9. 水电站压力管道(一).ppt

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1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 电电 站站2007年年7月月第八章第八章 水电站压力管道水电站压力管道v作用：作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。v特点：特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且坡度陡、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。靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 压力管道的类型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、木管(小型电站)地下埋管（隧洞埋

2、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管道、钢衬钢筋混凝土管道浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 管管浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 木管木管浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 压力管道的布置和供水方式压力管道的布置和供水方式浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水力计算和经济直径的确定水力计算和经济直径的确定一、水力计算一、

3、水力计算v恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。部两部分。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。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。等部位，按水力学公式计算。hw电能电能装机容量装机容量管径选择管径选择浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Qmax压力管道设计流量，压力管道设计流量，H设计水头设计水头3.经济流速法：压力管道经济流速一般为经济流速法：压力管道经济流速一般为46m/s，最大不超过最大不超

4、过7m/s，Ae=Qmax/Ve浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 钢管的材料和管身构造钢管的材料和管身构造 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ =s/Kv不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。应力区域应力区域膜应力区膜应力区局部应力区局部应力区荷载组合荷载组合基本基本特殊特殊基本基本特殊特殊产生应力的内力产生应力的内力轴力轴力轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩允允许许应应力力明钢管明钢管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s地下埋管地下埋管0.67s

5、0.9s坝内埋管坝内埋管0.67s0.8s0.9s按明管校核情况按明管校核情况浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (2)相邻管壁厚度差相邻管壁厚度差 2mm，内部光滑，外部成台阶内部光滑，外部成台阶状。状。3、箍管箍管：钢管外加钢箍。钢管外加钢箍。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 明钢管的敷设方式、镇墩、明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备支墩和附属设备 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 一、敷设方式一、敷设方式v明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于6

6、0cm60cm。v转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。v水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁。跨连续梁。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 二、支墩二、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连功用：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续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温温度变化时度变化时)。2.布置：间距布置：间距L=612m，D特别大时，特别大时，L取取3m。L小小M、Q小

7、小支墩造价高。支墩造价高。3.类型：类型：滑动式滑动式、滚动式滚动式、摆动式摆动式。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ support)：包包角：角：90120，结构简单，结构简单，造价低，摩擦力大，支承造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于部位受力不均匀，适用于D1m。v支承环式支承环式(slidding ring girder support)：在支墩在支墩处管身四周加刚性支承环。处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力摩擦力小，支承部位受力较均匀，较均匀，D2m。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ ring gird

8、er support)v在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很很小，适用于大直径管道。小，适用于大直径管道。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ block)1.功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的功用：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位移。轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。2.布置：在水管转弯处，直线段不超过布置：在水管转弯处，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。类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，

9、固定效果好。开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 封闭式封闭式 开敞式开敞式 镇墩的两种形式镇墩的两种形式浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 求出明钢管作用于镇墩上的各种力，并按照温升求出明钢管作用于镇墩上的各种力，并按照温升情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、求轴向力分量、求轴向力分量 设设 x轴水

10、平顺水方向为正。轴水平顺水方向为正。y轴垂直向下为正，轴垂直向下为正，水管轴线交点为坐标原点。水管轴线交点为坐标原点。求出轴向力总和在求出轴向力总和在x和和 y轴下的分力：轴下的分力：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 利用图解法或数解法利用图解法或数解法求求G及及A的合力作用点位置的合力作用点位置及偏心距及偏心距e。应保证应保证e在镇墩底宽的二分点以内。在镇墩底宽的二分点以内。5、抗滑稳定校核、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求：抗滑稳定应符合下式要求：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的

11、要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值容许值R。可按偏心受压公式计算地基应力。可按偏心受压公式计算地基应力。要求最大值要求最大值maxR，最小值最小值min0，不应出现不应出现负值。负值。(二二)支墩结构分析支墩结构分析 支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1、闸门及阀门、闸门及阀门v压力管道进口设快速闸门压力管道进口设快速闸门(事故门事故门)()(在前池、调在前池、调压室、水库

12、等位置压室、水库等位置)。v对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进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口前应设快速阀门(事故事故阀阀)，其型式有蝴蝶阀、，其型式有蝴蝶阀、球阀。球阀。v小型水电站有时用平板阀。小型水电站有时用平板阀。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Valve)v优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价低。造价低。v缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。较大；关闭状态止水不严。v动水中关闭，在静水

13、中开启动水中关闭，在静水中开启 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ joint)v功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。v位置：常在上镇墩的下游侧位置：常在上镇墩的下游侧(为什么？为什么？)v伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (b)波纹密封套筒式伸缩节波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节波纹管伸缩节浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 3、

14、通气阀通气阀 作用：作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气。中负压；水管充水时，排出管中空气。位置：位置：阀门之后。阀门之后。4、进人孔进人孔 作用：作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左左右，间距右，间距100m。5、旁通阀及排水设备、旁通阀及排水设备v旁通阀：旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后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。平压后开启，以减小启闭力。v排水管：排水管：应设置在水管的最低点；作用：在检修水应设置在水管的最低点；作用：在检

15、修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。管时用于排出管中的积水和渗漏水。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 明钢管的管身应力分析明钢管的管身应力分析一、明钢管的荷载一、明钢管的荷载v内水压力内水压力(包括各种静水压力、水重，水压试验和包括各种静水压力、水重，水压试验和充、放水时的水压力充、放水时的水压力)v钢管自重钢管自重v温度变化引起的荷载温度变化引起的荷载v镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力v风荷载和雪荷载风荷载和雪荷载v施工荷载施工荷载v地震荷载地震荷载v管道放空时通气设备造成的负压。管道放空时通气设备造成的负压。浙江水专国家精品课程浙江水

16、专国家精品课程水电站水电站http:/ 明钢管荷载组合明钢管荷载组合 序序号号荷载荷载基本荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合特殊荷载组合正常运行正常运行放空放空特殊特殊运行运行水压水压试验试验施工施工充水充水地震地震(一一)(二二)1 1内内水水压压力力正常蓄水位的静水正常蓄水位的静水压力压力正常工况最高压力正常工况最高压力特殊工况最高压力特殊工况最高压力水压试验内水压力水压试验内水压力2 2钢管结构自重钢管结构自重3 3钢管内的满水重钢管内的满水重4 4钢管充水、放水过程中，钢管充水、放水过程中，管内部分水重管内部分水重5 5温度变化引起的力温度变化引起的力浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品

17、课程水电站水电站http:/ 6管道直径变化处、转弯管道直径变化处、转弯处及作用在堵头、闸阀、处及作用在堵头、闸阀、伸缩节上的水压力伸缩节上的水压力7 7镇墩、支墩不均匀沉陷镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力引起的力8 8风荷载风荷载或或9 9或或9 99 9雪荷载雪荷载1010施工荷载施工荷载1111地震荷载地震荷载1212管道放空时，管内外气管道放空时，管内外气压差压差浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ mm。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 应力分析的四个基本断面应力分析的四个基本断面浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水

18、电站http:/ 一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。选四个断面进行应力分析。v跨中断面跨中断面11：只有整体弯距作用，且弯距最大只有整体弯距作用，且弯距最大,无局无局部应力部应力受力最简单；受力最简单；v支承环旁管壁膜应力区边缘，断面支承环旁管壁膜应力区边缘，断面22：整体弯距和整体弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力受受力比较简单；力比较简单；v加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面33：由于加劲环的约束，由于加劲环的约束，存在存在局部应力局部应力；v支承

19、环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面44：应力最复杂，存在整应力最复杂，存在整体弯距和剪力体弯距和剪力(支承反力支承反力)的作用，有的作用，有局部应力局部应力。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。为零。1径向应力径向应力 管壁内表面管壁内表面:，“-”表示压应力。表示压应力。管壁外表面：管壁外表面：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 设压力水管中心处的水头为设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平而水管轴线与水平面的夹角为面的夹角为，

20、则在管壁中任意一点则在管壁中任意一点(该点半径与管该点半径与管顶半径的夹角为顶半径的夹角为)的水头为的水头为 压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ =法向力引起的轴向弯曲应力法向力引起的轴向弯曲应力 +轴向轴向作用力引起的轴向应力作用力引起的轴向应力 法向力引起的弯矩和剪力法向力引起的弯矩和剪力 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ M水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；W连续连续梁梁(空心圆环空心圆环)的断面模

21、数，的断面模数，(2)轴向力引起的轴向应力轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为力为，管壁的断面积为F，则则 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1-1 断面应力状态图形断面应力状态图形浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ V管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力;SR计算点以上管壁环形截面积对重心轴静矩计算点以上管壁环形截面积对重心轴静矩,；b受剪截面宽度，受剪截面宽度，；J截面惯性矩，截面惯性矩，。v当当=0(管道

22、顶部管道顶部)和和=180(底部底部)时，时，=0；当；当=90(侧面中点侧面中点)时，达到最大值时，达到最大值 v断面断面(2)-(2)的其他正应力的其他正应力r、和和x均与断面均与断面(1)-(1)相相等，但符号不尽相同。等，但符号不尽相同。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2-2 断面应力状态图形断面应力状态图形浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ r和和管道的半径和管壁的厚度管道的半径和管壁的厚度;浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/

23、 M=0.5(l)2HP =(Fk-a)/(Fk+2l)其中：其中：Fk为为加加劲环劲环的的净净面面积积。v所以：所以：x2=6M/2=1.82HPD/2 =1.821(内壁受拉内壁受拉)浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 所以所以浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v支承环由于承担管重和水重法向力支承环由于承担管重和水重法向力Q而在支墩处引而在支墩处引起的支承反力起的支承反力R，从而在支承环内产生从而在支承环内产生附加应力附加应力。1支承环的支承方式支承环的支承方式 侧支承和下支承两种形式。侧支承和下支承两种形式。图中点划线为支承环

24、图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支墩支支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为承点至支承环截面有效重心轴距离为b，支承反力支承反力为为Q/2cos。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 当采用侧支承时，根据理论分析，在设计时取当采用侧支承时，根据理论分析，在设计时取b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 支承环所承受的荷载支承环所承受

25、的荷载 (1)管重和水重法向分力产生的剪力；管重和水重法向分力产生的剪力；管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为 ，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为力为 (2)支墩两侧的反力支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，钢管一般都是倾斜布置，支承反力为支承反力为 ；(3)支承环自重，但相对较小，可以不计。支承环自重，但相对较小，可以不计。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 当外压力当外压力P增加到临界压力增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧失时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力稳定。临界压力Pcr为为 为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数K，要求：要求：PcrKP。取取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹模钢材的弹模E=2105MPa,略去略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：则得到光滑钢管段不失稳的条件为：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/