水电站的压力水管 第一节压力水管的功用与结构形式 、压力水管的特点与功用 压力水管是指从水库或水电站平水建筑物（压力前池或调压室）向水 轮机输送水量的管道。它的特点是坡度陡，内水压力大，靠近厂房，且承 受水击的动水压力。故又称为高压管道或高压水管。 图1压力水管 压力管道的功用是输送水能。 二、压力水管的结构形式与适用条件 按结构、材料、管道布置及周围介质的不同，压力水管的结构形式也 不同。 表1压力水管类型表 按结构型式分 按材料分 明管（露天式）：布置在地面上 钢管，钢筋混凝土管 地下压力管道：布置在地面以下包括： 不衬砌，锚喷或混凝士衬砌， (1)地下埋管：(2)回填管两种： 钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管 混凝土坝身管道：依附于坝身，包括： 钢筋混凝土结构，钢衬钢筋混 (1)坝内埋管；(2)坝后背管 凝土结构，预应力钢筋钢衬混 凝土结构 (一)坝体压力管道 堤坝式水电站厂房紧靠坝体布置，压力管道穿过坝身成为坝体压力管 道。根据布置形式不同，有以下两种结构形式。 1、坝内埋管 埋设在坝体混凝土中的压力管道称为坝内埋管，常采用钢管，布置形 式有： (1)斜式。这种布置形式，进水口高程较高，上部管道内水压力小： 管道轴线可平行于大坝主应力线，降低孔口应力，减少钢管周围钢筋用量： 1
进口闸门及启闭设备的造价较低，运行管理方便。缺点是转弯多，用钢量 较大。常用于坝后式水电站。 (2)平式。这种布置形式进水口高程较低，进口闸门承受的水头较高 闸门结构复杂，压力管道内水压力较大；但管线短，转弯少，水头损失和 水击压力均较小。常用于混凝土薄拱坝、支墩坝及较低的重力坝坝后式水 电站。 (3)竖井式。当进水口与厂房水平距离近而垂直高差大时，宜采用此 布置形式。此时，管道长度短，但弯管段弯曲半径小，水头损失大，管道 孔洞对坝体应力影响较大。常用于坝内式和地下式厂房的水电站。 港土烟 引水管 机 (1)斜式 (2)平式 (3)竖井式 图2坝体压力水管 2、坝后背管 坝内埋管的安装与大坝施工干扰较大，且影响坝体强度。为此，可使 钢管穿过上部坝体后布置在下游坝坡上，成为坝后背管。这样布置的管道 较布置在坝内时稍长，且管壁要承受全部内水压力，壁厚较大，用钢量多。 常用于宽缝重力坝、支墩坝及薄拱坝的坝后式水电站。 中y 图3坝后背管
(二)地面压力管道 引水式地面厂房的压力管道通常沿山坡脊线露天敷设成地面压力管 道，称为明管，又称露天式压力水管。无压引水式水电站多采用此种结构 形式。 根据管道材料不同，常有以下两种： 1、钢管 钢管一般为钢板焊接而成。它具有强度高，抗渗性能好等优点，广泛 应用于中高水头水电站和坝后式水电站。其适用水头范围可由数十米至几 千米。高水头小流量、直径在1m以下的地面压力管道可采用无缝钢管， 但造价较高。 2、钢筋混凝土管 钢筋混凝土管造价低，经久耐用，可就地制造，能承受较大外压，但 管壁承受拉应力的能力较差。钢筋混凝土管可分为普通钢筋混凝土管、预 应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。普 通钢筋混凝士管一般适用于静水头H和管直径D的乘积HD<60m2,且静 水头不宜超过50m的中小型水电站：预应力和自应力钢筋混凝土管具有弹 性好、抗拉强度高等特点，但制作要求较高。其适用范围可达HD≤3〔 0m2,静水头可达150m。用以代替钢管，可节约钢材60%以上。位于岩石 中的现浇钢筋混凝土管归于隧洞一类。 (三)地下压力管道 当地形地质条件不宜布置成明管或电站布置在地下时，往往将压力管 道布置在地面以下成为地下压力管道。 地下压力管道有地下理管和回填管两种：埋入地层岩体中的压力水管 称为地下埋管。回填管是在地面开挖沟槽，压力水管敷设在沟槽内后，再 以土石回填。 第二节压力水管的路线和布置形式选择 压力水管路线的选择 压力水管路线选择的合理与否，直接影响水电站枢纽总体布置、工程 造价、施工难易、运行的安全可靠和经济性。压力水管路线选择的一般原 则为： 1、管线尽量短而直。 2、管路沿线地质条件好。 3、明管路线应尽量避开山坡起伏大和其他危及管道安全的地段。 4、避免管道内产生局部真空。 5、管线倾角合适。 二、压力水管布置形式
压力水管向水轮机的供水方式可分为以下三种： 1、单独供水 一根压力水管只向一台机组供水，即单管单机供水。这种供水方式结 构简单，水流顺畅，水头损失小，运行灵活可靠，其中一根水管或一台机 组发生故障需要检修时不影响其它机组运行，但当管道较长时，工程量大， 造价较高。适用于水头不高、流量较大、管长较短的情况。 2、联合供水 由一根总管在末端分岔后向电站所有机组供水。这种供水方式的显著 优点是可以节省管材，降低造价。多在高水头小流量的水电站中采用。其 缺点是运行的灵活性和可靠性较单独供水方式差，当总管发生故障或检修 时，将使电站全部机组停止运行，由于增加了分岔管、弯管等构件，结构 上较复杂，且水头损失也较大。 3、分组供水 每根主管在末端分岔后向两台或两台以上机组供水，即多管多机供水。 这种供水方式的优缺点同联合供水方式相似，只是当一根主管发生故障或 检修时，不致造成电站所有机组停止运行。一般适用于管道较长、机组台 数较多、需限制管径过大的电站。 无论采用联合供水或者分组供水，与每根水管相连的机组台数一般不 宜超过4台。 压力水管的轴线与厂房的相对方向可以采用正向、侧向、或斜向的布 置。 正向布置的优点是管线较短，水头损失也较小；缺点是当水管失事破 裂时，水流直泻而下，危及厂房安全。这种方式一般适用于水头较低水管 较短的水电站。侧向或斜向布置时，当水管破裂后，泄流可从排水渠排走， 不致直冲厂房，但管材用量增加，水头损失也较大 在确定上述布置方式时，除考虑各种布置的优缺点外，还应综合考虑 厂区布置以及地形、地质条件等因素。 第三节压力水管的水力计算与经济直径 、压力水管的水力计算 压力水管的水力计算包括恒定流计算和非恒定流计算两部分。 恒定流计算主要是确定压力水管的水头损失，以供确定水轮机的工作 水头、选择装机容量、计算电能和确定管径之用。水头损失包括沿程摩阻 损失和局部水头损失两种。 1、沿程摩阻水头损失 水电站压力水管中的流态一般为茶流，沿程摩阻损失常用满宁公式计 算。 y
2、局部水头损失 压力水管的局部水头损失发生在进口、门槽、拦污栅、弯段、渐变段、 分岔处。可根据水力学或工程手册中有关公式计算。 二、压力水管的经济直径 压力水管直径选择是压力水管设计的重要内容之 相应于某一压力水管直径D的电力系统年费用（或总费用）为压力管 道与替代电站的两部分年费用（或总费用）之和。使系统年费用（或总费 用)为最小的压力水管直径称为压力水管的经济直径。 影响经济直径的因素很多，除动能经济因素外，还有水轮机调节、泥 沙磨损、材料设备及施工等因素。对不重要的工程或缺乏可靠的技术经济 资料时，可采用经济流速的数据选择管径。即 40p D=VNπv, 式中Q。一水轮机单机设计流量，ms: v。一一经济流速，明钢管和地下埋管为46ms:钢筋混凝土管为 24ms:对坝内埋管，当设计水头30~70m时为36m/s,设计水头70~100m 时为5-7m/s。 水电站压力水管的直径随水头的增高而逐渐缩小是经济合理的，但变径 次数不宜过多，通常是在镇墩处分段变径并在该处缩小。 三、管壁厚度估算 明钢管所承受的荷载主要是内水压力，所以在设计压力钢管时，一般 只考虑内水压力初步确定各管段所需的管壁厚度，然后再对典型断面进行 较详细的应力分析，校核管壁厚度是否满足强度和稳定的要求。 初步确定管壁厚度时，考虑到内水压力是钢管的主要荷载，所以按强 度要求可近似地采用“锅炉”公式，用降低管壁材料容许应力的方法来估 算厚度，因此可得： YHD 6≥2p[6] 式中y一水的容重，N/m: H一内水压力，m,包括水击值，初估时水击值按静水头的15%~30%， 高水头用小值，低水头用大值： 中一焊缝系数，约为0.9一0.95，双面对接焊取0.95，单面对接焊 取0.90： 5