水电站(压力钢管分岔管结构设计专题)计算书
水电站的压力管道分岔管
（四）球形岔管
结构特点：由球壳、主支管、 补强环和内部导流板组成，补 强环与球壳圆盘的变形一致， 导流板（设平压孔）用于改善 水流条件。
结构设计：补强环加固后的各 主、支管开孔的局部应力不致 相互影响并有一定的焊接空间； 分岔角较大(60o~90o)。
第八章 水电站的压力管道
我国岔管的发展： 20世纪50年代：内压不高，一般多为贴边
岔管； 20世纪60年代起：高水头水电站，混合梁
系和三梁岔管应用较多； 20世纪70年代后：内压和直径继续增大，
月牙肋岔管应用较多，无梁岔管；20世纪80年 代后：月牙肋岔管应用较多，出现球形岔管。
第八章 水电站的压力管道
第八章 水电站的压力管道
（5）无梁岔管有一定的发展前途，目前应用较少， 充分发挥与围岩的联合受力； （6）位于竖向转弯处的分岔管，因主、支管中心 线可能不在一平面上，以球形岔管为宜； （7）月牙肋岔管、无梁岔管、球形岔管均为上凸、 下凹，宜上设排气孔、下设排水管。
第八章 水电站的压力管道
分岔管的尺寸及HD值愈来愈大。除了基于透水衬砌理论的 埋藏式钢衬钢筋混凝土岔管的设计方法和实践有了明显进步并 还在不断改进中外，最重要的进展应是埋藏式钢岔管与围岩联 合承载的设计理论和方法方面取得的重要成果和开始在大型工 程中的实际应用。
第八节 地下埋管和坝身管道
一、地下埋管（Undergroud penstock）
特点：地下埋管虽增加了岩石开挖和混凝土衬砌 的费用，但与明钢管相比，往往可以缩短压力管 道的长度，省去支承结构，可利用围岩承担部分 内水压力，从而减小钢材的厚度，节约钢材，且 受气候等外界影响较小，运行安全可靠。第八章Leabharlann 水电站的压力管道（二）三梁岔管
乌图河一级水电站压力钢管设计
电工程。根据 《 水利水 电工程等级划分及 洪水标准》 Ｓ ２ ２ ２０ ） （ Ｌ ５ － ０ ０ 和 《 防洪标准》 Ｇ ２ １ － ） （ Ｂ５ ０ － ９ 的规定 ， ０ －４ － 本工程等另 为Ⅳ等 ， Ｕ 工程规模 为小 （） １ 型工程 ， 工程 中主要建筑物按 ４级建筑物设计 ， 次要 建筑 物按 ５级建
筑物设计 。 电站 正常蓄水 位 ｌ ７ ０ｍ。死水 位 ｌ ６ ２ ６ｍ。正 常蓄水位 以下库 容 ２ ５ ．６万 ， ４０ 调节 库容 ３ ． ６７ ７万 ｍ ， 水库为 日调 节水 库。
桩号 ０ ０ ０ ０ ５ ５ 段 ： ＋ ０ — ＋ １． ５ 该段地 层 上部 为 （ “ ） 碎石高 液限 黏 Ｑ 含 土 、 石混合 土层 ， 中桩号 ０ ０ ０ ０ ２ ５ 厚一 般 ４ 一 ， 碎 其 ＋０ ～ ＋ ８ 段 ６ｌ ｍ ｎ 桩号 Ｏ ＋
坝体 为混凝 土拱坝 ． 顶高 程 ｌ ７ 坝 顶长 ４ ． 最 大坝高 坝 ２ｍ． ２ ２０ ２ ｍ，
ｌ．４ ｍ， 顶宽 ２５ｍ， 宽 ３５ｍ， 洪 采用 自由泄 流 方式 ， 顶高 ６５ 坝 ． 底 ． 泄 堰
程 ｌ２ ０ｍ。 ７
４ 压 力钢管 设计
４ １ 压力管道 布置 ． 压力钢 管采用一管两机 ， 主管设 汁流量 ７５ ｓ内径 １ ｌ钢材采 ．６ｍＶ ， ． ｎ， ６
工程 区属于云贵高原东部 ， 河谷深切 ， 地形复杂 ， 以岩溶 峰林（ 峰丛 ） 洼地与侵蚀地貌为主。 地势西高东低。 内出露石炭系 ， 区 二叠系地层及第
四系松散堆积物 ， 以二叠系坝和引水发 电系统组成 。 电站 为无压弓 水式 发 ｝
２ ５ ０ ４ ５段厚 ｌ． ｎ～ ８５ｈ； 础置于强风 化炭质 灰岩上 ， ８， ＋７ ３５ ｌ１． ｉ基 炭质灰 岩 属较软 岩 ， 易风化 、 软化 。地基 承载力 特征 值 ： 强风化 炭质灰 岩ｊ－ ｏ ；４ ｏ ｋ ａ ６Ｏｋ ａ 覆盖层 ＝ ０ Ｐ － ２ Ｐ 。风化 基岩与混 凝土间抗剪及抗 Ｐ～ Ｏ Ｐ ， ｌ０ｋ ａ １０ｋ ａ 剪断数为．－ ．５ｃ ０； ０ ｃ＝ ．５ＭＰ 。 ． ｏ３ ，＝ ｆ＝ ． Ｏ０ ａ ｆ ４， 桩 号 ０ ５ ５５ ＋１９ ＋ ｌ． 一ｌ ０ ６段 ： 该段 管基 为强风化 泥岩 、 砂质页 岩 ， 粉 泥 页岩岩性软 ， 易风化 ， 遇水易软化 。 风化泥页岩地基承载力特征值Ａ ３ｏ ＝ ｏ
水电站压力钢管结构计算书
⑤ 轴向力的合力∑A
计算公式： A A1 A5 A6 A7
轴向力合力∑A计算表
A1
A5
A6
A7
∑A(N)
1831
-197
1086
63500
66220
4.1.2 跨中管壁断面应力计算
（1）径向内水压力P在管壁中产生的环向应力σθ1
计算公式：
1
Pr t
1
r H
coscosrDFra bibliotek2400
45.000°
180° 0.0000098 500
400
45.000°
σr(N/mm2) -0.002 -0.005 -0.008
4.1.3 跨中管壁断面各计算点应力条件复核
复核公式：
2
2 x
2 r
x
r
x r
式中：
1 x x1 x2
相应计算工况的允许应力：［σ］=0.55σs= 129.250N/mm²
1831
② 套筒式伸缩节端部的内水压力A5
计算公式：
A5
4
D12 D2 2 P
P H w
式中：
伸缩节端部管道中心内水压力……………………………H´= 500mm
伸缩节内套管外径…………………………………………D1= 768mm
伸缩节内套管内径…………………………………………D2= 800mm
φ［σ］ 122.7875 122.7875 122.7875
4500
4.926
15674
（3）轴向力∑A ① 钢管自重轴向分力A1
计算公式： A1 qs L3 sin
式中：
A1 qs L3 sin
伸缩节至计算截面处的钢管长度…………………………L3= 1500mm
水电站压力管道设计
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
❖ (3)钢衬钢筋混凝土管：应用：水头较高的情况 ❖ (4)玻璃钢管：水流摩阻系数小，重量轻。应用：水
头不高、流量较小的中小型水电站。
4.1 压力管道的功用和类型
4.1.2 压力管道的类型及适用条件
1.按管壁材料分类
钢管管节
钢筋混凝土管
4.1 压力管道的功用和类型
4.1.2 压力管道的类型及适用条件
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.1 明钢管的构造
5.支承环：
❖ 钢管与支座之间起支承、加固作用的环状结构。 ❖ 作用：防止支墩直接接触管壁，加强支承处钢管的
强度和刚度。 ❖ 支承环沿管周箍设，断面可为工字形、T形、矩形、
槽形等。
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.4 明钢管的支承结构
原则：
❖ 1.尽可能短而直 ❖ 2.选择良好的地形、地质条件 ❖ 3.应满足运行安全要求 ❖ 4.应满足施工要求
4.2 压力管道的线路选择和布置方式
4.2.2 压力管道的布置型式
1.压力管道的供水方式
单元供水
联合供水
分组供水
Next
单元供水
每台机组都有一根水管供水。 优点：结构简单，运行方便可靠，一根故障或检
Next
正向引近
管道的轴线与厂房的纵轴线垂直。 特点：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。 适用：低水头电站。
水电站压力钢管-完整版
二、钢材性能的要求
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。
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 [σ]=σs/K
(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、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
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。
➢尽量减小起伏, 避免出现负压; 转弯半径R≯3D。 ➢ 避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地
不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力，见 表8-2。
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，施工困难。 国内：D≤60cm；国外：D≤120cm。 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。
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、
水电站压力钢管及弯管展开计算
式中： a——单元管节正截面的圆心角；
（16-25）——Page472，《手册》
D——管内径与管壁厚度（计入锈蚀）之和，即平均直径，mm ； b——单元管节最短母线长的半值，mm ；
弯管展开曲线计算
单元管节半边展开曲线坐标按下式计算：
（16-24）——Page472，《手册》
ρ——弯管转弯半径管节中间正截面距离，mm ；
k——相邻单元管节的管轴偏角。
úû
ù
êëé--+==£©£¨£©£¨D a D b y a D x r p
2cos 1118022
2
D k tg
b +
=
r
)
2
(2D
k tg b -=r
一、 弯管一
弯管展开曲线计算：
已知条件有： 弯管转角θ=15。
，管内径D 0=1810mm ，壁厚δ=18mm 。
本弯管设计为3个单元管节；则，每个单元管节间偏角k=15/3=5。
，
二、弯管二
已知条件有：弯管转角θ=60。
，管内径D0=1810mm，壁厚δ=18mm。
本弯管设计为8个单元管节；则，每个单元管节间偏角k=60/8=7.5。
，。
高水头小流量水电站压力钢管结构分析与设计论文
高水头小流量水电站压力钢管结构分析与设计摘要:hm水电站属于小流量、高水头的引水式电站，该电站压力管道部分全线采用地下埋管，调压井与主厂房之间采用一竖井一平洞连接。
本文结合压力钢管设计，对压力钢管主、岔、支管的总体布置、水力计算、管材及壁厚选择、结构设计进行分析。
关键词: 地下埋管竖井外水压力结构设计分析岔管abstract: hm hydropower station belongs to a small flow, high water head of water diversion type power station, the power of the pressure piping all buried pipes, surge tank and main building between the shaft well a flat a hole connection. combining with the design pressure pipe, steel pipe to pressure the bifurcation, pipe, the overall layout, hydraulic calculation, piping and wall thickness selection, structure design for analysis.keywords: buried pipes external water pressure of vertical shaft structure design analysis bifurcation pipe中图分类号：tu318文献标识码：a 文章编号：1 工程概况hm水电站发电引用流量19.71 m3/s,总装机容量为3×25mw，年发电量3.6125亿kw·h，其年利用小时数为4817h。
2 水力计算选定主管直径为3.0m、2.8m、2.6m和2.2m四种，支管直径1.2m，管道过最大引用流量19.71m3/s，主管的流速为2.79～5.16m/s，支管的流速为5.81m/s，相应坝前正常蓄水位1430.0m时，压力钢管的最大静水头为457m，在该水头下，电站带满负荷时，水头损失按9.67m计。
大孤山水电站工程压力钢管及钢岔管设计
ｍｍ 以下 时 ． 前一 般不 预热 ， 焊 焊后 可 不热处 理 。
板 内衬 外包 素混 凝土 的衬砌 型式 。压力 管道 后 接钢 岔管 ， 钢岔 管采用 三梁 “卜” 岔管 ， 形 分岔 后接 ３条支 管 ， 别 与 ３台机 组连 接 。 分 ２２ 压力钢 管布 置及岔 管体 形设 计 － 压力 钢 管起 衬 点位 置 主要 根 据 “ 抬 理 论 ” 上 准
岔管 及支 管 为 明钢 管 ，外包 Ｃ ５钢筋 混 凝 土 。 ２ １、 ２ 岔管 都 是一 分为 二 的“卜” 三梁 岔 管 ， 岔角 形 分 ６ ． ９２ 。岔管 的设 计 内水 压 力 １ ／ ｍ （ 括水 ６２ 。 ４ ． Ｎ ｍ 。包 ２ 击压力 ） 岔管公 切球 内半 径 ２２ ， １ 。１ ． ｉ 与 岔管相 ６ｎ 连 接 的支管 内径 分别 为 ３０ ０Ｉ 和 ４０ ８ｉ， ２ 岔 ． Ｉ ０ Ｔ ． 与 ４ ｎ 管 相 连接 的主管 内半径 ３ ６ ２ 岔 管公 切球 内半 ． １ ７ ｍ， 径 １ ８ ． ８ｍ：与 ２ 岔 管相 连接 的支 管 内半径 ３ｍ， ６ 支 管 间距 １ 。经计算 ， 终 采用 的 Ｕ梁和 腰梁 的钢 １ｎ ｉ 最 板厚 度均 为 ６ ｍ， Ｕ梁梁 高 ８ ｍ， Ｕ梁梁 高 ０ｍ 主 ０ｃ 次 ５ 腰 梁梁 高 ４ ｍ。 ０ｃ ｍ． ０ ｃ
使其结构合理、 经济 ， 满足安全稳定运行要 求。 关键词 ： 大孤 山水 电站 ； 压力钢管 ； 管； 岔 结构设计 中图分类号 ：Ｖ ３ ＇ Ｔ ７ ２． ４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ：０５ ０ ４ （ ０ １ １ — ０ ２ ０ ２ ９ — １４ ２ １ ）０ ０２ — ２
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第1章枢纽布置、挡水及泄水建筑物 (5)
1.1混凝土非溢流坝 (5)
1.1.1 剖面设计 (5)
1.1.2 稳定与应力校核 (9)
1.2 混凝土溢流坝 (34)
1.2.1 溢流坝孔口尺寸的确定 (34)
1.2.2 溢流坝堰顶高程的确定 (35)
1.2.3 闸门的选择 (36)
1.2.4 溢流坝剖面 (37)
1.2.5 溢流坝稳定验算 (39)
1.2.6 溢流坝的结构布置 (48)
1.2.7 消能与防冲 (48)
第2章水电站厂房 (51)
2.1 水轮机的选择 (51)
2.1.1 特征水头的选择 (51)
1 / 108
2.1.2 水轮机型号选择 (55)
2.1.3 水轮机安装高程 (61)
2.2 厂房内部结构 (62)
2.2.1 电机外形尺寸估算 (62)
2.2.2 发电机重量估算 (64)
2.2.3 水轮机蜗壳及尾水管 (65)
2.2.4 调速系统，调速设备选择 (66)
2.2.5 水轮机阀门及其附件 (69)
2.2.6 起重机设备选择 (70)
2.3 主厂房尺寸及布置 (70)
2.3.1 长度 (70)
2.3.2 宽度 (72)
2.3.3 厂房各层高程确定 (72)
第3章引水建筑物 (77)
3.1 细部构造 (77)
3.1.1 隧洞洞径 (77)
3.1.2 隧洞进口段 (77)
3.2 调压室 (80)
3.2.1 设置调压室的条件 (80)
3.2.2 压力管道设计 (80)
3.2.3 计算托马断面 (81)
3.2.4 计算最高涌波引水道水头损失 (86)
3.2.5 计算最低涌波引水道水头损失 (89)
3.2.6 调压室方案比较 (91)
第四章岔管专题设计 (100)
4.1结构设计 (100)
4.1.1 管壁厚度的计算 (100)
4.1.2 岔管体形设计 (101)
4.1.3 肋板计算 (103)
3 / 108
第1章枢纽布置、挡水及泄水建筑物1.1混凝土非溢流坝
1.1.1剖面设计
1.1.1.1差不多剖面
5 / 108
1.1.1.1.1坝高的确定
（1）按差不多组合（正常情况）计算：
m H 235.5112123.5m =∇-∇=-=设计底
220gD 9.81220042.63v 22.5
⨯== 由（1）得5%h 1.057m = 由（2）得m L 10.92m =
由《水工建筑物》表2—12 查得5%m
h 1.95h = m h 0.542m ∴= 1%m
h 2.42h = 1%h 2.420.542 1.31m ∴=⨯= 221%m z m m h 2H 1.312123.5h cth cth 0.49m L L 10.9210.92
πππ⨯π⨯∴=== 大坝级不1级 正常情况c h 0.7m =
1%z c h 2h h h 2 1.310.490.7 3.81m ∆=++=⨯++=设
坝顶高程=设计洪水位+h ∆设235.5 3.81239.31m =+=
(2)按专门组合（校核情况）计算：
m H 238112126m =∇-∇=-=校核底
220gD 9.81222597.01v 15
⨯== 由（1）得5%h 0.64m = 由（2）得m L 7.30m =
7 / 108
由《水工建筑物》表2—12 查得5%m
h 1.95h = m h 0.328m ∴= 1%m
h 2.42h = 1%h 2.420.3280.79m ∴=⨯= 221%m z m m h 2H 0.792126h cth cth 0.27m L L 7.37.3
πππ⨯π⨯∴=== 大坝级不1级 非正常情况c h 0.5m =
1%z c h 2h h h 20.790.270.5 2.35m ∆=++=⨯++=设
坝顶高程=校核洪水位+h ∆校238 2.35240.35m =+=
综上：坝顶高程取为240.35 m 。
1.1.1.1.2坝底宽的确定
由于电站形式为引水式，故坝上游侧无有压进水口，上游坝坡坡度不受限制，取上游面坡度0=λ，同时用应力条件和稳定条件公式确定坝底的最小宽度。
（1） 按应力条件确定坝底最小宽度 ()()10211αλλλγγ--+-=c H B
λ为上游坡度，取0=λ时能够得到：10αγγ-=c H
B
式中：B ——坝底宽度，m ；
H ——差不多剖面坝高，m
c γ——坝体材料容重取值
23.5KN/m 3 0γ——水容重10KN/m 3
1α——扬压力折减系数,按规范坝基面取0.3
B m 0.69H ∴=
=== （2） 按稳定条件确定坝底最小宽度
假定上游库水位与三角形顶点平齐，上游水深=坝高=240.35m ，下游无水
坝的荷载只考虑上游水平水压力P ，坝体自重G 及扬压力U 荷载设计值： 重力设计值：311.0128.3523.5128.35193.566102G m mKN =⨯⨯⨯⨯=⨯ 扬压力设计值：311.20.25128.35128.351024.711102U m mKN =⨯⨯⨯⨯⨯=⨯ 静水压力设计值：2311.0128.351082.368102P KN =⨯⨯⨯=⨯
由《水工建筑物》表4—1查得1级水工建筑物 K=1.10
f (W U)K P
∑-∑ 0.68(193.56624.711)1.10.7982.368
m m -∴=→=
因此坝底宽由稳定操纵
取m=0.79 →B=101.4
1.1.1.2有用剖面
1.1.1.
2.1坝顶宽度
坝顶宽度b=（8%～10%）H=10.268m~12.835m，且不小于2m。
本设计取12m
1.1.1.
2.2剖面形态
由上可知，稳定条件为限制条件，因此采纳上游坝面上部铅直、而下部呈倾斜，如此可利用部分水重来增强坝的稳定性。
折坡点起点位置应结合引水、挡水建筑物的进水高程来选定，一般为把高的 1/3~1/2（42.78~85.57），取折坡高程为112+48=160.0m，坡度为1:0.15
坝底总宽=0.1548101.4108.6m
⨯+=
1.1.2稳定与应力校核
1.1.
2.1设计状况:
差不多组合：（持久状况）（上游为正常蓄水位，下游水位为0）
9 / 108
坝基面：
(1)(2)(3)
图1-1 非溢流坝荷载计算简图（坝基面）
荷载计算简式：
自重：
117.24823.52G =⨯⨯⨯
2=12128.3523.5G ⨯⨯ 3189.4113.1623.52
G =⨯⨯⨯ 水压力：
211101182P =⨯⨯
11 / 108
21
(70118)7.2102
P =+⨯⨯
扬压力：
1100.2511816.2 U =⨯⨯⨯
21100.251182
U =⨯⨯⨯⨯（108.6-16.2）
31
10118100.2511816.22
U =⨯⨯-⨯⨯⨯（）
浪压力： 1110.9210.92
10222
L P =⨯⨯（1.31+0.49+）
2
2110.921022
L P =⨯⨯（）
表1-1 计算表格
承载能力极限状态：
① 抗滑稳定：
0 1.1γ= 1.0()ϕ=持久状况 ' 1.2R f = 3' 1.210R C kPa =⨯ (') 1.3m R f γ= (') 3.0m R C γ= 1.2d γ= ()*69620 1.2(198.2149.1)69679S KN =+⨯-=
4060.836197.41050456768 1.2(4779136297407.4)121090.02R W kN
∑=+++-++=3
R R R R 1.2 1.210R(*)f 'W C 'A 121090.02108.61155215.4kPa 1.3 3.0
⨯=∑+=⨯+⨯⨯=
0155215.4
(*) 1.1 1.06967976646.9129346.21.2
S kPa kPa γϕ=⨯⨯=≤
= 满足要求
② 坝址抗压强度
121090.02R W kN ∑=。