對水電站壓力鋼管管道構造的技術分析

張 萍，黃端梅

(江西省撫州市水電勘測設計院，江西 撫州 34400)

壓力管道是從水庫、前池或調壓室向水輪機輸送水量的水管，一般為有壓狀態。壓力鋼管的主要荷載為內水壓力，管道的內直徑D(m)和其承受的水頭H(m)及其乘積HD值是標志壓力管道規模及技術難度的重要參數值。

1 壓力鋼管直徑的確定

鋼管直徑的大小是壓力管道的主要設計內容之一。管道的直徑越小，管道的用材和造價越低，但管道中的流速也就越高，水頭損失和發電量損失也越大。因此，管道直徑的確定不僅是一個技術問題，還是一個經濟問題，應通過技術經濟比較確定。

1.1 經驗公式法

式中:Qmax為壓力管道設計流量，m3/s;H為設計水頭(包括水錘壓力)，m;K為系數。

1.2 經濟流速法

壓力管道的經濟流速一般為4～6 m/s，最大不超過7 m/s，選定經濟流速Ve后，根據水管引用流量Q用下面的公式確定管道直徑:

2 壓力鋼管的構造

2.1 接縫與接頭

鋼管按管身構造可分為以下幾種:

1)無縫鋼管:其直徑較小，適用于高水頭小流量的情況。

2)焊接鋼管:適用于較大直徑的情況。焊接鋼管由彎成圓弧形的鋼板焊接而成，一般相鄰兩節管道的縱縫應錯開一定角度，以避免焊縫薄弱點在同一直線上。

3)箍管:當 HD＞1 000m2時，鋼板厚度一般會超過40 mm，其加工比較困難，因而在這種情況下常采用箍管，箍管是在焊接管或無縫鋼管外套以無縫的鋼環(鋼箍，稱為加勁環)，從而使管壁和鋼箍共同承受內水壓力，以減小管壁鋼板的厚度。由于箍管加工復雜，故僅用于水頭極高的水電站。

2.2 彎管和漸縮管

鋼管隨地形布置，經常會出現改變方向的情況，需要裝置彎管，彎管折線段兩端徑向線不宜超過10°，夾角越小，水流條件越好，彎管的曲率半徑不宜小于3倍管徑，不同直徑鋼管段連接時，需設置漸縮管。

2.3 加勁環

當薄壁鋼管不能抵抗外壓和滿足不了運輸或安裝要求時，單純增加管壁厚度來滿足剛度要求不經濟，因此要加設加勁環。

2.4 分岔管

當采用聯合供水或分組供水時，需設置分岔管，將總管水流分配給各支管。當鋼管正向進水時，采用對稱分岔;當鋼管為側向和斜向進水時，多采用非對稱分岔，見圖1。

3 壓力鋼管的敷設方式和支承結構

3.1 敷設方式

由于明鋼管一般長度都很大，所以常分段敷設，即在直線段每隔120～150 m或在鋼管軸線轉彎處(包括平面轉彎和立面轉彎)設置鎮墩，以固定鋼管，防止鋼管發生位移。明鋼管的敷設方式有以下兩種:

圖1 分岔管布置圖

圖2 明鋼管敷設方式布置圖

3.1.1 分段式

在相鄰兩鎮墩之間設置伸縮接頭(見圖2)，當溫度變化時，管道可沿管軸線方向移動，伸縮接構造復雜，易漏水，常布置在鎮墩以下第一節管的橫向接縫處，以減少伸縮接內水壓力。鎮墩之間的管段用一系列等間距的支墩支承。

3.1.2 連續式

兩鎮墩之間的管身連續敷設，中間不設伸縮接頭(見圖2)，由于管道兩端固定，當溫度變化時，管身將產生很大的軸向溫度應力。

3.2 壓力鋼管支承結構

3.2.1 鎮墩

鎮墩的作用是靠本身的重量固定鋼管，承受因水管改變方向而產生的軸向不平衡力，防止水管產生位移，一般設置在壓力管道轉彎處，當管道直線段較長時，每隔100～150 m應設置一個中間鎮墩。鎮墩一般為混凝土重力式結構，混凝土強度等級不低于C15。若基礎為土基，鎮墩底面宜作成水平;若為巖基，底面宜作成臺階式。分封閉式和開敞式兩種型式。

封閉式:見圖3，鋼管被埋在封閉的混凝土體中。鎮墩表層需布置溫度筋，鋼管周圍設置環向筋和一定數量錨筋。其優點是結構簡單，固定效果好。

開敞式:見圖4，利用錨栓將鋼管固定在混凝土基礎上。鎮墩處的管壁受力不均勻，錨環施工復雜，其優點是便于檢查維修。

圖3 封閉式鎮墩

圖4 開敞式鎮墩

3.2.2 支墩

支墩用于承受水重和管重的法向分力。相當于連續梁的滾動支承，允許水管在軸向自由移動(溫度變化時)。按支墩上的支座與管身相對位移的特征，有以下幾種型式:

滑動支墩:如圖5所示，鋼管發生軸向伸縮時，沿支座頂面滑動，有鞍式與支承環式兩種，適用于管徑1～3 m的鋼管。滾動支墩:如圖6所示，在支承環與墩座之間加圓柱形輥軸，鋼管發生軸向伸縮時，輥軸滾動，適用于垂直荷載較小而管徑＞2 m的鋼管。

擺動支墩:如圖7所示，在支承環與支承面之間設置一擺動短柱。短柱下端與支承板鉸接，上端以圓弧面與支承環的承板接觸。鋼管沿軸向伸縮時，短柱以鉸為中心前后擺動。其摩擦力很小，能承受較大的垂直荷載，適用于管徑＞2 m的鋼管。

4 壓力鋼管管道上的附件

4.1 閥門

壓力水管的進、出口處都要設置控制設施，以便在壓力管道發生事故或檢修時用以切斷水流，且對分組供水和聯合供水的壓力水管，也可提高它的運行靈活性。設在進口處的通常采用平板閘門，出口通常采用閥門，常見的有3種閥門:閘閥、蝴蝶閥與球閥。

4.2 伸縮節

為使露天式壓力鋼管受到溫度變化或水溫變化影響時管身能沿軸線自由伸縮，并適應少量的不均勻沉陷，常在管道上設置伸縮節見圖8。

4.3 通氣閥

通氣閥常布置在閥門之后。當閥門緊急關閉時，水管中的負壓使通氣閥打開向管內充氣，以消除管中負壓;水管充水時，管中空氣從通氣閥排出，然后再關閉閥門。

4.4 進人孔

為了檢修方便，在鋼管鎮墩的上游側通常設置進人孔。進人孔間距一般為150 m，不宜超過300 m。進人孔為圓形或橢圓形，其直徑(或短軸)一般≥45 cm。為保證正常運行期間不漏水，進人孔蓋與外接套管之間要設止水盤根。

圖5 滑動式支墩

圖6 滾動式支墩

圖7 搖擺式支墩

圖8 伸縮節

4.5 旁通閥

旁通閥設在水輪機進水閥門處，與閘門處的旁通管作用相同，使閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。

4.6 過流保護裝置和防腐蝕措施

大型鋼管應設置過流保護裝置。這種裝置在鋼管破裂后管內流速增大時，能迅速發出信號關閉進口閘閥，防止事故擴大。為了防止鋼管關閉內外被泥沙磨損和銹蝕，應在關閉表面噴鍍一層150～200 μm的鋅或者用油漆涂料保護。

5 工程實例

君山水電站位于江西省撫州市宜黃縣南源鄉水口村下游約0.5 km處，距縣城約21 km，是撫河宜黃水支流梨溪水上的一個梯級電站，壩址以上控制流域面積99.5 km2，總庫容407萬m3，正常蓄水位189.0 m，設計洪水位(3.33%)193.46 m，校核洪水位195.09 m，電站裝機容量3×800 kw(初步設計批復3臺，受資金限制實裝機2臺)，樞紐工程由雙曲拱壩，發電引水隧洞及高壓水道、廠房及升壓站等組成。高壓水道則由壓力鋼管、岔管、伸縮節、支墩、鎮墩等部件組成，見圖 9、10。

圖9 君山水電站高壓水道平面圖

圖10 君山水電站高壓水道縱剖面圖

露天式高壓明鋼管(樁號0+000～1+106.37)呈直線走向，采用無縫鋼管，鋼管內徑1.6 m，壁厚14 mm;高壓岔管(樁號1+106.37～1+121.29)采用對稱分岔“Y”形布置，分岔角為60°岔管內徑1.0 m，壁厚10 mm。鋼管與水輪機連接采用閘閥控制。

由于鋼管長度較長，采用分段敷設，封閉式鎮墩布置于隧洞接口處(0+000)與高壓明鋼管轉彎(0+106.37)處，為C20混凝土結構，鎮墩與鎮墩之間設置支承環式滑動型支墩，間距為10m，相鄰鎮墩之間布置伸縮節。

6 總結

通過對壓力鋼管構造的解析，對水電站壓力水道建設能提供良好幫助，使得工程建設更為完整，為工程安全運行提供良好保障。

[1] 馬善定.水電站建筑物(第二版)[M].北京:水利水電出版社，2008.

[2] 張麗.水電站[M].鄭州:黃河水利出版社，2009.

[3] 國家電力公司西北勘測設計研究院.DL/T5141-2001水電站壓力鋼管設計規范[S].北京:中國電力出版社，2001.