水電站

武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水電站教研室第八章水電站的壓力管道第一節(jié)壓力管道的功用和類型一、功用和特點：功用：將水從水庫、前池或調(diào)壓室引入水輪機。特點：①承受電站的最大動、靜水壓力。②坡度陡，靠近廠房，且一般布置坡度較陡，一旦出現(xiàn)事故，將直接危及廠房安全。二、壓力水管的類型按布置方式分：露天式（明管），地下式（地下埋管），壩內(nèi)管。按材料分：鋼管、鋼筋混凝土管、鋼襯鋼筋混凝土管。二、壓力水管的類型壓力管道所承受的主要荷載是內(nèi)水壓力，選用什么材料的壓力管道，衡量的主要參數(shù)為HD值。（其中H為水電站工作水頭，D為壓力水管內(nèi)徑）由鋼材卷制而成,其強度很高,可以承受較大的內(nèi)水壓力,適用于中高水頭電站。多為引水式地面廠房采用。一般在其上設(shè)置鎮(zhèn)墩、支墩、加勁環(huán)、伸縮節(jié)、閥門、進人孔、通氣閥等。露天式明鋼管神農(nóng)架紅花坪電站神農(nóng)架三堆河水電站神農(nóng)架某水電站神農(nóng)架坪頭水電站地下埋管布置在山體中,多為引水式地面廠房或地下廠房采用。地下埋管可以是鋼筋混凝土管或鋼襯鋼筋混凝土管。鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管具有造價低、可節(jié)約鋼材、能承受較大外壓和經(jīng)久耐用等優(yōu)點，通常用于內(nèi)壓不高的中小型水電站。普通鋼筋混凝土管：一般用于HD<50m2的情況；預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管：一般HD值可超過100m2。預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管：一般HD值可超過100m2。鋼筋混凝土管按布置方式可以是明管也可以是埋管。鋼襯鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管是在鋼筋混凝土管內(nèi)襯以鋼板構(gòu)成。在內(nèi)水壓力作用下鋼襯與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可以減小鋼襯的厚度，該管適用于大HD值的情況。由于鋼襯可以防滲，外包鋼筋混凝土可按允許開裂設(shè)計，以充分發(fā)揮鋼筋的作用。壩身管布置在壩體內(nèi)部或壩下游面,多為壩后式或壩內(nèi)式廠房采用。壩內(nèi)管有豎井式和斜井式布置型式。第二節(jié)壓力管道的布置和供水方式一、壓力管道的布置管道線路盡可能短而直。盡量選擇良好的地質(zhì)條件。盡量減少管道線路的起伏波折。避開可能產(chǎn)生滑坡及崩塌的地段。明鋼管的線路選擇應(yīng)與電站引水系統(tǒng)中其他建筑物，特別是前池或調(diào)壓室，還有和水電站廠房統(tǒng)一布置。一、壓力管道的布置規(guī)范規(guī)定：管頂任何部位都應(yīng)在最低壓力線以下，并有2m的余壓。轉(zhuǎn)彎處需設(shè)鎮(zhèn)墩，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)不小于3倍管徑，并且明鋼管底部至少高出地表0.6m,以便安裝檢修。二、壓力管道的供水方式

一、供水方式供水方式取決于機組臺數(shù)，單機流量，地質(zhì)條件以及制造、安裝條件。供水方式常有這樣三種類型：1、單元供水2、集中供水3、分組供水一、供水方式優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，運行靈活，可靠性好。缺點：鋼材用量大，經(jīng)濟性較差。適用條件：管道較短，單機流量大，比如壩內(nèi)埋管。優(yōu)點：鋼材用量最省，經(jīng)濟性較好。缺點：運行靈活性和可靠性較差，需設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分岔管。適用條件：管道較長，流量較小的情況，比如引水式電站。優(yōu)缺點介與單元供水和集中供水之間根據(jù)壓力水管主管與主廠房縱軸線相對位置，壓力管道的引進方式分為：主要考慮壓力管道爆破的可能性，以及對廠房所產(chǎn)生的危害。1、正向引進；2、斜向引進；3、縱向引進。二、引進方式第三節(jié)壓力管道的水力計算與經(jīng)濟直徑一、水力計算1、恒定流計算：主要是為了確定管道的水頭損失，它包括摩阻損失和局部損失。（1）摩阻損失：（曼寧公式）；每米管長內(nèi)摩阻損失。（2）局部損失：ζ：局部損失系數(shù)；2、非恒定流計算：即水錘計算最低壓力線（上游最低發(fā)電水位，即死水位時，電站最后一臺機組投入運行，或是機組丟棄負(fù)荷正水錘而反射而成的負(fù)水錘）確定最高壓力線及其分布：管道結(jié)構(gòu)計算的依據(jù)。確定最低壓力線及其分布：校核管線布置，要求管頂至少應(yīng)在最低壓力線以下2m。①正常工況（上游正常高水位，機組丟棄全負(fù)荷）②特殊工況（上游最高發(fā)電水位，機組丟棄全負(fù)荷）一、水力計算二、管徑的確定壓力管道的直徑應(yīng)通過動能經(jīng)濟計算確定。與確定渠道斷面一樣。Qmax—鋼管的最大設(shè)計流量，

單位：m3/sHp—設(shè)計水頭，m。一般做法是：初擬幾個直徑，進行動能經(jīng)濟比較，選定最優(yōu)直徑。

初設(shè)時可用下列經(jīng)驗公式初定。第四節(jié)鋼管的材料、容許應(yīng)力和管身構(gòu)造一、鋼管的材料壓力鋼管受高內(nèi)壓及水錘壓力，對材料要求嚴(yán)格，早期壓力鋼管事故多為選材不當(dāng)所致。鋼管一般采用鎮(zhèn)靜溶煉的熱軋平爐低碳鋼或低合金鋼。常用的鋼材有：對于焊接管，鋼材的基本性能包括：機械性能、加工性能和化學(xué)成分等方面。鋼材的屈服強度極限強度斷裂時的延伸率沖擊韌性機械性能輥軋冷彎焊接加工性能化學(xué)成分：主要是鋼材的碳、錳、硅、鎳、硫等的含量方面的要求。一、鋼管的材料二、容許應(yīng)力應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)荷載組合基本特殊基本特殊內(nèi)力性質(zhì)軸力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩允許應(yīng)力[σ]明鋼管0.55σs0.7σs0.67σs0.85σs0.8σs1.0σs地下埋管0.67σs0.9σs

壩內(nèi)埋管0.67σs0.8σs0.9σs

安全系數(shù)K可參考有關(guān)規(guī)范。規(guī)范規(guī)定的鋼管容許應(yīng)力

強度校核第四強度理論:其中：焊縫系數(shù)一般可取0.9-0.95,與焊縫方法、探傷標(biāo)準(zhǔn)、建筑物等級有關(guān)。可忽略時，強度校核可近似表示作：三、管身構(gòu)造壓力鋼管按其構(gòu)造又分為無縫鋼管、焊接管和箍管，其中焊接管應(yīng)用最普遍。對焊接管一些最主要的構(gòu)造要求，如（最小壁厚、管徑變化、焊縫要求、橢圓度、管壁防銹厚度等），設(shè)計時需查閱有關(guān)規(guī)范。如：對于明鋼管，縱縫不應(yīng)布置在橫斷面的水平軸線和垂直軸線上，與軸線的夾角應(yīng)大于10o。鋼管安裝完畢后，其橢圓度（即相互垂直的兩管徑的最大差值與標(biāo)準(zhǔn)管徑之比）不得超過0.5%。等等。也不宜小于6mm。并且要考慮2mm銹蝕厚度。管壁最小結(jié)構(gòu)厚度為：三、管身構(gòu)造白蓮河抽水蓄能電站鋼管加工（一）白蓮河抽水蓄能電站鋼管加工（二）白蓮河抽水蓄能電站鋼管加工（三）白蓮河抽水蓄能電站鋼管加工（四）白蓮河抽水蓄能電站鋼管加工（五）第五節(jié)明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩一、敷設(shè)方式根據(jù)兩鎮(zhèn)墩間是否設(shè)伸縮節(jié)，明鋼管的敷設(shè)方式可劃分為：連續(xù)式分段式。兩個鎮(zhèn)墩之間的管段是連續(xù)的，即不設(shè)伸縮節(jié)。由于水管兩端受鎮(zhèn)墩的約束，所以當(dāng)溫度變化時，管壁中會產(chǎn)生很大的溫度力，對鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定不利。除了在特殊部位，一般很少采用這種方式（比如回填管或鋼襯鋼筋混凝土管）。連續(xù)式在兩個鎮(zhèn)墩之間的鋼管上設(shè)置一個伸縮節(jié)。當(dāng)溫度變化時，水管可以沿軸線方向自由伸縮，從而消除了管壁內(nèi)的大部分溫度應(yīng)力，也減小了作用在鎮(zhèn)墩上的作用力。伸縮節(jié)一般設(shè)置在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)，并靠近鎮(zhèn)墩。分段式二、明鋼管的支墩和鎮(zhèn)墩（一）支墩支墩按其支座與管身相對位移的特征分：1、作用：支撐鋼管，承受管重和水重的法向分力，相當(dāng)于梁的滾動支座。2、類型：滑動式支座（無支承環(huán)、有支承環(huán)）；滾動式支座；搖擺式支座。鞍形滑動式支座：將鋼管直接支承在一個鞍形的混凝土支座上，包角為90o-120o。其結(jié)構(gòu)簡單，但管身受力不均勻，摩擦力大，適用于直徑小于1m的鋼管。有支承環(huán)的滑動支墩：鋼管通過支承環(huán)放置在支墩上，改善了管壁的受力不均勻現(xiàn)象，適用于直徑小于2m的鋼管。返回滑動式支座特點是在支承環(huán)與支承面之間設(shè)置圓柱形輥軸，摩擦系數(shù)小，常用于垂直荷載較小而管徑大于２米的鋼管。擺動式支墩的特點是在支承環(huán)和支承面之間設(shè)一個可以擺動的短柱，其下端與支承板鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的上托板接觸，鋼管變形時，短柱前后擺動，摩擦力很小，用于管徑大于２米的鋼管。返回滾動式和擺動式支座（二）鎮(zhèn)墩1、作用：將鋼管固定在山坡上，主要承受因管道轉(zhuǎn)彎而產(chǎn)生的軸向不平衡力，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移。鎮(zhèn)墩是依靠自重來維持穩(wěn)定。2、類型：鎮(zhèn)墩依靠本身重量固定鋼管，一般用混凝土澆制，按鋼管在鎮(zhèn)墩上的固定方式，分為封閉式和開敞式兩種形式。將彎管段用錨環(huán)錨在管道下部的混凝土墩上，鎮(zhèn)墩處管道受力不均勻，但易于管道檢修。將彎管段整個埋在混凝土中，固定管道較好，結(jié)構(gòu)簡單，鎮(zhèn)墩處管道受力均勻。封閉式和開敞式鎮(zhèn)墩3、鎮(zhèn)墩設(shè)計：水管自重的軸向分力作用在閥門上的內(nèi)水壓力水管轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)水壓力管徑變化處的內(nèi)水壓力伸縮節(jié)邊緣處的水壓力溫度變化時伸縮節(jié)填料的摩擦力溫變時水管與支墩的摩擦力水流對管壁的摩擦力水在水管轉(zhuǎn)彎處的離心力作用在鎮(zhèn)墩上的力每米長水管重量；管段計算長度；管軸線與水平線之間的夾角；水管自重的軸向分力水的容重；H：該處的水頭；作用在閥門上的內(nèi)水壓力水管轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)水壓力水管直徑變化處的內(nèi)水壓力伸縮節(jié)邊緣處的水壓力hw：計算管段的水頭損失。水流對管壁的摩擦力fk：填料與管的摩擦系數(shù)；注意：溫升溫降作用力方向不一樣。溫度變化時伸縮節(jié)填料的摩擦力Qp:一跨的管重；Qw:一跨的水重；f:管壁與支墩的摩擦系數(shù)。注意：溫升溫降作用力方向不一樣。溫度變化時水管與支墩的摩擦力R:離心力;A9:離心力在管軸線方向的分力。水在水管轉(zhuǎn)彎處的離心力將作用在鎮(zhèn)墩上的力全部畫在鎮(zhèn)墩軸線處。然后根據(jù)大小和方向進行求和。求出：作用在鎮(zhèn)墩上的力管重產(chǎn)生的法向分力：水重產(chǎn)生的法向分力：鎮(zhèn)墩上下游管段的傾角；鎮(zhèn)墩與上下游相鄰支墩間管道長度之半。鎮(zhèn)墩承受的管重和水重的法向分力鎮(zhèn)墩上下游管段單位長度內(nèi)的管重和水重；初擬鎮(zhèn)墩尺寸，求出鎮(zhèn)墩重量（包括鎮(zhèn)墩范圍內(nèi)的管重和水重）G。然后將所有的力沿鎮(zhèn)墩軸線x-y方向進行投影，求出然后求出合力R以及合力的作用點。鎮(zhèn)墩設(shè)計鎮(zhèn)墩的設(shè)計包括：抗滑穩(wěn)定計算；地基應(yīng)力校核；鎮(zhèn)墩細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。鎮(zhèn)墩設(shè)計抗滑穩(wěn)定計算或令反求鎮(zhèn)墩的重量。地基應(yīng)力校核根據(jù)偏心受壓公式，進行地基應(yīng)力校核。為地基允許承載能力。地基應(yīng)力校核要求合力作用點在鎮(zhèn)墩底寬的三分點之內(nèi)。鎮(zhèn)墩底部避免出現(xiàn)拉應(yīng)力。即鎮(zhèn)墩底部均為壓應(yīng)力。圖中e為偏心距三、明鋼管上的閘、閥門和附件（一）閘門及閥門壓力管道進口處常設(shè)置平面鋼閘門，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以截斷水流。對于集中供水和分組供水，在壓力管道末端往往設(shè)置閥門，以增加運行的靈活性。常用的閥門有：蝴蝶閥和球閥，極小型電站有時用平板閥。蝶閥由閥殼和閥體構(gòu)成。閥體形似鐵餅，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。操作有液壓和電動兩種。優(yōu)點：啟門力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價低。缺點：閥門在開啟狀態(tài)時，水頭損失較大。在關(guān)閉