范文一：讨论水电站压力管道设计

讨论水电站压力管道设计

摘 要:压力管道的设计工作是确保水电站正常运行的重要环节之一，因此，只有做好设计把关和设计资格认证等才能够确保所设计压力管道的质量水平。本文主要探讨了在水电站工程中设计压力管道的时候应该着重注意的几点问题。

关键词:水电站；压力管道；设计

一、水电站压力管道的位置选择

1.综合考虑多种因素，比选最佳方案

通常情况下，在设计压力管道的位置时应该综合考虑各种因素，例如地质、施工条件、地形、运行状况、水力学以及枢纽布置等。继而设计出几种可行方案，再通过分析各个方案的技术经济指标情况，从中选出最佳的设计方案。

2.符合整体的枢纽布置要求

一般水电站设计的压力管道必须符合整体的枢纽布置要求。同时，铺设压力管道的地区还需要满足以下几个方面的条件，即岩体结构完整稳定、较好的水文地质状况、有利的地质构造、较好的岩性以及方便施工等。

3.确保岩层和压力管道的管线之间的夹角较大

通常在设计水电站的压力管道并铺设管线之前，应该测量岩层和预铺设的管线之间的夹角大小，确保夹角较大。如果岩体的整体呈块状结构，那么夹角要大于 30 度；如果岩体呈层状结构，那么夹角要大于 45 度。但是，如果铺设的压力管道位于高地应力地区，那么为了确保岩层的稳定，可以使铺设的管线方向尽可能地和最大水平地的应力方向保持一致。

4.其它建筑物和压力管道之间应保持一定距离

一般根据计算限制裂缝所开展的宽度来设计压力管道的结构，所以水电站的一些厂房建筑物尽可能地和铺设的压力管道之间保持一定的距离，从而即使压力管道产生裂缝、发生渗漏也不致会直接影响到水电站的厂房建筑物。因此，可以在厂房和压力管道之间搭建一段钢管，以实现上述目的。

二、水电站压力管道的管径和水力计算

1.压力管道的管径计算

通常水电站压力管道的管径又称为横断面尺寸，在计算经济管径的时候要遵循一定的原则，即确保能量损失最少、管道工程费用最小。此外，只有保证压力管道内部的水流速度小于经济水流速度，才能尽可能地降低能量损失。

范文二：水电站压力管道设计研究

水电站压力管道设计研究

杨海涛

:玉溪市水利局 云南 玉溪 653100:

【摘 要】压力管道的设计工作是确保水电站正常运行的重要环节,因此,只有做好设计把关和设计资格认证才能够确保设计的压力管

道的质量水平。 本文主要探讨了在水电站工程中设计压力管道的时候应该着重注意的几点问题。

【关键词】水电站;压力管道;设计

2. 1水电站压力管道的位置设计表示钢筋混凝土结构强度的安全系数，P(kN/cm)表示管道内部承 23. 11综合考虑多种因素，比选最佳方案 通常情况下，在设计压g/c/cE(kNm)表示钢筋的弹性，K0(kNm)表示单位 受的内水压力， ri 表示压力管道衬砌的内层半径，r0 弹性的管道围岩的抗力系数，力管道的位置时应该综合考虑各种因2素，例如地质、施工条件、地形、运行状况、水力学以及枢纽布置等， Eh (kN/cm) 表示管道混凝土的弹 表示压力管道衬砌的外层半径，2Eh(' kN/cm)表示管道混凝土的裂缝弹性。根据以上公式计算的 继而设计出几种可行方案，再通过分析各个方案的技术经济指标情 性， 管道钢筋面积必须大于管道衬砌的最小配筋率。况，然后从中选出最佳的设计方案。1.2 符合整体的枢纽布置要求 一般水电站内部设计的压力管道通常可以使用以下公式来计算钢筋的应力校核 σgi，然后再结 合 必须符合整体的枢纽布置要《水工混凝土结构设计规范》来对混凝土的裂缝宽度进行复核。求，同时，铺设压力管道的地区还需要满足以下几个方面的条件，即 σgi=Pi+100K00.01f+K0i0.01Eg>σg 此外，还可以使用弹γmγ 岩体结构完整稳定、较好的水文地质状况、地质构造简单、上部岩石 性力学和变形协调等方面的相关公式来计 算压力管道横截面的钢筋面积。首先，利用变形协调条件来计算管 层足够厚、岩石足够坚硬以及方便施工等。1.3 确保岩层和压力管道的管线之间的夹角较大 通常在设计水 道围岩所承受的内水压力，公式如下:tc+tr+Δ0=Δs+tc-dc+(tr-dr) 电站的压力管道并铺设管线之前，应该测量岩层其中，dc 是指灌浆之后管道混凝土衬砌所发生的压缩变形，dr 和预铺设的管线之间的夹角大小，确保夹角较大。如果岩体的整体 30 度;如果岩体呈层状结构，那么夹 是指压力管道的松动圈围岩所发生的压缩变形。 呈块状结构，那么夹角要大于角要大于 45 度。但是，如果铺设的压力管道位于高地应力地区，那 并且，钢筋所发生的总体径向变形程度为 Δ0=dc+dr+Δ0 可以根 么为了确保岩层的稳定，可以使铺设的管线方向尽可能地和最大水 据水压力作用的公式计算出压力管道围岩所能承受的压力大小。 平地的应力方向保持一致。. . 14建筑物和压力管道之间保持一定距离 一般根据计算的限制32压力管道的结构分析 通常可以把利用有限元模型所模拟的 裂缝所开展的宽度来设计压力管道的结压力管道划分为二维和构，所以水电站的一些厂房建筑物尽可能地和铺设的压力管道之间 三维的两种有限元模型。其中，二维的有限元模型主要使用平面应 保持一定的距离，从而即使压力管道开裂渗出液体也不会影响到水变单元来模拟压力管道的断层和衬砌围岩，而三维的有限元模型主电站的厂房建筑物。因此，可以在厂房和压力管道之间搭建一段钢 要使用厚壳等参单元来模拟断层和衬砌围岩，此外，还可以使用杆

单元来模拟岩石的锚杆和钢筋等。一般使用二维有限元模型所计算 管，以实现上述目的。2. 水电站压力管道的管径和水力计算 出来的结果比三维有限元模型的结果更加安全可靠。通常在压力管 2.1 压力管道的管径计算 通常水电站压力管道的管径又称为横道的结构分析过程中很难计算出穿越断层的结构，但是如果使用二 断面尺寸，在计算经济管维有限元模型则可以解决这个问题。4. 水电站压力管道的灌浆设计 径的时候要遵循一定的原则，即确保能量损失和管道工程两项费用 4.1 回填灌浆设计方法 在设计水电站的压力管道时所采取的回之和最小。此外，只有保证压力管道内部的水流速度小于经济水流 填灌浆设计方法具体速度，才能尽可能地降低能量损失费用。2.2 压力管道的水力计算 在设计水电站的压力管道的过程中是指，对压力管道的钢筋混凝土衬砌的顶拱部分实施回填灌浆工 1 个或者 2 个回填灌浆孔来进行交替布置。如果设置 1 个 必须合理计算各项水力指艺，使用回填灌浆孔，那么就布置在洞顶;如果设置 2 个回填灌浆孔，那么孔 标，即水头损失、过流能力以及水利过渡等。一般根据有压管道的各 中心线的夹角应该设置成 60 度，和压力管道的中心轴线相对称，排 项水流条件来计算过流能力，而水头损失一般通过使用伯努利方程 200cm。此外，使用混凝土来衬砌的钢板那一段也需要使 距设置成 来计算压力管道的局部损失或者沿途损失。 1 孔或者 2 孔的交替布置方法，但是需要把排距设置成 160cm。 3. 水电站压力管道的结构设计和结构分析 用 填压式灌浆法是回填灌浆设计中的主要灌浆方法。3.1 压力管道的结构设计 通常需要把压力管道埋入较深的地下，4.2 固结灌浆设计方法 固结灌浆设计方法通常是在设计水电站 按照裂缝限制来计算和 确定配筋量，可以在压力管道的内层铺设一层钢筋，从而控制混凝 的压力管道时，用来降低渗透量和提升管道围岩的承载力和整体性，而对压力管道的钢筋 土的最大裂缝宽度。如果需要布置两层钢筋，那么最好把两层钢筋 280cm 就可以 混凝土衬砌部分实施的固结灌浆工艺。一般每相隔都铺设在压力管道的衬砌内侧。 6 个孔，每个孔孔深入基岩内部 一般利用结构力学来计算混凝土压力管道的衬砌开裂时所需 设置一排固结灌浆孔，通常一排有约 2.5 米，相邻的两排的孔交叉相错，设置成梅花的形状。环内加密 铺设的钢筋面积，即使用《水工隧洞设计规范》中的相关公式来计 和环间分序是进行固结灌浆的主要原则。算。4.3 接触灌浆设计方法 在设计水电站的压力管道时，为了加强如果围岩的管道直径小于六米，那么在计算钢筋面积的时候就 可以只考虑内水压力作用所产生的衬砌静力:钢板和回填混凝土之间f=10.01?σgpri+100K0-K0ri0.0001Eg 的结合强度，通常对压力管道的钢板衬砌部分和三条支管部分实施 m=PriEh'lnr0ri 1 个或者 2 个孔的交替设置方法来进行接 接触灌浆工艺。一般使用σg=RgKg 触灌浆，如果设置了 2 个接触灌浆孔，那么孔中心线的夹角可以设 22其中，(f cm/m)表示管道内环的钢筋面积，σ(gkN/cm)表示钢 60 度，和压力管道的中心轴线相对称，一般排距设置为 置成2R(gkN/cm)表示管道设计的钢筋强度，Kg 160cm，灌浆的压力则为 0.1MPa。 :下转第 295 页: 筋所能承受的最大应力，

2014 年第 01 期 ?研究与设计?

电路的稳态性能得到提高。 结论

本文利用状态空间平均法以及小信号模型分析了 Boost 升压

Boost 电路进行了 斩波电路，并根据得到的模型，利用劳斯判据对比例积分调节器的设计，仿真结果表明，上述方法所选择的调节器 的参数使变换器有很好的稳态性能。

?

参考文献: [1] 贾正春马志源,.电力电子学[M].北京:中国电力出版社,2002. 图 4 由实际元件模型仿真得到的输出电压波形 [2] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业 从上图可以看出，再加了比例积分调节器之后，Boost 升压斩波 ,1998. 出版社 :上接第 293 页: 有限元模型来进行计算和分析。 结论 5. 伸缩管和伸缩节的替代设计 综上所述，在设计水电站的压力管道时需要综合考虑各个方面 目前很多水电站在设置压力管道时都使用伸缩管代替传统的 的因素，进而设计压力管道的铺设位置、结构形态、灌浆设计以及伸 10 米，钢板衬砌的厚度约为 伸缩节。通常使用的伸缩管长约mm，外层包裹的软垫层的厚度约为 20mm，软木垫层的材质为聚 缩管的替代设计等。尤其是使用伸缩管代替伸缩节有利于节省投 30 3MPa。一般靠近厂房分缝的伸缩管之间需要预 胺脂，弹性模量约为资，改善水电站的运行效果。 2cm 宽的环形缝隙，外侧需要设置成套环状的垫板。同时， 先留出? 伸缩管的上下两端需要设置止浆环，下端需要设置排水管。伸缩管 参考文献: 外壁可以使用软垫层来包裹，从而适应施工阶段厂房分缝的变位不 [1] 苟芳蓉, 黄煌, 陈子海. 冶勒水电站压力管道设计[J]. 水电站 均匀以及根据先前设计好的比例来向外传递内水的压力。在安装 计 ,2011, 27(1): 10-11. 设[2] 张曼曼, 石广斌, 王红, 等. 积石峡水电站压力管道设计与分 伸缩管的时候可以使用特殊的支架，确保在水电站运行阶段伸缩 析J[]. 水力发电 ,2011, 37(11): 36-39. 管能够在横向和纵向发生较小的位移通常根据压力管道投入钢管的运行顺序来焊接伸缩管预先留。 [3] 古琴. 水电工程压力管道设计应关注的几个问题[J]. 建材与 出的环缝。然后，厂前分缝部位的变位不均匀、温度变化以及内水 , (). 201321装饰 压力等负荷可以直接由伸缩管承受。一般在各种负荷作用下，伸缩 管分缝两端发生的相对位移以及钢板衬砌的应力都可以利用三维

:上接第 292 页:

图 3 报表界面 1)校验程序 图 4 PLC 程序框图 用标准长度的量棒对测试机压头与底座的高度进行校验。将量 传感器电源采用具有隔离作用的直流线性稳压电源，信号传输 棒放置在底座上，当压头接触到量棒时，将量棒的长度数据写入 C 高速计数器中，作为测试机的高度基准。 线采用屏蔽电缆，并单端接地，可靠地解决了干扰问题。PL结束语 2)手动程序 作为微机系统的备用程序，一方面当计算机系统本文设计的基于 PLC 和组态软件的弹簧测试机测控系统利用 出现故障时， PLC 抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了 MCGS 组 了可以人工测试，测试数据在 HMI 文本图形显示器上显示，但此时的 检测数据需要手动记录下来，并且数据不能够存储;另一方面，测试 态软件强大的数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化 技术、计算机技术、通信技术，具有可靠性高、操作简单、维护容易的 机调试时使用。 3)自动程序 特点。目前该弹簧测试机已经在广州机务段投入使用，效果良好。根据不同型号的弹簧，自动将压缩力分为 10 等份，在弹簧压缩 ? 过程中，每经过一个压缩力点，将压缩力、弹簧高度、压缩量作为一 参考文献: PLC 数据寄存器中，一共储存 10 组数据。同 组数据储存在相应的[1] 施耐德 Twido PLC 硬件手册. [2] RS-232/485 接口将数据读入内存，并且储存在数据 时，计算机通过施耐德 Twido PLC 软件手册. [3] 库中。MCGS 5.1 组态软件使用手册. 3. 其它技术措施 [4] 刘士阳 .基于 PLC 和组态软件的搅拌站控制系统. 工控网 .为了提高测试精度，对荷重传感器的线性度进行了分段矫正。 这样，在每段中，荷重传感器输入、输出信号可以视为是线性的。

295

范文三：冶勒水电站压力管道设计

冶勒水电站压力管道设计

苟芳蓉 , 黄 煌 , 陈子海

()中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 , 四川 成都 610072

摘 要 : 冶勒水电站压力管道为地下埋藏式 , 采用钢板混凝土衬砌结构 , 本文介绍了计算原则和计算方法 。

关键词 : 压力管道 ; 地质条件 ; 钢板砼衬砌 ; 结构设计 ; 冶勒水电站

( ) 中图法分类号 : TV 73214 文献标识码 : B 文章编号 : 1003 - 9805 2011 01 - 0010 - 02

长 1 768164m , 其 中 主 管 长 1 706156m , 内 径

( ) ( ) 314m 。设有 上 、中 1 、中 2 、下 四 个 平 段 ; 斜1 前 言

( ) ( ) ( ) 1 、斜 2 、斜 3 三 个 斜 井 段 ; 在 主 管 末 端 带 一 冶勒水库是南桠河梯级开发的龙头水库 。电站 个分岔角为 60 ?的月牙内加强肋 Y 形岔管 , 支管正

向进厂 。主 管 方 位 角 为 N 88 ?27 ′1212 ″W , 支 管 方 正常蓄水位 2 650100m , 机组安装高程 2 005120m ,

3 ( ) 位 角 为 N 68 ?E。上 平 段 与 斜 1 井 段 由 转 角 为水库总库容 2198 亿 m , 装机容量 2 ×120M W 。主

( ) 60 ?、半径 为 1112m 的 立 面 弯 管 连 接 , 中 1 、中要水工建筑物包 括 : 沥 青混 凝土 心墙 堆 石坝 、泄 洪

( ) ( ) ( ) 2 、下平段分别与斜 2 、斜 3 斜井段由转角为洞 、放空洞 、引水隧洞 、调压室 、压力管道 、地下厂房

3 等 。电站设计水头 64418m , 引用流量 52166m / s。 59 8? ′26126 ″、半 径 为 1112m 的 立面 弯 管 连 接 。主

管上平段轴线纵坡 i = 0, 其余平段轴线纵坡 i =

01015, 支 管 轴 线 纵 坡 i = 01052。支 管 内 径 为 2 压力管道布置

212m 。主 、支管均采用 钢 管 衬 护 并 回 填 微 膨 胀 混

凝土 。压力管道纵剖面详见图 1。 211 压力管道管线布置

212 压力管道地质条件 压力管道置于 厂房 后 坡 , 为 地 下埋 藏式 , 采 用

压力管道置于厂房后坡雄厚的山体内 , 围岩由由一条主 管 分 为 两 条 支 管 向 机 组 供 水 的 方 式 , 总

图 1 压力管道纵剖面

收稿日期 : 2009 - 04 - 28

作者简介 : 苟芳蓉 ( 1964 - ) , 女 , 四川成都人 , 工程师 , 主要从事水工设计工作 。

10

2 的强度 设 计 值 f 取 300N /mm, 则 抗 力 限 值 σ 为 致密坚硬的石英闪长岩组成 , 局部有辉绿岩脉和石 R 2 英岩脉穿插 。压力管道上覆围岩厚度一般达 150 ,230177N /mm; 按 埋 管 设 计 的 主 管 段 采 用 钢 材

2 250m , 岩体呈微风化状态 , 压力管道沿线次及小断 WDB 620的强度设计值 f取 410N /mm, 则抗力限

2 层以近 SN ,N E 向 、中陡倾角 50 ?,85 为?主 , 岩体 值σ为 315138N /mm 。按明管设计的支管段采用钢材 R 2 具镶嵌状结构 , 完整 程 度中 等偏 好 , 围岩 以 ?类 为 WDB 620的强度设计值 f取 410 N /mm, 计算得抗力

2 主 , 有一定的自稳能力 , 地下水较丰富 。 σ限值 为 256125N /mm 。 R

3131112 钢板厚度 t的确定

Pr 0 i3 压力管道设计 t + c = σ R

2 P———设计内水压力 , N /mm 式中 ; 311 压力管道水力计算 0

3 r———钢管内半径 , mm; 压力管道主管最大流速为i 5180m / s, 支管最大

3 t ———钢板厚度 , mm;流速 为 6193m / s。钢 板 衬 砌 段 糙 率 采 用 01011、

c ———钢板锈蚀厚度 , m m 。01012和 01013, 另计入渐变段 、蝶阀 、球阀 、岔管及

钢材 : 16M nR , 板厚 10 ,34mm ; W D B 620, 板厚 弯管等局部水头损失 , 求得压力管道在不同设计糙

22,38m m 。() 率值情况下的总水头损失 见表 1 。

31312 钢管承受外压的弹性稳定设计 压力管 道 地 表 1 压力管道水头损失

下 水 从 弱 风 化 线 开 始 计 , 并 考 虑 沿程 h/m局部 h/mh/m 项目 f m w o k

- 3 2016 的折减系数 , 根据压力管道钢衬管壁厚度及外 101160 51297 151457 最小 15742 ×10 Q 5- 3 2最大 710280 ×10 Q 水压力大小 , 在钢管外壁每间隔 114 ,116m 设置了 141192 51297 191489 - 3 2 平均 12709 ×10 Q 6121093 51297 171390 一个高 20 cm 加劲环 , 在每条支管末端每间隔 018m

设置三个高 20 cm 止推环 , 加劲环 、止推环板厚与管 312 压力管道内水锤计算

壁钢板相同 。压力管道设计内压按调压室最高涌浪及压力管

3131211 加劲环间管壁的抗外压稳定 其临界道水锤升压计算确定 。其最大水锤内压为水库水位

抗外压稳定 P按米赛斯公式计算 : 2 650100 、两台机满负荷运行 、丢弃全负荷时的工 c r m

E t E Δ 况 , 经计算水锤升压系数 为 0106, 压力升高值 H= +P × c r 2 22 2 nl( μ )12 1 - 2= 381688m, 钢管末端压力升高的采用值 , 不应小于 )( - 1 r n 1 + 2 2 πrΔ正常蓄水位钢管静水压力的 10 % , 取 H = 65m。压 2 μ 2 n- 1 - 2 3 n - 1 + 力钢 管 末 端 最 高 水 头 H= 70918m , 相 应 水 位 s t 2 2 nl1 +r 2 22 71510m , 而调压室最高涌浪水位为 2 6541443m, πr

1 1 故压力管道设计内水压按水锤升压控制 。 经计算2 4 r r n = 2174 η 水锤降压系数 = 01071 43, 压力降低 l t 值 ΔH = 421487m , 压 力 管 道 末 端 最 小 压 力 为 2 式中 P———加劲管的临界外压 , N /mm ; c r 5521313m。 n ———相应于最小临界压力波数 ;

313 压力管道结构设计 l ———加劲环间距 , mm;

2 31311 压力钢管管壁厚度结构设计 E ———钢材的弹性模量 , N /mm;

3131111 钢管结构构件的抗力限值 σ Rμ ———钢材泊松比 ;按 DL5141 - 2001《水电站压力钢管设计规范 》, r ———钢管内半径 , mm。

埋管独立承担内水压力设计 ,3131212 加劲环的抗外压稳定

1 P采用下式计算 :其临界抗外压 c r σ即 = fRγΨγ 0 d σF s RP= cr Ψ ———设计状况系数 ;式中 rl

2 γ———结构重要性系数 ; 0 σ式中 ———钢材的屈服极限 , N /mm ; s 2 γ———结构系数 ; d F———加劲环有效截面面积 , mm ; R 2 σ———钢结构构件的抗力限值 , N /mm ; R r ———钢管内半径 , mm。2 f ———强度标准值 , N /mm。计算结果均满足 K = 118的安全系数要求 。

() 经计算 , 按埋管设计的主管段采用钢材 16M nR 下转第 19页

11

? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

4 底层抗震墙的超筋问题

进行底部框架房屋结构设计时很多人都发现 ,

钢筋混凝土抗震墙设计中很容易超筋 , 本工程也不

例外 。超筋的原因是抗震墙数量过少 , 但是增加抗

震墙数量又可能使侧向刚度比不满足规范要求 。底

图 4 抗震墙开洞示意 框结构底部抗震墙的数量由构造要求和层间刚度比

控制 。抗震墙的侧移刚度由剪切刚度和弯曲刚度组 有效 , 可大大减少调整抗震墙的工作量 。 成 , 而弯曲刚度与墙 宽 的立 方成 正比 , 因 此 墙体 越

宽 , 需要的墙体数量就越少 。但是 , 墙体越少 , 每片 5 其 他 墙的内力就越大 , 就越容易超筋 。 由于底部抗震墙

() 的高度较低 一层或两层 , 墙 虽然在 617度区总层数不超过 5层的底部框体较宽时容易形成破坏形式为剪切破坏的低矮抗震 架

墙 , 为此 ,《抗震规范 》71515条作出了底部抗震墙宜 房屋允许采用嵌砌在框架间的砌体抗震墙 , 但本次 开设洞口形成若干墙段 , 各墙段的高宽比不宜小于 设计笔者并没有采用 , 而是采用了钢筋混凝土抗震 2 的规定 。对不便开设洞口的底层框架 —抗震墙房 墙 。这是因为此类结构房屋在使用期间往往监管不 屋的底层带边框抗震墙 , 应在墙中设置竖缝使墙体 ()到位 , 使业主 移民 可以任意将底层的砌体抗震墙 分成两个或三个高宽比大于 115的墙板单元 。 一作为填充墙拆除 , 使底层变为纯框架结构 , 对建筑的

般大家多会采用在较长的抗震墙上开设洞口 抗震设防极为不利 , 而此种案例并不鲜见 。 的方法来削弱抗震墙的刚度以 增加 抗震 墙 的数 量 6 结束语 () 见图 4 。这当然是一个很有效的办法 , 但是必须

特别注意 , PM CAD 目前的版本对带洞口钢筋混凝

底部框架房屋结构是一种较复杂的结构体系 , α土抗震墙均按小洞口墙处理 , 即洞口影响系数 大

于或等于 016或洞口高度大于或等于 018 倍层高时 涉及规范条文较多 , 本文仅针对汉源新县城底部框 应将洞口两侧墙段按照独立墙体输入 , 否则就不满 架房屋结构设计特点 , 对 PKPM 软件在应用设计中 足 PM CA D 的计算假定而使计算结果失真 。 所遇到的问题提出笔者的认识和建议 , 供参考 。

参考文献 : α 洞口影响系数 = bh/ lH。式中 b为洞口 h h w jh

宽度 ; h为洞口高度 ; l为抗震墙的长度 ; H为第 j h w j 陈岱林 , 金新阳. 张志宏. 砌体结构 CAD 原理及疑难问题解答 [ 1 ] [M ]. 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2004. 层层高 。在本工程设计中为了避免计算结果失真 ,中华人民共和国建设部. GB 50011 - 2001《建筑抗震设计规范 》 2 ] [ 也采用开小洞口来削弱抗震墙刚度 。 除了在抗震[ S ]. 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2008. 中华人民共和国建设

部. GB 50003 - 2001《砌体结构设计规 范 》[ S ]. 北京 : 中国建墙上开设洞口的方法外 , 还可以采 [ 3 ] 筑工业出版社 , 2002. 用在抗震墙上开设竖缝的办法来削弱 , 缝将墙体分 蔡红卫. 浅析底部框架抗震墙砖房抗震设计 [ J ]. 山西建筑 ,

(成两个或数个高宽比小于 115 的墙板单元 水平钢 ( ) [ 4 ] 2006 6 .

) 筋在竖缝处断开 。根据笔者的经验 , 这一方法快速

()上接第 11页 2不小于 7天后进行脱空检查 , 在脱空面积大于 015m

() 的位置 ,增设接触灌浆 包括平段和斜段 。4 灌浆设计

压力管道钢衬外侧回填微膨胀混凝土 , 在首端 5 结束语

()设置 3排深 8m 的帷幕 固结 灌浆 。 压力管道在

冶勒水电站压力管水头为目前国内高水头之 平段设置回填灌浆和接触灌浆 。在

钢管主管段布孔 , 排距 116m , 每排 3 孔 , 分布于顶拱 , 电站已经正式发电 , 整个压力管道运行良好 。笔 一

和底拱 。当顶拱为 1孔时 , 底拱则为 2孔 ; 反之亦者认为 , 在岩石条件一般及地下水较丰富的情况下 , 然 。 压力管道采用钢板衬砌是合适的 , 对整个电站的运

行安全起到了保证作用 。 顶拱为回填灌浆孔 ,底拱为接触灌浆孔 。顶拱回填灌

浆分两序进行 , 灌浆压力 013M Pa。底拱接触灌浆只

作一序 ,灌浆压力 012M Pa。压力管道接触灌浆完成 19

? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

范文四：水电站压力管道

第八章 水电站压力管道

要求：掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。

第一节 压力管道的功用和类型

一、功用及特点

(一) 功用

压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管。

(二)特点

(1) 坡度陡

(2) 内水压力大，且承受动水压力的冲击(水击压力)

(3) 靠近厂房。严重威胁厂房的安全。

压力管道的主要荷载为内水压力，HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。 当V=5~7m/s时，HD≈(0.15～0.18) NgH

当Ng相同时，H愈大，HD愈大。目前最大达5000m2。

目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。

二、分类

第二节 压力管道的线路选择及尺寸拟定

一、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

2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。设下阀门。

优点：造价低

缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差

适用：、(1) 机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管

3． 分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。

适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管

单元供水 联合供水 分组供水

二、明管布置

管道与主厂房的关系：

1．正向引近：低水头电站。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。

2．纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。

3．斜向引近：分组供水和联合供水。

(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、线路选择

压力管道的线路选择应结合引水系统中的其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。

1．路线尽可能短、直。（经济、水头损失小、水击压力小）一般设在陡峻的山脊上。

2．地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。

3．尽量减小上下起伏，避免出现负压；转弯半径R≯3D。

四、压力管道直径的选择

压力管道经济直径确定是压力管道的主要设计内容之一。

1．动能经济比较法：基本原理与渠道相同（压力管道要考虑流速、水击压力的影响），拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。

2．经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用

D?5

.2Qmax

H3

Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头

3．经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s，De= Qmax/Ve 注：确定压力钢管直径的公式有很多。经验公式法或经济流速方法的设计结果可作为参考。

第三节 明钢管的敷设方式及附件

一、明钢管的敷设方式和支承方式

明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm（便于维护和检修）。水管受力明确，在自重和水重作用下，水管在支墩上相当于一个多跨连续梁；每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。

明钢管的敷设

连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。 分段式：两镇墩间设伸缩节（上镇墩的下游侧）。温度应力小。

(一) 镇墩

1．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方向的位移。

2．布置：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。

(1) 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。

(2) 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。

封闭式镇墩 开敞式镇墩

（二) 支墩

1．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（温度变化时）。

2．布置：间距6~12m，D特别大时，L取3m。支墩间距小→M、Q(弯矩和剪力)小→支墩造价高。

3．类型：

(1) 滑动式：支承环式、鞍式

鞍式：包角：90～120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，D<1m。><>

(2) 滚动式：在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，f小，D>2m。

(3) 摆动式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。f很小，D>2m

滑动支墩

滚动支墩 摆动支墩

二、阀门及附件

(一) 闸门及阀门

1．快速平板闸门（事故门）——压力管道进口（前池、调压室、水库)。 作用：在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。

（二) 支墩

1．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（温度变化时）。

2．布置：间距6~12m，D特别大时，L取3m。支墩间距小→M、Q(弯矩和剪力)小→支墩造价高。

3．类型：

(1) 滑动式：支承环式、鞍式

鞍式：包角：90～120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，D<1m。><>

(2) 滚动式：在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，f小，D>2m。

(3) 摆动式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。f很小，D>2m

滑动支墩

滚动支墩 摆动支墩

二、阀门及附件

(一) 闸门及阀门

1．快速平板闸门（事故门）——压力管道进口（前池、调压室、水库)。

作用：在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。

2．快速阀门（事故阀或下阀门）——水轮机进口前(联合供水或分组供水)，

作用：为避免一台机组检修影响其他机组的正常运行，或在调速器、导水叶发生故障时，为紧急切断水流，防止机组产生飞逸。

类型：平板阀、蝴蝶阀、球阀

(1) 平板阀：框架+板面构成。阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。平板阀一般用电动或液压操作。这种阀门止水严密，运行可靠，但需要很大的启闭力，动作缓慢，易产生汽蚀，常用于直径较小的水管。

(2) 蝶阀：由阀壳+阀体组成。阀壳为一短圆筒，阀体形似圆盘，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。阀门关闭时，阀体平面与水流方向垂直；开启时，阀体平面与水流方向一致。

蝶阀关 蝶阀开

优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；

缺点：在开启状态时由于阀门板对水流的扰动，造成附加水头损失和阀门内汽蚀现象；在关闭状态时，止水不严密，不能部分开启。

适用：大直径、水头不很高的情况。

目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。蝴蝶阀要求在动水中关闭，静水中开启。

(3) 球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。

阀体圆筒的轴线与水管轴线一致时，阀门处于开启状态，若将阀体旋转90o，使圆筒一侧的球面封板挡住水流通路，则阀门处于关闭状态。

优点：在开启状态时实际上没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压； 缺点：是尺寸和重量大，造价高。

适用：高水头电站的水轮机前阀门。

球阀是在动水中关闭，在静水中开启。

球阀关 球阀开

(二) 附件

(1) 伸缩节

作用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷

位置：常在上镇墩的下游侧

(2) 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 位置：阀门之后

(3) 进人孔

作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右。

(4) 旁通阀及排水设备

旁通阀：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。

排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。

第四节 作用在明钢管上的力

一、力和荷载种类

(一) 力

1．内水压力：

(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) 特殊工作情况最高压力(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；

4．钢管充水，放水过程中，管内部分水重；

5．由温度变化引起的力，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；

要注意荷载的作用方向及作用的时间，在某些情况下有的荷载不可能出现。

(二) 荷载种类

按力的作用方向可以将上述作用力归纳为轴向力、径向力和法向力。

1．轴向力：水重+管重的轴向分力，摩擦力，管径变化处、转弯处、闷头、阀门、伸缩节上的水压力。

2．径向力：内水压力

3．法向力：水重+管重的法向分力

第五节 明钢管的结构分析

一、钢管管壁厚度估算

在进行钢管应力分析时，需要先设定管壁厚度。由于内水压力在管壁上产生的环向应力是其主要应力。因此用锅炉公式来初拟管壁厚度，以钢材的允许应力[σ]代替σ θ，

??

PD2??????HD

2????

根据规范要求，焊缝系数φ一般取为0.9~0.95，允许应力???

取钢管材料允许应力的75% ~85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，δ实际=δ+2mm（锈蚀厚度）；

在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度δmin。δmin一般取为D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm

二、管身的应力分析

钢管支承在一系列支墩的直线管段在法向力的作用下，相当于一根连续梁。支墩处设有支承环，由于抗外压需要，支承环之间有时还加有刚性环(加劲环)。

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。

(1) 跨中断面1－1:只有弯距作用，且弯距最大,无局部应力——受力最简单；

(2) 支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2－2：弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，

无局部应力——受力比较简单；

(3) 加劲环及其旁管壁，断面3－3：由于加劲环的约束，存在局部应力；

(4) 支承环及其旁管壁，断面4－4：应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，

有局部应力．

分析方法：结构力学法。坐标：轴向x、径向r、环向θ

(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁应力

跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。

1．径向应力?r

管壁内表面: ?r???H， “-”表示压应力。

管壁外表面： ?r?0

由于径向应力的数值比较小，所以应力计算中可以忽略。

?2．切向(环向)应力?1

设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为α，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为θ)的水头为H?rcos?cos?。

?推导出管壁中的切向拉力T和切向应力?1为：

T??1???1??r

?T??r(H?rcos?cos?) ?H?rcos?cos???P

?r(1?r

Hcos?cos?)

管壁上内水压力的分布 管壁微圆弧的受力平衡

式中 P —— 内水压强；

δ —— 管壁计算厚度； H —— 计算水头； α —— 管轴线倾角；

θ —— 管壁中任意一点半径与管顶半径的夹角；

r —— 水管半径。

?

3．轴向应力x

???

轴向应力x=法向力引起的轴向弯曲应力x1+轴向作用力引起的轴向应力

?

(1) 法向力作用引起的管壁轴向应力x

1 曲为主，并在管壁上产生弯曲正应力与剪应力。

在相邻两镇墩之间的压力钢管放置于支墩之上，支墩相当于连续梁的中间辊轴支座，最下端的镇墩相当于固定端，上端伸缩节处可近似认为是自由端。

x2

将水重和管重的法向分力视为均布荷载，则钢管的受力与多跨连续梁类似，其变形以弯

法向力引起的弯矩和剪力

在均布荷载作用下，连续梁的弯矩和剪力如图所示，二者的正负最大值近似认为相等，其值已在图中标示出来。这样管壁横断面上任意一点的轴向应力为

?

x1

??

MW

cos???

M

?r?

2

2

cos?

式中 M——水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩，正负号和大小如图所示；

W——连续梁(空心圆环)的断面模数，W??r?。

?

如果同时计入地震作用，则轴向应力x1为

?

x1

?

1

?r?

2

(?Mcos??Mesin?)M

?

0.5KHMcos?

式中 Me——地震力作用下连续梁的弯矩，

KH——水平地震荷载系数。

?

(2) 轴向力引起的轴向应力x2

e

；

在轴向力的合力∑A作用下，管壁中产生的轴向应力为

F??D?

?

x2

，管壁的断面积为F，则：

?D?

?

“-”表示压应力。一般情况下，∑A为压力，即x2为压应力，D为管道直径。

?

4．剪应力x?

?

由于跨中断面的剪力为0，所以该断面的x?= 0。

????

跨中断面应力：径向应力?r、切向(环向)应力?1、轴向应力x= x1+ x2

F

?

x2

A???A???

(二) 支承环旁管壁膜应力区边缘(2)-(2)断面的管壁应力

(2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等

支承环断面和跨中断面的管道弯矩大小相等，方向相反，但支承环处存在剪力V。所以在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为：

?x??

VSRbJ

?Vsin?

?r?

SR?2?rsin?

2

式中 V——管重和水重的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的静矩，

B ——受剪截面宽度，b?2?； J ——截面惯性矩，

J??D???r?

3

3

；

。

?

当θ=0°(管道顶部)和θ=180°(管道底部)时，x?=0；

??2VF

当θ=90°(管道侧面中点)时， x?，达到最大值。

如果同时计入地震力的作用，则剪应力为

?x??

Vsin??Vecos?

?r?

Ve?

0.5KHVcos?

式中 Ve——地震力作用下连续梁的剪力，

断面(2)-(2)的正应力σr、σθ和σx均与断面(1)-(1)相等，但符号不尽相同

支承环旁管壁应力分布和方向

三、强度校核

钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，应按强度理论进行校核。如果不满足强度要求，则重新调整管壁厚度和支墩间距，再重新计算，直到满足强度条件。

(一) 容许应力

水电站压力钢管一般要求在各种荷载组合作用下，钢管的最大应力不超过材料的允许应

?????力?。?常用钢材屈服强度s的百分比表示。压力钢管的容许应力见下表。

(二) 强度校核

钢管强度校核我国及多数国家一般采用第四强度理论(畸变能理论)，即各应力计算点应满足下式

?

2

x

??r?????x????x?r??r???3(?xr??x???r?)??[?]

22222

???

式中 ?、r、x——钢管的环向、径向和轴向应力；

???

x?、xr、r?——管壁中各方向的剪应力；

?——焊缝强度折减系数，一般取0.90~0.95。

由于水电站压力钢管的?r、为：

?xr

和

?r?

比较小，在强度校核时可以忽略，上式可以简化

?

2x

?????x

???3?x???[?]

22

第六节 明钢管的抗外压稳定

一、明钢管外压失稳的原因及失稳现象

(1) 机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压； (2) 管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。

管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。

二、光滑管段的稳定性

当外压力P增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力Pcr为

Pcr?

3r

3

?

E?

3

2

12(1??)

?

???

(1??)?D?

2

2E

???

3

为了安全起见，引入安全系数K，要求：Pcr≥KP。

取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹性模量E=2×10MPa, 略去μ，则得到光滑钢管段不

??

D130

5

2

失稳的条件为

三、加劲钢管的外压稳定

??

D

130求出的管壁厚度太大，如果D=650cm，则要求：δ≥50 mm，加工困难，

按

因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施，从而提高管壁抗外压稳定性，这样会比增加管壁厚度更经济。

1. 加劲环之间的管壁外压稳定性

两个加劲环的中间光滑部分的临界外压力为：

?

?2

E?E?2n?1??2

Pcr????n?1?22232

22nL12r(1??)???nL21?22?r(n?1)??1??2r2???r???

3

?

?????

?r?

n?2.74??

?L?式中 n ——相应于最小临界压力的屈曲波数，

1/2

?r?

?????

1/4

L——为加劲环间距。

首先求出屈曲波数n，并取整，然后用n，n-1，n+1三个数分别带入上面的公式中，求出的最小值就是临界荷载。

2．加劲环断面的外压稳定

设置加劲环的钢管，加劲环断面必须满足两个要求：(1) 加劲环断面本身不失稳；(2) 加劲环断面的压应力小于材料的允许值。

加劲环两侧附近的管壁与加劲环一起变形，这一部分的长度为l??

0.78r?，加劲环有效断面所示。

加劲环有效断面

加劲环断面的外压稳定计算公式，可按照光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距L，其他参数用加劲环有效断面计算。

3EJ

Pcr?KP?3

RkL

式中 J ——计算断面对自身中和轴的惯性矩； Rk——加劲环有效断面中心半径； K——安全系数，取K=2。

明钢管的设计步骤

(1) 首先根据锅炉公式并考虑锈蚀厚度初步拟定管壁厚度，但在应力和稳定计算中，不计锈蚀厚度；

(2) 用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置可加劲环(也可用支承环代替)，并选定其间距；

(3) 根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要求，确定加劲环的尺寸； (4) 进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。重复上面的步骤，直到满足要求。

第七节 分岔管

一、分岔管的功用、特点

1．功用

作用是分配水流。采用联合供水或分组供水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。

2．特点

(1) 岔管的水流条件较差，引起的水头损失较大；

(2) 岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价也比较高；

(3) 受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，其安全性十分重要。 我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。

二、岔管的布置形式

(1) 卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这种布置方式。

(2) 对称Y形布置。用于主管分成二个相同的支管，如一管二机。

(3) 三岔形布置。用于主管直接分成三个相同的支管。

(a) (b) (c)

三、岔管的结构形式

1．三梁岔管

三梁岔管由相贯线上的两根腰梁和一根U梁而得名。沿两支管的相贯线用U梁加强，沿主管和支管的相贯线则用腰梁加强，U梁承受较大的不平衡水压力，是梁系中的主要构件。将U梁和腰梁端部联结点做成刚性联结，形成一个薄壳和空间梁系的组合结构，其受力非常复杂。

适用：内压较高、直径不大的明管道。

2．内加强月牙肋岔管

月牙肋岔管是用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。 内加强月牙肋岔管是国内外近年来在三梁岔管的基础上发展起来的新式岔管，目前在我国已基本取代了三梁岔管。应用于大中型电站。

3．贴边式岔管

贴边式岔管是在卜形布置的主、支管相贯线两侧用补强板加固，补强板与管壁焊固形成一个整体。补强板可以焊固于管道外壁或内壁，或内外壁均有补强板。与加固梁相比，补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。 适用：常用于中、低水头卜型布置的地下埋管。地下埋藏式岔管，能把大部分不平衡水压力传给围岩。

4．球形岔管

球形岔管是通过球面体进行分岔，它是由球壳，圆柱形主、支管以及补强环和导流板等组成。在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半。

适用：高水头大中型电站。球形岔管是国外采用比较多的一种成熟管型，目前国内应用尚少。

5．无梁岔管

无梁岔管是在球形岔管的基础上发展起来的。用直径较大的锥管和球壳沿切线方向衔接，使球壳只剩下上下两个面积不大的三角形，并在主、支管和这些锥管之间插入几节逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管。

无梁岔管是一种有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。目前国内应用较少。

第八节 地下埋管

一、地下埋管的布置与工作特点

施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）→安装钢管→回填混凝土→接处灌浆 类型：斜井、竖井。大型水电站中应用最多。

(一) 工作特点及适用条件

地下埋管是我国大中型水电站建设中应用最广泛的一种引水管道型式。

优点：

1．布置灵活方便

地下埋管由于在山体内部，管线位置选择较自由，可选择地质条件好的线路，地质条件优于地表，可缩短管道长度。地下厂房一般全部或部分采用地下埋管。

岩石力学和地下工程设计、施工技术的迅速发展，修建压力坚井和斜井的技术已经很成热，施工条件和费用在有的国家已开始优于地面管道。

2．钢管与围岩共同承担内水压力（联合承载），减小钢衬厚度。

围岩分担内水压力的比例取决于岩石的性质。当岩石坚硬、完整时，围岩承担较大的内水压力，甚至承担全部内水压力，钢板只起防渗作用；特大容量、高水头的管道，HD值很大，采用明管技术难于实现，地下埋管就可能得以解决。当上覆岩石较薄(<>

《规范》规定：基本组合：[б]=0.67бs；特殊组合：[б]=0.9бs

地下埋管的运行不受外界条件影响，维护简单，围岩的极限承载能力一般很高，钢材又有良好的塑性，因此管道的超载能力很大。

缺点：

1． 构造比较复杂，施工安装工序多，工艺要求较高，施工条件较差，会增加造价；

2．外压稳定问题突出。国内外地下埋管破坏多数为外压失稳。

(二) 布置

地形、地质条件优越，并与调压室和厂房有良好的总体布置。

供水方式：多采用联合供水

地质条件：应布置在坚固完整、地下水位低的岩层中。

地形条件：保证上覆岩层的稳定，留有足够的岩石厚度。当同时要求开挖几条隧洞时，要有足够的间距，防止出现失稳情况。

布置方式：竖井、斜井、平洞。

二、地下埋管的抗外压失稳 地下埋管的外压失稳问题比内压问题更重要。国内外地下埋管发生的事故中，钢衬破坏大多是由于受外压失稳造成的。

地下埋管是一种薄壳结构，承受内压的潜在能力相当高，而其抵抗外压的能力较低，但管道放空时所受外压力的值可能远高于大气压力。

(一) 钢衬的外压荷载

(1) 地下水压力。钢衬所受地下水压力值，可根据勘测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分析水库蓄水和引水系统渗漏等因素对地下水位的影响。地下水位线一般不应超过地面。

(2) 钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。接缝灌浆压力一般为0.2MPa。

(3) 回填混凝土时流态混凝土的压力。其值决定于混凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次浇筑高度。

(二)埋管钢衬在外压下失稳的特征

埋管钢衬在周围岩石的约束下承受外压力产生变形时，与地面钢管有很大不同。 埋管与明钢管外压下失稳的重要区别：埋管钢衬的临界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值直接有关。

(三)光面钢衬临界压力计算

我国钢管设计规范排荐阿氏公式作为主要计算公式： 对于光面管，阿氏公式为：

??????E?r1?

2

???N??r1????1?12????E??

???????

3/2

N

=3.46

r1

?

(?

s0

??

N

r??

)?1?0.451

??

s0

??E?

N

?

? ?

Pcr?

?

N

N

r1(?s0??r1?

1?0.35???E??

N ——

)?

??

其中：σ钢衬屈曲部分由外压直接引起的环向应力；

2

?s0??s/????

；

E??Es/(1??s)

2

计算时先求出σN，再求Pcr。求σN时需要试算。为了方便，已将阿氏公式制成曲线，根据钢衬的σs值和钢衬的主要参数r1/δ和Δ/ r1，即可直接由图查出Pcr。

初步计算时也可用下列经验公式： ???

Pcr?3440??r??

1??

1.7

?s

0.25

(四)加劲环式钢衬临界压力计算

地下埋管常常采用增加加劲环的方法来提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。 有加劲环的埋藏式钢管的抗外压稳定计算：加劲环间管壁的稳定计算和加劲环断面的稳定计算。

1．加劲环的稳定分析

加劲环断面的稳定分析可以用光面管公式进行，但按加劲环的有效截面进行计算。 实际上，加劲环嵌固在混凝土中，向内变形时约束大，一般可以不考虑加劲环的外压稳定性问题，而按强度条件控制，即：

Pcr??sF/r1l

式中： F——加劲环有效截面； l——加劲环间距。 2．加劲环之间的管壁外压稳定

目前没有合理的计算方法，可以套用带有加劲环的明管的外压稳定计算公式。即认为缝隙值很大。这样偏于安全。

(五) 防止埋管钢衬受外压失稳的措施

工程上一般可以采用下面的几种措施来提高钢衬的抗外压稳定性：

(1) 降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法方法是排水廊道结合排水孔；

(2) 精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小缝隙。但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时措施或限制灌浆压力；流态混凝土的外压力稳定可用临时支撑解决或限制浇筑高度。

(3) 地下埋管常常采用增加加劲环的方法来提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。

第九节 混凝土坝体压力管道

一、混凝土坝体压力管道的特点、类型和布置

混凝土坝体压力管道是依附于混凝土坝身，即埋设在坝体内或固定在坝面上，并与坝体成为一体的压力输水管道。

特点：

结构紧凑简单，引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好，造价低，运行管理集中方便；缺点是管道安装会干扰坝体施工，坝内埋管空腔削弱坝体，使坝体应力恶化。

适用：混凝土坝坝式水电站。

布置方式：坝内埋管、坝体上游面钢管、坝体下游面钢管。

二、坝内埋管

坝内埋管的特点是管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。

(一) 坝内埋管的布置

1．布置原则

(1) 尽量缩短管道的长度；

(2) 减少管道空腔对坝体应力的不利影响。

(3) 减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道本身的安装和施工。 2．坝内埋管布置形式 立面布置：

(1) 倾斜式布置：管轴线与下游坝面近于平行并尽量靠近下游坝面。

优点：进水口位置较高，闸门承受水压小，有利于进水口的各种设施布置；管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行，可以减轻管道周围坝体的应力恶化；与坝体施工的干扰较少。

缺点：管道较长，弯段多，不头损失大；管道与下游坝面间的混凝土厚度较小。 (2) 平式和平斜式布置：管道布置在坝体下部。

优缺点与倾斜式布置相反。对于拱坝，坝体厚度不大，管径却较大时常采用这种布置方式。

(3) 竖直式布置：管道的大部分竖直布置。

适用于坝内厂房。缺点是管道曲率大，水头损失大，管道空腔对坝体应力不利。

倾斜式布置 平斜式布置

(a) (b)

竖直式布置 管道在坝内的平面布置

平面上

(1）坝内埋管最好布置在坝段中央。管外两侧混凝土较厚，且受力对称。厂坝之间有纵缝，厂房机组段间横缝与坝段间的横缝相互错开。

(2) 坝与厂房之间不设纵缝而厂坝连成整体时，由于二者横缝也必须在一条直线上，管道在平面上不得不转向一侧布置，这时钢管两侧外包混凝土厚度不同。

3．坝内管道的设备布置

(1) 拦污栅一般布置在坝体悬臂上以增加过水面积；

(2) 检修闸门及工作闸门槽通常布置在坝体内，紧接门槽后是由矩形变为圆形的渐变段，然后接管道的上水平段或上弯段；

(3) 有时渐变段可与上弯段合并，渐变段直接联接斜直段。

(4) 保证通气孔的必要面积和出口高程及合理位置，以免进气时产生巨大吸入气流，影响通气孔出口附近设备及运行人员安全。应使进口处所设充水阀和旁通管面积不过大，以免充水时从通气孔向外溢水和喷水，影响厂坝之间电气设备的正常运行。

(二) 坝内埋管钢衬的抗外压稳定性

坝内埋管钢衬抗外压失稳分析的原理和方法与地下埋管钢衬相同。

坝内埋管钢衬的外压荷载主要有：外水压力、施工时的流态混凝土压力和灌浆压力。施工期临时荷载，不宜作为设计控制条件，应靠加设临时支撑，控制混凝土浇筑高度等工程措施来解决。

三、下游面管道

大型坝后式水电站将钢管布置在混凝土坝的下游坝面上，形成下游面管道，或称为坝后背管。

1．优点

(1) 减少管道空腔对坝体的削弱，有利于坝体安全；

(2) 坝体施工不受管道施工与安装的干扰，可以提高坝体施工的质量，并加快进度和提前发电；

(3) 管道可以随机组的投产先后分期施工，有利于合理安排施工进度，且减少投资积压，机组台数较多时，效益更为显著。

2．结构型式

(1) 坝下游面明钢管。现场安装工作量小，进度快，与坝体施工干扰小。但当钢管直径和水头很大时，会引起钢管材料和工艺上的技术困难。敷设在下游坝面上的明管一旦失事，水流直冲厂房，后果严重。

三峡水电站坝后厂房横剖面图

(2) 坝下游面钢衬钢筋混凝土管。管道是内衬钢板外包钢筋混凝土的组合结构，用坝下游面的键槽及锚筋与坝体固定。钢衬与外包混凝土之间不设垫层，紧密结合，二者共同承受内水压力等荷载。这种管道结构的优点是：

(1) 管道位于坝体外，允许管壁混凝土开裂，使钢衬和钢筋可以充分发挥承载作用； (2) 利用钢筋承载，减少了钢板厚度，避免采用高强钢引起的技术和经济问题； (3) 环向钢筋接头是分散的，工艺缺陷不会集中，因此可以避免钢管材质及焊缝缺陷引起的集中破裂口带来的严重后果；

(4) 减少外界因素对管道破坏的可能性，在严寒地区有利于管道防冻。

范文五：公伯峡水电站发电引水压力管道设计

文章编号：０５５９—９３４２（２００４）０８—００３３一０２

公伯峡水电站发电引水压力管道设计

张曼曼，陈念水，吴曾谋，杨英

（西北勘测设计研究院，陕西西安７１００６３）

关键词：压力管道；钢衬；钢筋；伸缩节；垫层管；公伯峡水电站

摘要：公伯峡水电站引水压力管道为直接敷设在地基面上的钢衬钢筋混凝土管道，管道按结构力学弹性中心法进行了钢衬、钢筋应力计算，结果满足结构要求。通过三维有限元计算分析，５条压力管道在进水口分缝处及上游副厂房和主厂房分缝处均取消了伸缩节，用可适应微小变形的弹性垫层伸缩管代替。

Ｇｏｎｇｂｏ嫡ａＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎｌａｙｏｕｔａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ

ｄ鸭ｉｇｎｆｏｒｐｅｎｓｔｏｄ‘ｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ

ＺｈａｎｇＭａｎ－ｍａｎ，Ｃｈｅｎ

Ｎｉａｎ—ｓｈｕｉ，ＷｕＺｅｎ分ｍｏｕ，ＹａｎｇＹｉｎｇ

（ＮｏｎｈｗｅｓｔＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ，ａｎＳｈａＩｌ】【ｉ７１００６５）

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｎｓｔｏｃｋ；ｓｔｅｅｌｌｉｎｅｒ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔ；ｐｅｎｓｔｏｃｋｗｉｔｈｃｕｓｈｉｏｎｃｏｕｒｓｅ；ＧｏｎｇｂｏｘｉａＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｅｎｓｔｏｃｋｏｆＧｏｎｇｂｏｘｉａＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ，ａｒｒａｎｇｅｄｏｎ

ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｉｓｓｔｅｅｌｌｉｎｅｄ

ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ

ｃｏｎｃｒｅｔｅ

ｐｅｎｓｔｏｃｋ．Ｔｈｉｓａｎｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｐｅｎｓｔｏｃｋｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌａｙｏｕｔ

ｄｅｓｉｇｎ，ｓｔｍｃｔｕ矗ｌ

ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｃａｎｃｅｌｉｎｇｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔ．Ｉｔｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｓｔｒｅｓｓｅｇ

ｏｆｓｔｅｅｌｌｉｎｉｎｇａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｍｅｔｈｏｄ

ｏｆｅｌａｓｔｉｃ

ｃｅｎｔｅｒ，

ｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｍｌｄｅｓｉｇｎ．

Ｆｍｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔ

ｏｆ３Ｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，

ｉｔｉｓｐｌｅｔｅｌｙ

ｆｅａｓｉｂｌｅｔｈａｔｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔｉｓｓｕｐｅｒｓｅｄｅｄｂｙｐｅｎｓｔｏｃｋ试ｔｌｌｃｕｓｈｉｏｎ

ｃｏｕｒｓｅ

ｗｈｉｃｈ

ｃａｎ

ａｄ印ｔ

ｔｏ

ｍｉｃｒｏｄｄｂｎＩｌａｔｉｏｎ

ａｔ

ｊｏｉｎｔｓ

ｂｅｔｗｅｅｎ５

ｐｅｎ８ｔｏｃｋｓａｎｄＰｏｗｅｒＩｎｔａｋｅｓａＩｌｄｊｏｉ呲ｓｂｅｔｗｅｅｎｕｐｓｔＩｅａｍａｕ】【ｉｌｉａｒｙｒｏｏｍａｎｄｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅ．

中图分类号：篁Ｖ７３２．４《２．：ｌ＿４｛文襟糠谖鹂ｌ鹫

：

１管道布置

（１）承载能力极限状态。假定混凝土开裂，不承担环向拉力，仅传递径向压力，环向拉力由钢衬和钢筋承担。

公伯峡水电站引水压力管道单机引用流量３３５ｍ３／ｓ，为（２）正常使用极限状态。钢衬钢筋混凝土管道，应按《ＤＬ／直接敷设在地基面上的钢衬钢筋混凝土管道，采用一机一管Ｔ５０５７—１９９６水工混凝土结构设计规范》进行裂缝宽度验算。

的布置方式，钢管直径８ｍ，外包混凝土厚１．５ｍ。５条钢管呈２．２钢衬钢筋配置

放射形布置，钢管长度２７９—３０４ｍ不等。管道由上弯管、斜管２＿２．１

设计条件

段及下弯管组成。上弯管段均布置在进水口混凝土内，下弯管将管道分为６个断面分别进行计算，各段设计压力值见段及镇墩形成厂房上游主变平台，斜管段坡度为１：２．３，管道表１（含水锤压力）。

基础宽１４ｍ，厚２ｍ。上、下弯管转弯半径均为３０ｍ，除５号表１各管段设计压力值

钢管为平面转角外，其余４条钢管均为空间转角，转角均为设计压力值／ＭＰａ

２３。左右，但各不相等。５条压力管道在进水口分缝处及上游设计工况—至蔫■—景讴Ｆ—Ｉ甭ｉ——磊ｉ＿—１毳ｒ—百丽

主副厂房分缝处均取消了伸缩节，用可适应微小变形的弹性

段１

段２

段３

段４

段５

口６

垫层伸缩管代替。

正常蓄水位包括水锤压力在内的作用水头日约１３５ｍ，

水头直径（日Ｄ）达１

０８０

ｍ２，属于巨型钢管。钢管大部分采用

Ｑ３４５低合金钢，厚１６～３４ｍｍ，垫层管部位采用ＷＤＢ６２０高强度钢材，厚１８～３６ｍｍ。

２管道强度设计

收稿日期：２００４—０７—１５

作者简介：张曼曼（１９６３一），女，河南南阳人，高级工程师，主要２．１

设计原则

从事水工建筑物设计工作；陈念水（１９５４一），男，福建古田人，教授钢衬钢筋混凝土管道需按两种极限状态设计。

级高级工程师，主要从事水工建筑物设计工作．

形疵ｅｒ

ＰｏＭｒ

ｙｏｆ．３

万　

方数据０．Ⅳ０．８困

薯翟ｉｉ番互阐

竺：：釜曼三：：：三：２

２．２．２计算公式钢衬钢筋配置根据《Ｄ坍５１４１～２００ｌ水电站压力钢管设

计规范》进行，钢衬钢筋混凝土管道钢管壁厚及环向配筋应满

足式（１）：

Ｐ．ｒ≤旦牮陋

讹’９‘讥

（１）

式中，Ｐ为计算断面处的设计内水压力，Ｎ／ｍｍ２；ｒ为钢管内半

径，ｍｍ沉Ｚ分别是钢板和钢筋抗拉强度设计值，Ｎ／ｍｍ２九如

分别为钢管管壁厚度和钢筋折算厚度，ｍｍ；７。为结构重要性系数，取１．１；咖为设计状况系数，持久状况取１．Ｏ；帕为管型结构系数，取１．６。

钢衬及钢筋配量见表２。

表２钢衬及钢筋配置

２．３管道结构应力计算

管道结构应力按规范ＤⅣｒ５１４ｌ一２００Ｉ中的结构力学弹性中心法计算。

２．３．１

钢管结构构件的抗力限值盯。

靠＝击

（２）

式中，符号含义同式（１）。

对于１６Ｍｎ钢材，整体膜应力区：％＝１７９ＭＰａ（钢板厚度

占。≤１６ｍｍ）、１７０ＭＰａ（６。＝１６～３５ｍｍ）。

２．３．２

计算过程

计算管道结构应力时，首先按混凝土应力判断混凝土是否开裂，然后再考虑混凝土开裂情况；另外，还应考虑钢管与混凝土之间缝隙值１．２ｍｍ，而在计算钢筋和混凝土应力时则不考虑缝隙值。２．３．３计算成果分析

计算结果表明，按混凝土不开裂计算时，管腰外缘ｔ昆凝土应力最大，与其他电站背管两腰先开裂的原型观测和模型试验结果一致；按管腰、管顶混凝土开裂计算时，混凝土开裂后，环向内力要进行重分布，裂缝处混凝土退出工作（应力突降为０），裂缝处钢管应力与不开裂相比增大约５０％左右，各层钢筋应力约增大５～１０倍左右，其中外圈钢筋应力增幅最大。各断面最大钢衬应力分别为１１３．１、１３４．２、１３０．８、１２８．９、

１２６．８、１２０．４

ＭＰａ，最大钢筋拉应力分别为１８２．６、２１０．１、２０６．８、

２０２．４、２３１＿３、２３２．３

ＭＰａ，均未超过钢材的抗力限值，说明管道

钢衬钢筋配置在强度设计上是可行的。

２．４管道裂缝宽度计算

按混凝土开裂后的结构力学弹性中心法计算的钢筋应力

计算管道最大裂缝宽度，计算公式见《ＤⅥ５０５７～１９９６水工

混凝土结构设计规范》。其结果见表３。

由表３可知，裂缝宽度计算值已超过了ＤＬ，ｒ５０５７—１９９６规定的限制值０．３５ｍｍ。在实际设计中，在裂缝处混凝土表面

圈

形础ｅｒ万　

方数据Ｐｏ叫ｅｒＩ／ｏｚｊｎⅣ０．８

表３设计内水压力作用下管道裂缝宽度计算结果

采取防止钢筋锈蚀的裂缝修补措施。

３取消伸缩节设计

３．１

问题的提出

李家峡水电站５条钢管上的伸缩节成功地取消了４个。借

鉴其成功经验，在研究公伯峡水电站引水压力管道结构形式时提出了取消伸缩节的研究论证项目。公伯峡水电站引水管道直

径８ｍ，与李家峡水电站引水管道直径相同，作用水头（包括水

锤压力）１３５ｍ，比李家峡水电站引水管道作用水头（包括水锤

压力）１５５ｍ低，且李家峡水电站引水管道为敷设在拱坝下游

面的钢衬钢筋混凝土管道，受坝体变位的影响大，而公伯峡水电站引水管道为敷设在地基上的钢衬钢筋混凝土管道，受地基变位的影响小，因此公伯峡水电站引水管道在进水口分缝处、主副厂房分缝处完全有可能取消伸缩节。为此，对公伯峡水电

站引水压力管道取消伸缩节进行了深入的研究，并做了管道三维有限元计算分析。３．２计算结果分析

管道进口段分缝处及主副厂房分缝处两侧的相对位移和

钢管应力的大小，是在此处能否取消伸缩节的控制因素。三维

有限元计算共进行了７个工况的计算，计算结果分析如下。

（１）用可传力的垫层管取代伸缩节后，在正常运行工况＋温升工况下，整个管段进口段和主副厂房分缝处相对位移最大，进口段分缝处最大相对位移轴向为一９．２９ｍｍ，竖向为

１．６９

ｍｍ；主副厂房分缝处最大相对位移轴向为一６．３３ｍｍ，竖

向为一１．９１ｍｍ。可见位移值都不是很大，因此可以采用可传力的垫层管来适应这种变位，以替代伸缩节。

（２）主副厂房分缝处设伸缩节或设垫层管对管道中间断

面位移、应力影响不大。在正常运行工况＋温降工况下，主副

厂房分缝处设垫层管，管道中间断面最大轴向位移为４．３７ｍｍ，设置伸缩节时最大轴向位移为４．１２ｍｍ，二者相差０．２５ｍｍ。正常运行工况＋温升工况下，主副厂房分缝处设垫层管，

管道中间断面最大轴向位移为１．７２ｍｍ，设置伸缩节时最大轴向位移为２．１ｌｍｍ，二者相差０．３９ｍｍ。

正常运行工况＋温降工况下主副厂房分缝处设垫层管，管道中间断面混凝土最大环向应力为２．８４ＭＰａ，最大轴向应力

为３．７８ＭＰａ；设伸缩节时｝昆凝土最大环向应力为２．８７ＭＰａ，最

大轴向应力为３．７０ＭＰａ，二者分别相差０．０３、０．０８ＭＰａ；正常运行工况＋温升工况下主副厂房分缝处设垫层管，管道中间断面混凝土最大环向应力为３．７７ＭＰａ，最大轴向应力为一４．０５ＭＰａ；设伸缩节时混凝土最大环向应力为３．４６ＭＰａ，最大轴向

应力为一４．０１ＭＰａ，二者分别相差０．３１、０．０４ＭＰａ。

（３）垫层管采用高强钢后，在能适应相应变位的情况下，

应力仍能满足强度要求。用可传力的垫层管取代伸缩节后，正常运行工况＋温升工况分缝处垫层钢管

（下转第３７页）

＝＝＝要：＝

１１．８０

至竺：！：竺！！鉴：：＝竺竺竺竺竺要兰！竖竺竺！鬈替叠五薯互互置叠

面平整度同样达到不大于５ｍｍ的要求。

３．２混凝土养护

ｍ钢筋，纵横钢筋交叉点采用梅花形点焊、绑扎。局部采

用搭接焊，单面焊长度按１０ｄ（ｄ为钢筋直径）控制。

３．１．４混凝土浇筑

公伯峡地区的昼夜温差较大，气候干燥多风，保温保湿工作难度很大，为降低混凝土内部温差及水分散失，采用以下养护方案：在滑模上搭设棚架并用ＥＰＥ卷材做屋顶，以遮阳和挡雨；滑模后挂１０～１５ｍ长的塑料布，以对刚浇筑完的混凝土起到保湿和保温作用；混凝土二次抹面完成后，待混凝土终凝时覆无纺布（４００∥ｍ２）进行保温，同时在面板上部布设滴渗水管，及时补充水分，达到保温、保湿效果；混凝土浇筑时在垂直缝内预埋铅丝，用以固定无纺布。

４

公伯峡大坝面板最长为２１８ｍ，面板混凝土采用“半封闭式”溜槽入仓、人工振捣、脱模后人工两次收面的浇筑方案。

（１）滑模设计尺寸：１６０ｃｍ×１４００ｗｌｌ，质量约７

０００

ｋｇ，混

凝土浇筑时采用加配重块的方法以增加滑模的质量。

（２）根据混凝土入仓方式、布料、振捣等要求，在每块面板上部布置有两道溜槽，要求溜槽搭设必须顺直，加固牢靠。溜槽顶部设有接料斗，底部设有移动式布料槽尽可能使混凝土布料均匀。溜槽加固采用１０号铁丝斜拉在钢筋网上，间距

应不大于１０ｍ。为了保护混凝土免受阳光直射、大雨冲淋以

长面板混凝土一次浇筑技术难题

从公伯峡大坝面板浇筑情况看，当面板长度超过１５０

ｍ

及混凝土下滑过程中产生飞石撞击，采用ＥＰＥ卷材对溜槽表面封闭。溜槽设计有两种形式：一种是半圆形、一种是“倒梯”形。实践表明半圆形溜槽混凝土流动快且骨料不易分离，但是当混凝土流动性差时，混凝土很容易溢出溜槽；而“倒梯”形溜槽骨料虽然容易分离，但混凝土很少溢出溜槽。因此最好将半圆形溜槽的断面加大，既有利于混凝土下滑也不容

易溢出。

时，混凝土浇筑难度大，主要是混凝土入仓时，常会出现：④不论坍落度大或小，混凝土骨料都很容易分离，尤其是开始卸料时，仓号中飞石较多。②混凝土坍落度小时，溜槽容易堵塞，混凝土容易溢出溜槽，或溜槽被拉开，导致大量的混凝土落到坡面上。⑧混凝土坍落度损失大，混凝土每下滑５０ｍ左右，坍落

度损失１ｃｍ，待混凝土溜到仓号底部时，坍落度往往很小。

（３）每块面板开仓的第一车采用同标号一级配混凝土或砂浆，人工分散到周边缝附近，将止水覆盖，以防止止水附近骨料集中。每一车混凝土入仓后人工平仓，使每车混凝土在仓面上均匀分布，每层布料厚度应为２５～３０ｃｍ，严禁出现骨料

为了解决以上难题，我们采取了以下措施：①优化混凝土配合比，降低砂料细度模数，用粉煤灰等量替代细砂，以增加混凝土的和易性，尽可能减少飞砂走石现象。②提高混凝土坍落度，以增加混凝土的流动性，并严格控制混凝土出机口坍落度，当混凝土坍落度超出规定的５～７ｃｍ，按弃料处理。⑧在混凝土运输途中，做好保温措施，减少混凝土坍落度损失。④在溜槽上覆盖ＥＰＥ卷材，在仓号内用ＥＰＥ卷材搭设挡碴防护网。⑧如有飞石进入仓号内，应及时清理。⑥混凝土入仓时，人工用铁锹沿垂直缝和周边缝均匀布料，避免骨料集中现象。以上措施，有效解决了混凝土运输、溜槽入仓和布料的困难，确保了公伯峡长２１８ｍ的面板混凝土浇筑一次成功。

公伯峡水电站面板堆石坝在采用挤压式边墙、大坝全断面均衡上升、软岩筑坝、长２１８ｍ的混凝土面板一次施工到顶、ＧＢ挤出机施工的大坝面板止水等技术方面，不断开拓创新，取得了一定的先进经验，长２１８ｍ混凝土面板在公伯峡水电站面板堆石坝一次浇筑到顶，实现了混凝土面板浇筑新的跨越。

◆＿◆＿◆＿◆－◆－◆＿◆ｏ

集中现象。滑模上安装２台∞０ｍｍ和３台掷０ｍｍ插入式振

捣器，划段专人负责及时振捣混凝土。振捣器振捣时不得触及滑模、钢筋、止水片，振捣器插入方向必须在滑模前沿铅垂向下，严禁靠模板振捣和顺坡面伸入滑模底下进行振捣，以防漂模、跑模及影响钢筋握裹效果。混凝土浇筑时要及时清除滑模前沿超填混凝土及模板、钢筋网上的干结混凝土，随浇筑面的上升，将钢筋网架立筋用电焊割断，并将焊渣清除。滑模每次滑升距离不大于３０ｃｍ，滑升间隔时间一般为１０～１５ｍｉｎ，最长不超过３０ｍｉｎ，滑模平均滑升速度为１．２～１．５Ｈ以，最大滑升速度不超过３

ｒ肌。

ｍ靠尺检查不平整度不

（４）滑模滑升后，进行第一次人工木摸和钢摸收面，采用

２ｍ靠尺刮平，确保面板平整度（用２

大于５ｍｍ）。４～６ｈ后采用振动抹面机二次收面。二次收面时，拆除侧模板上的ｙ形槽三角模板，并对缝面进行修整，使缝

◆“◆“◆ｏ◆ｏ◆ｏ◆ｏ◆ｏ◆。

（上接第３４页）应力有较大增长，最大Ｍｉｓｅｓ（应力作用效

应计算值）均已经超过Ｑ３４５钢垫层管抗力限值。垫层管钢管

采用６１０ＭＰａ高强钢，垫层厚度１０ｍｍ，垫层弹模３．７５ＭＰａ，

４结语

公伯峡水电站引水压力管道采用钢衬、钢筋混凝土管

进口段分缝处钢管厚１８ｍｍ，主副厂房分缝处钢管厚３６ｍｍ，进口段分缝处垫层管钢管最大Ｍｉｓｅｓ应力为２６３．９ＭＰａ，主副厂房分缝处垫层管钢管最大Ｍｉｓｅｓ应力为２１３．７均可满足高强钢垫层管抗力限值的要求。

（４）控制垫层管承担的内水压力为总内水压力的６０％，垫层材料采用聚氨酯软木，垫层厚１０ｍｍ，垫层弹模３．７５

ＭＰａ，ＭＰａ，

道，选型合理，布置紧凑。通过按Ｄ坍５１４１—２００１推荐的结

构力学弹性中心法和三维有限元计算，管道结构满足规范要

求。

通过三维有限元计算，控制垫层管承担的内水压力为总内水压力的６０％，垫层材料采用聚氨酯软木，垫层厚１０

ｍｍ，

垫层弹模３．７５ＭＰａ，塑性应变０．１，垫层管采用ＷＤＢ６２０高强钢，用可传力的垫层管取代伸缩节，进口段和主副厂房分缝处垫层管均可适应微小变形又可满足强度要求。

舻哦ｅｒ．Ｐｏ叫ｅｒ

ｙｏ正３ｎⅣｏ．８

塑性应变为０．１，进口段和主副厂房分缝处垫层管均可适应微小变形又可满足强度要求。

万方数据　

囫

公伯峡水电站发电引水压力管道设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张曼曼， 陈念水， 吴曾谋， 杨英西北勘测设计研究院,陕西,西安,710063水力发电WATER POWER2004，30(8)1次

相似文献(10条)

1.期刊论文 何化南.秦杰.黄承逵.HE Hua-nan.QIN Jie.HUANG Cheng-kui 大比尺马蹄形钢衬钢筋混凝土压力管道试验研究 -水利与建筑工程学报2009,7(1)

以三峡大坝背管压力管道为原型,按照1∶10进行几何缩尺,制作了内径达1.24 m的钢衬钢筋混凝土压力管道.使用新型内水压力施加方法,进行了模型试验,掌握了钢衬钢筋混凝土压力管道在内水压力作用下的工作机理.通过与同系列模型试验的比较,对钢衬钢筋混凝土压力管道模型试验有了进一步的认识.最后针对常规钢衬钢筋混凝土压力管道,参照相关领域研究成果,比较选择了符合试验结果的初裂荷载计算公式、裂缝间距最大缝宽计算公式以及管道强度设计公式,以供设计使用.

2.期刊论文 李晓克.赵顺波.赵国藩 钢衬预应力混凝土压力管道设计方法 -水利水电技术2004,35(4)

根据环形预应力作用机理,结合弹性地基梁理论,提出了钢衬预应力混凝土压力管道在结构施工阶段的验算方法,给出了预应力筋束的最大间距,确定了预应力筋束分步张拉施工与荷载控制的方法.结合多层圆筒轴对称平面形变计算理论,提出了钢衬预应力混凝土压力管道运行阶段抗裂性能的验算方法,同时给出了钢衬预应力混凝土压力管道极限承载能力计算公式.

3.学位论文 陈昌祥 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 2006

本文系统介绍了压力管道的发展状况，总结了钢衬钢筋混凝土压力管道设计研究成果和突出的结构优点。随着西部大开发及“西电东送”发展战略的实现，我国将兴建一批巨型或大型水电站。其中有一部分是超高水头的电站，如雅鲁藏布江上的墨脱水电站，其毛水头就达2421m。如果采用钢衬钢筋混凝土压力管道，管径3m左右，在考虑安全系数2.0的情况下，单层钢衬的厚度约240mm，这远远超出了目前的钢板的制作工艺水平。针对雅鲁藏布江上的墨脱水电站，本文提出了双钢衬钢筋混凝土压力管道的结构型式，即内外二层钢衬，中间加钢筋混凝土。中间的钢筋可代替一部分钢板，这样每层钢衬厚度均不超过目前钢板的生产水平。论文着重探讨了压力管道的力学特征和破坏机理，主要包括：

1．根据钢衬钢筋混凝土压力管道的结构特点和研究成果，在其结构模型试验和数学模型的基础上，提出双钢衬钢筋混凝土压力管道合理的结构计算模型；

2．建立墨脱水电站直管、凸弯管和凹弯管的计算模型。分别进行三维非线性有限元分析，研究在不同中心水压力作用下，各层钢材的应力水平、变形，混凝土的应力水平及变形和整个混凝土裂缝的发展情况；

3．结合墨脱水电站压力管道，分析研究管道内混凝土不同弹性模量对各层钢材应力水平的影响。研究凸弯段由于管道方向而产生的巨大不平衡水压力，做锚筋的配筋计算；

4．提出具有整体安全系数为2．0的墨脱水电站压力管道的设计方案和计算方案。

研究方法主要是根据单钢衬钢筋混凝土压力管道设计原则、研究成果，结合结构模型实验成果和非线性分析理论，建立双钢衬钢筋混凝土压力管道计算模型，使用先进计算软件ANSYS对双钢衬钢筋混凝土压力管道进行非线性分析，从而得到双钢衬钢筋混凝土压力管道的应力分布特点和破坏机理。 研究目的是希望本文提出的双钢衬钢筋混凝土压力管道能解决2500m超高水头水电站压力管道的结构选型问题，同时为高水头、大流量的抽水蓄能电站提供一种可选择的引水压力管道型式。

4.期刊论文 戴会超.张超然 前苏联钢衬钢筋混凝土压力管道技术及三峡压力管道的计算复核 -华北水利水电学院学报2001,22(3)

前苏联从20世纪60年代中期开始对钢衬钢筋混凝土压力管道进行了较系统的试验研究、理论分析和设计计算,提出了设计准则和设计规范,总结了丰富的经验.通过介绍前苏联的钢衬钢筋混凝土压力管道的设计、施工经验,阐述了俄罗斯专家对三峡电站压力管道按前苏联规范作复核计算的过程.

5.期刊论文 龚国芝.张伟.伍鹤皋.马善定.GONG Guo-zhi.ZHANG Wei.WU He-gao.MA Shan-ding 钢衬钢筋混凝土压力管道外包混凝土的裂缝控制研究 -岩土力学2007,28(1)

基于钢衬钢筋混凝土压力管道在设计荷载下外包混凝土将带裂缝工作的基本承载特性,以缓解开裂与限裂间的矛盾为指导思想,将减小坝后背管外包混凝土裂缝宽度和提高开裂管道的耐久性作为研究目的,结合模型试验和有限元法,研究了一些裂缝控制措施的应用效果,以及有效的计算内水压力下钢衬外包混凝土裂缝宽度的公式.结果表明:总用钢量相同时,减薄钢衬,加大钢筋用量,减小裂缝宽度效果明显;减薄钢衬外包混凝土厚度,也可减小裂缝宽度;性能可靠的防水涂料具备黏接性强和变形能力高的基本性质,可进一步研究其对提高管道耐久性的长期作用;采用П-780-83规范中的裂缝宽度公式,计算结果与模型试验结果较为符合.

6.学位论文 秦杰 钢衬钢筋混凝土压力管道施工期、运行期性能及其改性研究 2002

钢衬钢筋混凝土压力管道应用于水电站工程始于二十世纪六十至七十年代,由前苏联水电专家提出.钢衬钢筋混凝土压力管道一般布置在下游坝面,俗称"钢衬钢筋混凝土坝后背管".与传统坝内管道相比,钢衬钢筋混凝土坝后背管在管道布置和结构形式上有其独特优点.中国在1985年建设的东江水电站中首先使用了这种结构形式.此后,在紧水滩、锦江、桃林口、五强溪、李家峡、景洪水电站工程中陆续推广使用,举世瞩目的三峡水电站采用的就是"浅槽式钢衬钢筋混凝土坝后背管".但是,随着钢衬钢筋混凝土压力管道的广泛应用,有一些问题暴露出来.①李家峡坝后背管在施工期就出现裂缝,由此引出钢衬钢筋混凝土压力管道施工期性能研究问题;②根据对运行多年的钢衬钢筋混凝土压力管道实地勘察,发现管道的裂缝宽度均超过当初设计裂缝宽度,由此引出裂缝控制问题.因此,该文首先针对这两方面问题进行了研究.为使计算结果具有对比性和实际意义,结合与三峡大学合作研究的中国三峡开发总公司委托项目"三峡电站压力管道优化设计方案工作性态研究",以能够代表中国钢衬钢筋混凝土压力管道设计和施工最高水平的三峡电站压力管道为研究对象,进行了研究.

7.期刊论文 李璐.王康平.田斌.LI Lu.WANG Kang-ping.TIAN Bin 钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝宽度公式的探讨 -黑龙江水专学报2005,32(1)

钢衬钢筋混凝土压力管道应用于大型水电站中,一般在设计时都允许混凝土出现裂缝,但对裂缝宽度进行了限制,而实际工程实测值往往超过计算值.结合三峡大比尺结构模型试验分析了用现有计算公式计算钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝宽度的计算值与实测值的符合程度并对今后将进行的裂缝宽度的研究提供了建议.

8.期刊论文 张镜剑.刘杰.陈祥.徐长义.彭成山 钢衬钢筋混凝土压力管道混凝土裂缝宽度计算问题的商榷 -华北水

利水电学院学报2004,25(1)

钢衬钢筋混凝土压力管道应用于大型水电站中,一般在设计时都允许混凝土出现裂缝,但对裂缝宽度进行了限制,而实际工程实测值往往超过计算值.从裂缝宽度计算看出,董哲仁方法存在不足.如用改进后的董哲仁法对三峡钢衬钢筋混凝土压力管道混凝土裂缝进行计算,其结果更接近实测值.

9.期刊论文 王康平.伏义淑.邱卫民 钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝计算公式研究 -三峡大学学报(自然科学版)2000,22(4)

分析了用现有计算公式计算钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝宽度的计算值与实测值的符合程度，建立了精确度较高的计算钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝宽度的半理论半经验公式.

10.学位论文 陈震 钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝性态的研究 2000

钢衬钢筋混凝土压力管道是水电站压力管道中一种新型的结构形式,这种管道有着许多优点,其应用愈来愈广泛.目前这种结构裂缝宽度计算方法的研究成果尚不成熟.该文以国内几个有代表性的模型试验和非线性有限元计算的成果为依据,分析了钢衬钢筋混凝土压力管道在内水压力作用下其管壁裂缝的特点,尝试总结出此种管道的裂缝出现、发展规律.文章从混凝土裂缝的基本理论出发,结合压力管道结构的特殊性,采用合理的计算模式,推导出了钢衬钢筋混凝土压力管道在内水压力作用下最大裂缝宽度的计算公式.此公式简便实用,可供工程设计参考使用.

引证文献(1条)

1.孟闻远 有缺陷压力钢管稳定性问题仿真分析研究[学位论文]博士 2005

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_slfd200408012.aspx

授权使用：西北水电设计院（水电顾问集团）(xbsdsjy)，授权号：92ba8ec8-43fa-4062-9085-9e94011365a1

下载时间：2011年2月24日

转载请注明出处范文大全网 » 讨论水电站压力管道设计