第十三章 水電站的壓力管道5

第十三章水電站的壓力管道

第五節(jié)明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備

一、鋼管的敷設(shè)方式

明鋼管一般敷設(shè)在一系列的支墩上，底面高出地表不小于0.6m,這樣使管道受力明確，管身

離開地面也易于維護(hù)和檢修。在自重和水重的作用下，支墩上的管道相當(dāng)于一個(gè)多跨連續(xù)梁。在

管道的轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將管道固定，不使有任何位移，相當(dāng)于梁的固定端。

明鋼管宜做成分段式，在兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)伸縮節(jié)，如圖13-3所示。由于伸縮節(jié)的存在，在溫度

變化時(shí)，管身在軸向可以自由伸縮，由溫度變化引起的軸向力僅為管壁和支墩間的摩擦力和伸縮

節(jié)的摩擦力。為了減小伸縮節(jié)的內(nèi)水壓力和便于安裝鋼管，伸縮節(jié)一般布置在管段的上端，靠近

上鎮(zhèn)墩處。這樣布置也常常有利于鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定。伸縮節(jié)的位置可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。若直

管段的長度超過150m,可在其間加設(shè)鎮(zhèn)墩；若其坡度較緩，也可不加鎮(zhèn)墩，而將伸縮節(jié)置于該

管段的中部。

圖13-3明鋼管的敷設(shè)方式

二、明鋼管的支墩和鎮(zhèn)墩

(-)支墩

支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相當(dāng)于梁的滾動(dòng)支承，允許管道在軸向自

由移動(dòng)。減小支墩間距可以減小管道的彎矩和剪力，但支墩數(shù)增加，故支墩的間距應(yīng)通過結(jié)構(gòu)分

析和經(jīng)濟(jì)比較確定，一般在6?12m之間。大直徑的鋼管可采用較小的支墩間距。

按管身與墩座間相對(duì)位移的特征，可將支墩分成滑動(dòng)式、滾動(dòng)式和擺動(dòng)式三種。

1.滑動(dòng)式支墩

滑動(dòng)式支墩的特征是管道伸縮時(shí)沿支墩頂部滑動(dòng)，可分為鞍式和支承環(huán)式兩種.

鞍式支墩如圖134(a)所示。鋼管直接安放在一個(gè)鞍形的混凝土支座上，鞍座的包角在120°

左右。為了減小管壁與鞍座間的摩擦力，在鞍座上常設(shè)有金屬支承面，并敷以潤滑劑。鞍式支墩

的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是摩阻力大，支承部分管身受力不鈞勻，適用于直徑在100cm

以下的管道。

支承環(huán)式滑動(dòng)支墩是在支墩處的管身外圍加剛性的支承環(huán)，用兩點(diǎn)支承在支墩匕這樣可改

善支座處的管壁應(yīng)力狀態(tài)，減小滑動(dòng)摩阻，并可防止滑動(dòng)時(shí)摩損管壁，如圖13-4(b)所示。但與

滾動(dòng)式支座相比，摩阻系數(shù)仍然較大，適用于直徑200cm以下的管道。

圖13-4滑動(dòng)式支墩

2.滾動(dòng)式支墩

滾動(dòng)式支墩與上述支承環(huán)式滑動(dòng)支墩不同之處，在于支承環(huán)與墩座之間有輯軸，如圖13-5

所示，改滑動(dòng)為滾動(dòng)，從而使摩擦系數(shù)降為0.1左右，一適用于直徑200cm以上的管道。由于

短軸直徑不可能做得很大，所以輯軸與上下承板的接觸面積較小，不能承受較大的垂直荷載，使

這種支墩的使用受到限制。

圖13-5滾動(dòng)式支墩

3.投動(dòng)式支墩

擺動(dòng)式支墩的特征是在支承環(huán)與墩座之間設(shè)?擺動(dòng)短柱，如圖13-6所示。圖中擺柱的下端與

墩座較接，上端以圓弧面與支承環(huán)的承板接觸，管道伸縮時(shí)，短柱以較為中心前后擺動(dòng)。這種支

墩摩阻力很小，能承受較大的垂直荷載，適用于大直徑管道。

圖13-6擺動(dòng)式支墩

（-）鎮(zhèn)墩

鎮(zhèn)墩一般布置在管道的轉(zhuǎn)彎處，以承受因管道改變方向而產(chǎn)生的不平衡力，將管道固定在山

坡上，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移，如圖13-3所示。在管道的直線段，若長度超過150m,

在直線段的中間也應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩，此時(shí)伸縮節(jié)可布置在中間鎮(zhèn)墩兩側(cè)的等距離處，以減小鎮(zhèn)墩所受

的不平衡力。

1.鎮(zhèn)墩的型式

鎮(zhèn)墩靠自身重量保持穩(wěn)定，?般用混凝土澆制。按管道在鎮(zhèn)墩上的固定方式，鎮(zhèn)墩可分為封

閉式（圖13-7）和開敞式（圖13-8）兩種。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省鋼材，對(duì)管道的固定好，應(yīng)用較

多；后者易檢修，但鎮(zhèn)墩處管壁受力不夠均勻，用于作用力不太大的情況。

圖13-7封閉式支墩

圖13-8開敞式支墩

2.鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)

鎮(zhèn)墩是管道的固定端，它承受著管道的軸向力、法向力和彎矩，其中以軸向力為主。鎮(zhèn)墩的

強(qiáng)度一般易于滿足，其體積常取決于穩(wěn)定需要。

管道作用于鎮(zhèn)墩上的軸向力見表13-3。鎮(zhèn)墩除承受表中所列的軸向力外，還承受部分管重和

水重產(chǎn)生的垂直管軸方向的法向力。

表14-3水管軸向力一覽表

第

作用力名株計(jì)算公式作用力示意圖善注

號(hào)

水管自■:的gT―每米長水管■量J

1A\=gRisi叩1-

軸向分力Lx—管段的計(jì)算長度

frLi

作用在網(wǎng)門

y—水的容重1

2或堵頭上的內(nèi)Ai=二⑷Hi-<s

rH—詼處的水頭

水壓力.

水管轉(zhuǎn)考處

3At-等中H.A

的內(nèi)水壓力<

水管直徑變

目

4化段的內(nèi)水壓-必-s

At-q

力

、螭節(jié)邊?

5At-/Df-沖

處的水壓力

水波對(duì)管整

64■hw-計(jì)算管段的水頭捐失

的摩接力

??

作用力名抑計(jì)算公式作用力示意圖備注

號(hào)

溫度變化時(shí)/<—填料與管壁的摩擦系數(shù)，

7伸絹節(jié)填料的A-j=aDibfRHb/jcYH應(yīng)不小于0.75t/

摩接力D|m

i

，度變化時(shí)a--------身的管

8水管與支,的At-Wf(Qp+Qar)co?f>Qw------唐的水

■■力/——與支殿的?擦系數(shù)

(Qi>>Or)

水在水管轉(zhuǎn)R—*心力,

9

專處的離心力…于喈A、、、,皿』4」離心力在管軸方向的分力

水管網(wǎng)向變”---泊松比，

Aoh/mDS

10影引起的力《管0—管瞿的環(huán)拉應(yīng)力?

（有仲?節(jié)時(shí)無此力）'—141。.

壁厚度不變）t^r-------------a—管的厚度

程度變化時(shí)

A”-aE^tuDS

11管壁的力（管壁E—彈性模量，

（有停第節(jié)時(shí)無此力）

厚度不變）&—?差

管重產(chǎn)生的法向力Qp可近似地表達(dá)為

=cos

Q/1Spi^i^i（14—5）

式中g(shù)列，g解一鎮(zhèn)墩上、下游管段單位管長的管重；

的、牝一鎮(zhèn)墩上、下游管段的傾角；

。，打一鎮(zhèn)墩與上、下游相鄰支墩間管道長度之半。

水重產(chǎn)生的法向力Qw可近似地表達(dá)為

Q-w\~gm￡icosg\

QwQugfra&cos仍（14—6）

式中義叼，g上為鎮(zhèn)墩上、下游管段單位管長的水重，其他符號(hào)的意義同式（13-5）。

鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)管道的滿水、放空、溫升、溫降等情況，找出各力的最不利組合，求出鎮(zhèn)墩所

需的形狀和尺寸。圖13-9標(biāo)出了分段式（有伸縮節(jié)的）管道在滿水、溫升情況下作用于鎮(zhèn)墩上各軸

向力的方向。

圖13-9滿水溫升時(shí)管道軸向力

在上述各力作用下，鎮(zhèn)墩依靠本身重量維持穩(wěn)定。鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)包括抗滑穩(wěn)定、地基應(yīng)力校核

及鎮(zhèn)墩的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

求出上述各力的水平合力ZX和垂直合力ZY,設(shè)鎮(zhèn)墩自重(包括鎮(zhèn)墩范圍內(nèi)的管重和水重)

為G,鎮(zhèn)墩與地基間的摩擦系數(shù)為fc,則鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)Kc=fc(gY+G)/gX(13-7),Kc一般

不小于1.5,從而可求出鎮(zhèn)墩的必須重量G=Kc￡X/fc-ZY(13-8)?

根據(jù)所需的重量可初步擬定鎮(zhèn)墩的輪廓尺寸。對(duì)初擬的輪廓尺寸進(jìn)行地基應(yīng)力校核，以保證

總的合力作用點(diǎn)在鎮(zhèn)墩底寬的三分點(diǎn)之內(nèi)，避免鎮(zhèn)墩底面出現(xiàn)拉應(yīng)力；軟基上鎮(zhèn)墩的地基反力應(yīng)

力求均勻，以減小不均勻沉陷，其值不應(yīng)超過地基的容許承載力。

軟基上鎮(zhèn)墩的底面必須在冰凍線以下；對(duì)有軟弱夾層的地基，還應(yīng)驗(yàn)算通過地基內(nèi)部發(fā)生深

層滑動(dòng)的可能。

在巖基上，為了減小鎮(zhèn)墩的尺、匕可將底面做成傾斜的臺(tái)階形，使傾斜面與合力接近垂直，

抗滑穩(wěn)定計(jì)算可沿傾斜而進(jìn)行，但這樣做必須以地基充分可靠、滑動(dòng)面不會(huì)通過地基內(nèi)部為前提。

封閉式混凝土鎮(zhèn)墩的表層應(yīng)配置溫度鋼筋，以防混凝土開裂而喪失錨固作用；對(duì)于管道彎曲

段向上凸起處的鎮(zhèn)墩(圖13-7),軸向力的合力向上，僅靠管道上部混凝土的重量不足以平衡此

合力，尚需設(shè)置錨筋以固定管道。

開敞式鎮(zhèn)墩需用錨定環(huán)將管道固定在混凝土底座上，如圖13-8所示；錨定環(huán)附近的管身應(yīng)力

不易精確計(jì)算，容許應(yīng)力應(yīng)降低10%。

三、明鋼管上的閘、閥門和附件

(一)閘門及閥門

壓力管道的進(jìn)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(shí)用以切斷水流。平

面鋼閘門價(jià)格便宜，便于制造，應(yīng)用較廣。平面鋼閘門可用到80m水頭或更高。

在壓力管道末端，即蝸殼進(jìn)口處，是否需要設(shè)置閥門則視具體情況而定：如系單元供水，水

頭不高，或單機(jī)容量不大，而管道進(jìn)口處又有閘門者，則管末可不設(shè)閥門，壩內(nèi)埋管通常如此；

如為集中供水或分組供水，或雖系單元供水而水頭較高和機(jī)組容量較大時(shí)，則齋在管道末端設(shè)置

閥門。

地下埋管多為集中供水或分組供水，壓力管道末端的閥門一般是不可缺少的。若水電站的水

頭不高，容量不大，壓力管道前的引水道不長，而引水道進(jìn)口處又設(shè)有閘門時(shí)，則壓力管道進(jìn)口

處可不設(shè)閘門。

閥門的類型很多，有平板閥、蝴蝶閥、球閥、圓筒閥、針閥和錐閥等，但作為水電站壓力管

道上的閥門，最常用的是蝴蝶閥和球閥，極小型電站有時(shí)用平板閥。

1.蝴蝶閥

蝴蝶閥由閥殼和閥體構(gòu)成。閥殼為一短圓筒。閥體形似圓餅，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)閥體平面與水流方向一致時(shí)，閥門處于開啟狀態(tài)；當(dāng)閥體平面與水流方向垂直時(shí)，閥門處于關(guān)

閉狀態(tài)，如圖13-10所示。蝴蝶閥的操作有電動(dòng)和液壓兩種，前者用于小型，后者用于大型，蝴

蝶閥的優(yōu)點(diǎn)是啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價(jià)較低；缺點(diǎn)是，在開啟狀態(tài)，山

于閥體對(duì)水流的擾動(dòng)，水頭損失較大；在關(guān)閉狀態(tài)，止水不夠嚴(yán)密。它適用于直徑較大和水頭不

很高的情況。

圖13-10蝴蝶閥

蝴蝶閥有橫軸和豎軸兩種。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水壓力的合力偏于閥體的中心軸以下，一旦閥體

離開中間位置，即有自閉傾向，特別適于用作事故閥門，但因控制閥門啟閉的接力器在閥門旁側(cè),

需要較大的位置。后者接力器在閥頂，結(jié)構(gòu)緊湊，但需設(shè)推力軸承支撐閥體，較復(fù)雜。

蝴蝶閥是H前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的?種閥門。國外最大直徑用到800cm以匕最大水頭用到

200m蝴蝶閥可在動(dòng)水中關(guān)閉，但必須用旁通管上下游平壓后開啟，蝴蝶閥因止水不夠嚴(yán)密,

不適用于高水頭情況。

2.球閥

球閥由球形外殼、可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓筒形閥體及其他附件構(gòu)成。當(dāng)閥體圓筒的軸線與管道軸線一致

時(shí).，閥門處于開啟狀態(tài)，如圖13-11(b)；若將閥體旋轉(zhuǎn)90。,使圓筒一側(cè)的球面封板擋住水流通

路，則閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖13-11(a)。關(guān)閉時(shí)，將小閥B關(guān)閉，在空腔A內(nèi)注人高壓水(可

使之與上游管道相通)，使球閥封板緊緊壓在下游管口的閥座上，故止水嚴(yán)密。開啟時(shí)，先將小

閥B打開，將空腔A中的壓力水排至下游，并用旁通管向下游管道充水，形成反向壓力，使球

血封板離開閥座，以減小旋轉(zhuǎn)閥體時(shí)的阻力，和防止摩損止水。

圖13-11球閥

球閥的優(yōu)點(diǎn)是在開啟狀態(tài)時(shí)實(shí)際上沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；缺點(diǎn)是結(jié)

構(gòu)較復(fù)雜，尺寸和重量較大，造價(jià)高。球閥適于用作高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。

球閥可在動(dòng)水中關(guān)閉，但必須用旁通管上下游平壓后方能開啟。

(二)附