球阀开

(二) 附件

(1)伸缩节

作用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷

位置：常在上镇墩的下游侧

(2)通气阀

作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气位置：阀门之后

(3)进人孔

作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右。

(4)旁通阀及排水设备

旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。

排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。