9 水电站压力管道(一)
水电站压力管道
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。
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，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。
图8-1 焊缝布置图(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HD>1 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。
水电站压力管道
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2020/10/29
水电站压力管道
第八章 水电站压力管道
v 作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。 v 特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且
靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。
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水电站压力管道
第一节 压力管道的类型
按布置方式分
按材料分
易于制作，无岔管。 v 缺点：造价高。 v 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。
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水电站压力管道
2．联合供水： 一根主管，向多台机组供水。设下阀门。
v 优点：造价低 v 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差
v 适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管 和明管。
明管：
钢管(大中型水电站)，钢筋
暴露在空气中(无压引水式电站) 混凝土管、木管(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 酯材料管等
混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及 钢筋混凝土管道、钢衬钢 重力拱坝)，包括：坝内管道、 筋混凝土管道 坝上游面管、坝下游面管
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
Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为4~6m/s，
最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve
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水电站压力管道
第四节 钢管的材料和管身构造
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水电站压力管道
一、钢管的材料
➢ 路线尽可能短、直。(经济，hf和ΔH小)。 ➢ 地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、
水电站压力管道
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，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。
图8-1 焊缝布置图(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HD>1 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。
水电站压力管道
第八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,设计方法与步骤。
第一节压力管道的功用与类型一、功用及特点(一) 功用压力管道就是从水库、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值就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就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) 混凝土坝内管道与明管道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与明管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。
地下埋管与明管单元供水联合供水分组供水二、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:分组供水与联合供水。
(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)与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。
水电站压力管道
2.附件
❖ （2）通气孔和通气阀
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。即：放空时补气，充水时 排气。
位置：阀门之后 当进水口较深时，可采用通气阀，在正常运行时保持关闭
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4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.2 明钢管的阀门和附件
1.闸门及阀门
❖ 压力管道进口设快速闸门(事故门)——在前池、调 压室、水库等位置。
❖ 对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前 应设快速阀门(事故阀)，紧急切断水流，防止机组 产生飞逸。
❖ 对于单元供水的电站，当水头高于120m或管道较 长时，经技术经济比较，也可设置主阀。
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斜向引近
管道的轴线与厂房的纵轴线斜交。 特点：介于上述两者之间 适用：分组供水和联合供水。
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4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式 什么是明钢管？
暴露在空气中的压力钢 管。
在中小型引水式水电站 中应用广泛。
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.1 明钢管的构造
2.附件
❖ （1）伸缩节
功用：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
两镇墩之间一般要求布置 伸缩节，伸缩节间距不宜 超过150m。
伸缩节
(a)套筒式伸缩节
(b)波纹密封套筒式伸缩节
(c)压盖式限拉伸缩节
(d)波纹管伸缩节
伸缩节动画
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
坝内埋管：埋设于混凝土坝体内的压力管道，常采用钢管 。坝内埋管的安装与大坝施工干扰较大，且影响坝体强度 。
水电站压力管道名词解释
压力管道是指从水库、压力
前池或调压室将水流在有压状态
下引入水轮机的输水管。
压力水
管基本上集中了水电站全部或大
部分水头，它具有坡度陡、承受电站最大水头且受水锤动水压力及靠近厂房的特点。
因此，它的安全性和经济性受到特别重视，有不同于一般水工建筑物的特殊要求。
压力管道按布置形式分为明管、地下埋管、混凝土坝身管道三种，按材料可分为钢管或钢筋混凝土管。
明管是压力管道采用分段式铺设，直接暴露在空气中。
管身铺设在一系列支墩上，在管道转弯处设有镇墩，两镇墩之间设有伸缩节，以减少温度应力。
为了减少伸缩节的内水压力和便于安装，伸缩节一般布置在靠近上镇墩处。
地下埋管是埋藏于地层岩石之中的钢管，又叫压力洞或压力管道。
可以是斜的，也可以是垂直的，它是由开挖岩洞，安装，再在各层中钢材之间灌注混凝土做成的。
混凝土坝身管道是依附于混凝土坝身，即埋设在坝体内或固定在坝面上，并与坝体成为一体的压力输水管道。
根据布置形式，坝体压力管有坝内埋管、坝上游面管道及坝下游面管道三种。
水电站压力管道—地下埋管
9.6.2 地下埋管的布置
➢ 地下埋管一般多采用联合供水方式，但如果管道较短、引用流量 较大、机组台数较多，也可采用分组供水或单元供水方式向机组 输水。相邻两管道之间应有足够的间距。
➢ 地下管道应布置在坚固完整、地下水位低的岩层中。对管线的地 质构造进行认真研究，以防塌方和岩石脱落，地下施工要考虑出 碴和浇筑混凝土要求，管道与水平面夹角不宜小于40˚。
9.6.2 地下埋管的施工要求
4. 灌浆
分为回填灌浆，接缝灌浆和固结灌浆。 平洞、斜井应作顶拱回填灌浆，灌浆压力不应小于0.2MPa，但也不得
大于钢管抗外压临界压力。 钢管与混凝土衬圈之间如果缝隙过宽，应进行接缝灌浆。 基岩固结灌浆可视围岩情况、内水压力、设计假定、开挖爆破方式等
情况确定，其灌浆压力不宜小于0.5MPa。 灌浆过程中，应防止钢管失稳等事故，必要时可采取临时支护措施。
➢ 上覆岩层应留有足够的岩石厚度。
9.6.2 地下埋管的施工要求
➢ 地下埋管的施工程序包括洞井开挖、钢衬安装、混凝土回填和灌 浆四个工序。
1. 洞井开挖
洞井开挖要尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖。 要合理选择施工支洞的高程和位置，以方便出碴、运输钢衬和
混凝土浇筑，并考虑作为永久排水洞和观测洞。 钢管管壁与围岩之间的净空间尺寸，两侧和顶部至少留0.5m，
项目9 压力管道
1
压力管道的功用与类型
2
压力管道的线路选择和布置方式
பைடு நூலகம்
3
明钢管的构造、附件及敷设方式
4
钢岔管
3
钢筋混凝土管
4
地下埋管
项目9 压力管道
9.6 地下埋管
1
地下埋管的特点
水电站的压力管道明钢管的敷设方式丶镇墩丶支墩和附属设备
水电站的压力管道明钢管的敷设方式丶镇墩丶支墩和附属设备在水电站建设中，压力管道起到了非常重要的作用。
而当涉及到管道敷设时，明钢管的使用是一种非常常见的方式。
本文将介绍水电站的压力管道明钢管的敷设方式以及镇墩、支墩以及附属设备的使用。
压力管道明钢管的敷设方式压力管道明钢管的敷设方式是水电站中常常采用的方法之一。
具体来说，明钢管的敷设可以分为地下敷设和地面敷设。
在地下敷设的情况下，需要建设足够宽度的管道路基，并对路基进行均匀地填筑，以防止管道在使用过程中出现偏斜或破损的情况。
然后，在路基上安装管沟，安装管沟的深度需要达到一定的标准，具体标准可以参照相关规定。
在管沟内铺设石子等基础材料，放置明钢管，并对明钢管进行固定。
其他管道敷设的步骤可以参照明钢管的地下敷设方式进行。
在地面敷设的情况下，首先需要进行地面平整处理。
然后，在平整的地面上设置专门的管道支撑架或碳素此和车用钢支撑，放置明钢管，并对其进行固定。
其他管道敷设的步骤可以参照明钢管的地面敷设方式进行。
需要注意的是，在进行明钢管敷设时要严格遵守相关规定和标准，以保证管道的质量和安全性。
镇墩和支墩镇墩和支墩是水电站压力管道敷设中常用的两种管道支撑方式。
镇墩一般用于跨越河流、湖泊、龙门等地方，起到承托管道和分散管道荷载的作用，同时也可以减小管道对地面或地基的冲击。
支墩则用于支撑在地面敷设的管道，起到承托支撑管道的作用。
在使用镇墩和支墩时，需要根据管道的位置和长度以及地形等因素进行合理的设置，在镇墩和支撑之间的距离和设置比例也需要符合相关规定和标准。
同时，在进行设置之前，也需要进行严密的计算和评估，确保设置的镇墩和支撑可以承载相应的荷载。
附属设备水电站压力管道的附属设备是管道敷设中不可或缺的一部分。
这些设备包括法兰、膨胀节、隔震器和阀门等。
法兰一般用于连接管道和管道或管道和设备之间，起到连接和密封的作用。
膨胀节则用于管道的热胀冷缩，以及降低管道振动和管道变形等问题，保证管道的安全性和可靠性。
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❖ 明管支座辊轮可采用下列钢种：Q235—A、B、 C级钢；Q345—A、B、C级钢；30、35、40、 45优质碳素结构钢；ZG230-450、ZG270-500、 ZG310-570等铸件。
❖ 支座支承板可采用与管材、支承环相同的材料。 支座垫板可采用上列钢板或铸件。
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二、压力管道引进厂房的方式 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。
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三、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，
《水 电 站》
2007
浙江水专国家精品课程《水电站》/sdz
第八章 水电站压力管道
❖ 作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。 ❖ 特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且
靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。
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第一节 压力管道的类型
按布置方式分
按材料分
明管：
钢管(大中型水电站)，钢筋
暴露在空气中(无压引水式电站) 混凝土管、木管(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 酯材料管等
混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及 钢筋混凝土管道、钢衬钢 重力拱坝)，包括：坝内管道、 筋混凝土管道 坝上游面管、坝下游面管
❖ 钢管主要受力构件(包括管壁、支承环、岔管加强构 件等)可采用下列钢种：Q235—C、D级碳素结构钢， Q345—C、D级及Q390—C、D级低合金结构钢；20R、 16MnR、15MnNbR、15MnVR等压力容器钢； 07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高强度压力容 器钢。明管宜采用容器钢。如需采用其他钢种，应先 研究其性能，确定相应的焊接方式热处理工艺等。
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二、压力管道直径的选择
1. 动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑 流速、水锤压力的影响)，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
D 7 5.2Qm3 ax H
Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
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钢管
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钢筋混凝土管
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聚酯材料管
木管
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第二节 压力管道的布置和供水方式
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一、压力管道的布置
❖ 压力管道线路选择应结合其它建筑物(前池、调压室) 和水电站厂房布置统一考虑。 ➢ 路线尽可能短、直。(经济，hf和ΔH小)。 ➢ 地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、 雪崩地区以及山水集中的地区和沉降量很大的地段， 可沿山脊布置。 ➢ 宜避开村镇居民区及交通道路等，若避不开村镇居 民区应考虑工程对环境的影响。 ➢尽量减小起伏, 避免出现负压; 转弯半径R≯3D。 ➢ 明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等。
的论证。
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2、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。 3、化学成份 ❖ 影响钢材的强度、ε、焊接性能，含碳不要过高 (脆)，含硫量和含硅量也不能高。
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三、容许应力
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二、钢材性能的要求
(一) 压力管道的工作特点与制作程序 ❖ 工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的
作用；低温状态下工作(水温在4℃左右)对钢材的 工作条件不利。 ❖ 制作过程： ➢板裁：冷卷、辊压成形； ➢现场焊接(自动焊、手焊)； ➢检查焊缝(γ射线、超声波)
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局部两部分。 ➢沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。 ➢局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔
等部位，按水力学公式计算。 hw→电能→装机容量→管径选择
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❖非恒定流计算：水锤计算(N变→Q变→H变) ， 确定管道中各点的动水压力和变化过程。 水击压强→确定压力管道荷载和管线(最高压力 线和最低压力线)
(二) 钢材性能要求 1、机械性能 ❖屈服强度σs 、抗拉强度σb ；塑性指标：断裂时的
延伸率ε、断面收缩率ψ；冲击韧性ak。要求强度 高、塑性好(冲击、低温、加工)可焊性能好。 ❖ A3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。
❖ 当HD>600m2，δ=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
3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为4~6m/s，
最大不超过7m/s，Ae= Qmax造
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一、钢管的材料
❖ 钢管所用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 因素选定。
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。
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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：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管
和明管。
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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。地下埋管和明管。
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第三节 水力计算和经济直径的确定
一、水力计算 ❖ 恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和