水电站第八章节.ppt

第八章 水电站的压力管道,学习内容：水电站压力管道的功用和类型、布置和供水方式、水力计算和经济直径的确定；钢管的材料、容许应力和管身构造；明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备、荷载和管身应力分析及结构设计；岔管的功用、特点、要求和布置形式、荷载和受力特点、几种常用的岔管；地下埋管的特点和布置形式、结构和构造、钢衬的内压强度计算和外压稳定校核；坝身管道的特点和类型，坝内埋管的结构计算，混凝土坝下游面管道设计。,第八章 水电站的压力管道,学习目的：了解水电站压力管道的功用、类型、布置和供水方式；掌握压力管道的水力计算和经济直径的确定方法；掌握明钢管的结构应力分析以及其镇墩、支墩和附属设备的结构和设计；了解岔管的功用、特点、要求和布置形式，能够对岔管进行荷载和受力分析，根据具体情况选择合理的岔管形式；了解埋管的布置和受力特点，掌握钢衬内压强度计算和外压稳定校核的计算分析方法；了解坝身管道的特点，重点掌握坝内埋管的结构计算，对混凝土坝下游面管道设计初步了解。,第一节 压力管道的功用和类型Affect and Type of Pressure Tube,水电站供水管道照片（明管）,第一节 压力管道的功用和类型,三峡电站施工图,第一节 压力管道的功用和类型,压力管道的作用是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量。水电站压力管道有如下工作特点：（1）坡度陡；（2）承受较大的内水压力，还会受到动水压力的冲击；（3）靠近厂房，若发生事故会威胁厂房安全。压力水管的类型压力管道按材料可分为钢管、钢筋混凝土管、钢衬钢筋混凝土管道三种。一、钢管按布置方式可分为：,第一节 压力管道的功用和类型,明管（见照片）,将在第五节、第六节详细介绍；地下埋管，将在第八节详细介绍;坝内埋管，将在第八节详细介绍.钢管具有强度高，防渗性能好等许多优点，多用于大中型水电站。二、钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、节约钢材、能承受较大外压和经久耐用等优点，广泛用于中小型水电站。水头H和直径D的乘积HD通常作为压力管道规模及技术难度的判断标准。,第一节 压力管道的功用和类型,一般：普通钢筋混凝土管，HD200m2；预应力钢丝网水泥管，最大HD300m2。埋在岩体中的钢筋混凝土管，在内水压力的作用下，钢筋混凝土与围岩联合承力，其设计原理隧洞类似。三、钢衬钢筋混凝土管在钢筋混凝土管内衬以钢板就构成钢衬钢筋混凝土管。在内水压力的作用下，钢板与外包钢筋混凝土联合承力，从而可减小钢板的厚度。当HD很大时，一般都采用这种型式。例如，三峡水电站压力管道就采用的钢衬钢筋混凝土管。,第二节 压力管道的布置和供水方式Disposal and Water Supply Style of Pressure Pipe,一、压力管道的布置明钢管的线路选择应与电站引水系统中其他建筑物，特别是前池或调压室，还有和水电站厂房统一布置。其基本原则归纳如下：管道线路尽可能短而直，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力和改善机组运行条件。选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上。特别应避开可能产生滑坡及崩塌的地段。当个别地段不能避开山洪坠石和雪崩危害时，应当有切实可行的防护措施。,第二节 压力管道的布置和供水方式,尽量减少管道线路的起伏波折，管道线路不宜与交通道路或其他管道交叉，在不能避免时应设专门桥涵来互相隔离。避开可能发生山崩或滑坡地区，明钢管应尽可能沿山脊布置，避免布置在山洪集中的山谷中。明钢管的首部应设事故闸门，并应考虑设置事故排水和防冲措施，以免钢管发生事故时危及电站设备和运行人员安全。二、压力管道的供水方式水电站的的机组往往不止一台，压力管道可能有一根或者几根，压力管道要机组的供水方式可归纳为三种:单元供水、联合供水和分组供水。各种形式优缺点如表所示：,第二节 压力管道的布置和供水方式,第二节 压力管道的布置和供水方式,第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定,一、水力计算压力管道的水力计算包括恒定流计算和非恒定流计算。（一）恒定流计算恒定流计算其目的是为了确定管道的水头损失。管道的水头损失对于水电站装机容量的选择、电能的计算、经济直径的确定及调压室稳定断面计算等都是不可缺少的。水力损失包括摩阻损失和局部损失两种。1摩阻损失管道中的水头损失与流态有关，水电站压力管道中的水流的雷诺数Re一般都超过3400，因而水流处于紊流状态，摩阻水头损失可用曼宁公式或斯柯别公式计算。,第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定,曼宁公式应用广泛，在水力学中已介绍，略。斯柯别根据198段水管的1178个实测资料，推荐用以下公式计算每米长钢管的摩阻损失：式中:水头损失系数，焊接管用0.00083。meKt，考虑随使用年数t的增加而增大的系数，清水K0.01，腐蚀性水K0.015。2局部损失在流道断面急剧变化处，水流受边界的扰动，在水流与边界和水流内部形成旋涡，会造成较大的能量损失，这种损失通常称为局部损失。,第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定,压力管道的局部损失发生在进口、门槽、渐变段、弯段、分岔处，局部损失的计算公式为：式中:V钢管的最大设计流速，m2/s；（二）非恒定流计算管道中的非恒定流现象称为水锤。进行非恒定流计算的目的是为了推求管道各点的动水压强及其变化过程，为管道的布置、结构设计和机组的运行提供依据。管道非恒定流计算的内容见第九章。,第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定,二、管径的确定压力管道的直径应通过动能经济计算确定。其基本原理同渠道和隧洞经济断面的确定方法。可以拟定几个不同管径的方案，进行比较，选定较为有利的管道直径，也可以将某些条件加以简化，推导出计算公式，直接求解。在可行性研究和初步设计阶段，可用彭德舒公式初步确定大中型压力钢管的经济直径。Qmax钢管的最大设计流量，m3/s；H设计水头，m。,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,一、钢管的材料钢管的受力构件有管壁、加劲环、支承环及支座的滚轮和支承板等。管壁、加劲环、支承环和岔管的加强构件等应采用经过镇静熔炼的热扎平炉低碳钢或低合金钢制造。对于焊接管，钢材的基本性能包括机械性能、加工性能和化学成分等方面。（一）机械性能机械性能指钢材的屈服点、极限强度、断裂时延伸率和冲击韧性。屈服极限 s和极限强度 b是钢材强度的两个特征值,屈服极限是容许使用应力的上限，钢管的工作应力不许超过它。,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,延伸率是试件实际破坏时的相对变形值，代表材料的塑性性能。普通碳素钢的约为20%24%。钢材的脆性破坏、时效硬化趋向、材料抗重复荷载和动荷载的性能用冲击韧,性ak表示。冲击韧性通过试验确定，其值应不小于规范规定的值。（二）加工性能,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,钢材的加工性能主要指辊轧、冷弯、焊接等方面的性能，应通过样品试验确定。冷弯性能对于制造钢管的钢材特别重要，制造钢管的基本作业是辊轧和弯曲，经过冷作业的钢板发生塑性变形，故发生冷强，继而时效硬化，钢材变脆。焊接性能指钢材焊接后的性能，应保证焊缝不开裂，也不降低焊缝及相邻母材的机械性能（如强度、延伸率、冲击韧性等）。（三）化学成分钢材的化学成分直接影响钢材强度、延伸率和焊接性能。,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,当碳素钢的含碳量超过0.22%时，硬度急剧上升，s上升，塑性和冲击韧性降低，可焊性恶化。硅的存在有同样的影响，含量应限制在0.2%以内。镍和锰能够提高钢材的机械性能。硫、磷、氮、氧等含量高使钢材变脆，强度降低。二、容许应力钢材的强度指标一般用屈服点表示。钢材的容许应力一般用 s除以安全系数K获得。不同的荷载组合及不同的内力、应力特性应采用不同的容许应力。压力钢管的容许应力可按表采用。,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,对于高强度钢材，若屈服强度s与抗拉强度 b之比值（屈强比）大于0.67，应以 s=0.67 b计算容许应力。坝内埋管膜应力区在特殊荷载的组合下的容许应力取0.9 s时，仅适用于按明管校核的情况，其余都取0.8 s。三、管身构造,第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造,压力钢管按构造又可分为无缝钢管、焊接管和箍管。焊接管是用钢板按要求的曲率辊卷成弧形，在工厂用纵缝焊接成管节，运到现场后再焊接横缝将管节连成整体。在焊接横缝时，应使各管节的纵缝错开。管壁厚度一般经过结构计算确定。管壁的结构厚度取为计算厚度加2mm的锈蚀厚度。考虑到制造工艺、安装、运输的要求，管壁的最小结构厚度不宜小于下式确定的数值，也不宜小于6mm。D/800+4式中：D钢管直径，mm。为消除焊接引起的应力，焊后进行消除残余应力处理。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,明钢管的敷设,伸缩节,支撑环,加劲环,镇墩,支墩,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,一、明钢管的敷设方式明钢管一般敷设在一系列的支墩上，底面高出地表不小于0.6m。在自重和水重的作用下，支墩上的管道相当于一个多跨连续梁。在管道转弯处设镇墩，将管道固定，不产生任何位移，相当于梁的固定端。明钢管的布置方式分为连续式和分段式两种。连续式布置两个镇墩之间的管段是连续的，即不设伸缩节。水管两端受镇墩的约束，当温度变化时，管壁中会产生很大的温度力，对镇墩的稳定不利。除在特殊部位,一般很少采用。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,明钢管的敷设方式,伸缩节,镇墩,镇墩,支墩,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,分段式布置镇墩间的钢管上设置伸缩节。当温度变化时，水管可以沿轴线方向自由伸缩，消除管壁内温度应力。明钢管一般采用分段式敷设，在两镇墩间设有伸缩节，当温度变化时，管身可在轴向自由伸缩。由温度变化引起的轴向力仅为管壁和支墩间的摩擦力和伸缩节的摩擦力，也能适应少量的不均匀沉陷或变形。为了减小伸缩节的内水压力和便于安装钢管，伸缩节一般布置在上镇墩的下游侧，靠近镇墩处。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,二、明钢管的支墩和镇墩（一）支墩支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相当于梁的滚动支承，允许管道在轴向自由伸缩。支墩的间距应通过结构分析和经济比较确定，一般在6-12m之间。按管身与墩座间相对位移的特征，支墩有三种型式：滑动式、滚动式和摆动式。1.滑动式管道伸缩时沿支墩顶部滑动,分为鞍式和支撑环式两种。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,鞍式：钢管直接放在鞍形的混泥土支座上，鞍座的包角在120度左右。为减小鞍座与管壁间摩擦力,在鞍座上设金属支撑面，并敷润滑剂。鞍式的优点：结构简单，造价低。缺点：摩阻力大，支撑部分管身受力不均匀，适用于直径在100cm以下的管道。支撑环式：在支墩处的管身外围加刚性的支撑环,用两点支撑在支墩上,可改善支座处的管壁应力状态，减小滑动摩阻，并可防止滑动时磨损管壁，但与滚动式比，摩阻系数仍然较大，适用于直径200cm以下的管道。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,2.滚动式滚动式支墩：与支撑环式不同之处，在支撑环与墩座间有辊轴，改滑动为滚动，从而使摩擦系数降为0.1左右，适用于直径200cm以上的管道。辊轴直径有限，辊轴与上下承板接触面积较小，不能承受较大的垂直荷载，使该支墩的使用受到限制。3.摆动式摆动式支墩：是在支撑环与墩座之间设一摆动短柱。摆柱的下端与墩座铰接，上端以圆弧面与支撑环的承板接触，管道伸缩时，短柱以铰为中心前后摆动。这种支撑摩阻力很小，能承受较大的垂直荷载，适用于大直径管道。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,（二）镇墩镇墩一般布置在管道的转弯处，其作用是用来承受因管道改变方向而产生的不平衡力将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移。直线段超过150m在其中间也应设置镇墩，此时伸缩节可布置在中间镇墩两侧的等距离处，以减小镇墩所受的不平衡力。1镇墩型式镇墩由混凝土浇制，靠自重保持稳定。根据管道的固定方式，镇墩分为开敞式和封闭式两种。开敞式镇墩用锚固环固定在混凝土底座上。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,2镇墩设计镇墩是管道的固定端，它承受管道的轴向力、法向力和弯矩，荷载以轴向力为主。镇墩主要受压，在强度上容易满足，其体积取决于稳定的需要。镇墩承受的轴向力见表。还承受部分管重和水重产生的垂直管轴方向的法向分力。其法向分力QP1、QP2由下式计算：gP1、gP2 镇墩上下游单位管长的管重和水重；,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,1、2镇墩上下游管段的倾角；L1、L2 镇墩与上下游相邻支墩间管道长度之半。镇墩设计应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出各力的最不利组合，从而求出镇墩的形状和尺寸。,镇墩设计,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,求出上述各力的水平合力X和垂直合力Y，镇墩自重为G，镇墩与地面摩擦系数为fc，则抗滑安全系数：Kc一般不小于1.5，从而求出镇墩必须的重量和体积。对初拟的轮廓尺寸进行地基应力校核，以保证总的合力作用点在镇墩底宽的三分点之内，避免镇墩底面出现拉应力；软基上镇墩的地基反力应力求均匀，以减小不均匀沉陷，其值不应超过地基的容许承载力。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,三、明钢管上的闸、阀门和附件（一）闸门及阀门压力管道进口处常设置平面钢闸门，以便在压力管道发生事故或检修时切断水流。平面钢闸门价格便宜，便于制造，应用较广。在压力管道末端，即蜗壳进口处，是否需要设置阀门视具体情况而定。一般单元供水，如果管道进口处设有闸门，则蜗壳进口处可不设阀门；而联合供水或分组供水，则需在管道末端设置阀门。压力管道上的阀门，最常用的是蝴蝶阀和球阀，小型水电站有时用平板阀。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,1蝴蝶阀蝴碟阀由阀壳和阀体构成。阀壳是一短圆筒，阀体形似圆饼，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。优点：启闭力小，操作方便，体积小，重量轻，造价低。缺点：在开启状态，由于阀体对水流的扰动，水头损失较大，在关闭状态，止水不够严密。适用于直径较大和水头不很高的情况，应用最广泛。2球阀球阀由球形外壳、可转动的圆筒形阀体及其他附件构成。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,球阀构造和工作原理,蝴碟阀构造和工作原理,阀体,阀体,阀心,阀心,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,优点：在开启状态时没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压。缺点：结构较复杂，尺寸和重量较大，造价高。适用于高水头水电站的水轮机前阀门，可在动水中关闭。（二）附件钢管上的附件有伸缩节、通气阀、人孔和排水管等。1伸缩节伸缩节：当温度变化时，水管可以沿轴向自由伸缩，消除管壁内的温度应力，减小作用在镇墩上的作用力，设置的伸缩节也能适应少量的不均匀沉陷和变形。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,伸缩节根据功用的不同，有单套筒伸缩节（图A）和双套筒伸缩节（图B）两种结构型式。2通气阀通气阀常设在阀门后，其功用与通气孔相似，阀门紧急关闭进气，管道充水排气，然后利用水压将通气阀关闭。3人孔进人孔是工作人员进入管内进行观察和检修的通道。明钢管的人孔宜设在镇墩附近，以便固定钢丝绳、吊篮和布置卷扬机。长管道间距150m一个，直径450-500mm圆孔，便于进人为原则。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,伸缩节工作原理,A,B,伸缩方向,1或2,3,D1,D2,1,1,2,3,伸缩方向,1橡皮填料；2大麻或石棉填料；3拉紧螺栓,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,4排水及观测设备排水设备：管道的最低点应设排水管，以便在检修管道时排除积水和阀门漏水。,加强板,导流板,把手,孔盖,接管,固定螺栓,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,一、明钢管的荷载1荷载明钢管设计荷载应根据运行条件，具体分析确定。一般有：（1）内水压力：包括：1）正常蓄水位的静水压力；2）正常工作情况最高压力(正常蓄水位,丢弃全负荷)3）特殊情况最高压力(最高发电水位,丢弃全负荷)；4）水压试验内水压力（2）钢管结构自重（3）钢管内的满水重,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,（4）钢管充水，放水过程中，管内部分水重（5）温变引起的力，对分段敷设的明钢管，即伸缩节和支墩的摩擦力（6）管道直径变化处，转弯处及作用在闷头，闸阀，伸缩节上的水压力（7）镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力（8）风荷载（9）雪荷载（10）施工荷载（11）地震荷载（12）管道放空时通气设备造成的气压差,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,2计算工况与荷载组合基本荷载组合正常运行情况一：2）（2）（3）（5）(6)(7)正常运行情况二：1）(2)(3)(5)(6)(7)(8)或(9)放空情况：（12）特殊荷载组合特殊运行情况：3）+（2）+（3）+（5）+（6）+（7）水压试验情况：4）+（2）+（3）+（6）施工情况：2）+（5）+（8）或（9）+（10）充水情况：2）+（4）地震情况：1）+（2）+（3）+（5）+（6）+（7）+(11),第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,二、管身应力分析和结构设计明钢管的设计包括镇墩、支墩和管身等部分。主要讨论管身设计问题及外压稳定校核。明钢管一般由直管段和弯管、岔管等组成。直管段支承在一系列支墩上，支墩处管身设支承环。直管段的设计包括管壁、支承环和加劲环、人孔等附件。支承在一系列支墩上的直管段在法向力的作用下类似一根连续梁。,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,根据受力特点，管身的应力分析可取如图所示的三个基本断面：跨中断面1-1；支承环附近断面2-2和支承环断面3-3。三个断面的应力计算公式汇总于表中。（一）跨中断面（断面1-1）（二）支承环附近（断面2-2）（三）支承环断面（断面3-3）钢管处于三维应力状态，强度校核的方法是求出应力并与容许应力比较。,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,钢管的强度校核目标多采用第四强度理论，其强度条件式中：为焊缝系数，取0.90-0.95。由于r、xr、r一般较小，故上式简化为：在管径较大、管壁较薄和倾角较小的明钢管还应校核考虑钢管充水、放空过程中部分充水状态，管壁可能产生较大弯曲应力。,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,（四）外压稳定校核明钢管是一个薄壳结构,能够承受较大的内水压力,但在外压的作用下容易失稳，屈曲成波形，失去承载能力，因此按强度、构造确定管壁后需进行外压稳定校核。水电站钢管主要考虑明钢管在均匀径向外压作用下的稳定问题。无加劲环的明钢管,管壁的临界外压：安全系数取2.0。如不满足时一般加设加劲环，加劲环的间距根据管壁抗外压稳定的要求确定。三种不同加劲环的断面形式。,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,有加劲环的管壁，临界外压：,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,式中：l加劲环间距；n屈曲波数，需假定不同的n，用试算法求出最小的Pcr。对应于最小Pcr之n值用下式估算：D管径，按上式求n，取相近整数后代上面公式求Pcr。以上二式适用于 的情况，反之，管壁将因压力过大而失去承载能力。,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,有加劲环的时候，加劲环自身的临界外压在以下二式中取小值：决定管壁厚度的步骤：根据强度计算确定管壁的计算厚度，加2mm的得管壁的结构厚度0，并与规范规定的最小厚度比较取大者；进行抗外压稳定校核（不计2mm裕度），如不满足，用设置加劲环办法提高其抗外压能力较经济；加劲环的间距根据管壁抗外压稳定的要求确定，加劲环自身稳定按上式确定。,