1、 水電站壓力管課程設計學 院：水利學院專 業：水利水電工程科 目：水電站課 題：水電站壓力管道課程設計姓 名：學 號： 313174云南農業大學水利學院2017年12月設計說明壓力管道的設計步驟一般包括：（1）壓力管功能布置；（2）壓力管固定方法、設計；（3）壓力管應力分析、計算；（4）壓力管強度校核；（5）壓力管抗外壓穩定計算。一、基本資料及參數1、最大發電流量Qmax=16m3/s；2、上游正常水位1000m；3、下游設計尾水水位850m；4、管軸線與水平線夾角35o；5、上游正常水位至伸縮節水位差7m； 6、鎮墩與地基摩擦系數f=0.5；7、支墩與管身摩擦系數f=0.3；8、伸縮節摩擦系

2、數f=0.4；9.水輪機調節時間Ts=56S。二、壓力管功能及布置功能：從水庫、前池或調壓室向水輪機輸送水量。布置：采用明鋼管敷設。布置時要盡可能選擇短而直的線路，明鋼管敷設在陡峭的山坡上；盡量選擇良好的地質條件，明鋼管敷設在堅固而穩定的山坡上，支墩和鎮墩盡量設在堅固的巖基上，并清除表面覆蓋層；盡量減少管道的起伏波折，避免出現反坡，利于管道排空，明鋼管底部應高出地表至少0.6米，以便安裝和檢修；避開可能發生山崩或滑坡的區，明鋼管盡量沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷中，若明鋼管之上有墜石或可能崩塌的峭壁，要事先清除；首部設事故閘門，并考慮設置事故排水和防沖設施。三、明鋼管的固定、設計1.明鋼

3、管的敷設明鋼管敷設在一系列支墩上，底部應高出地表0.65米。明鋼管宜做成分段式，在首尾設鎮墩，兩鎮墩之間設伸縮節。伸縮節布置在管段的上端，靠近上鎮墩處。敷設方式如圖：2.明鋼管的設計（1）管徑的確定采用經驗公式彭德舒公式來初步確定壓力鋼管的經濟直徑：D=75.2Qmax3H式中：Qmax為鋼管的最大設計流量，m3/s；H為設計水頭，m。由基本資料得：Qmax=16ms/sH=1000m-850m=150m所以D=75.2Qmax3H=75.2×163150=2.03m2.05m壓力鋼管直徑進制采用D=50mm為模,所以取D=2.05m。（2）管長確定上游正常水位1000m，閘門進口水

4、位為993m，上游正常水位至伸縮節水位差7m，下游設計為水位850m。取進口直管段長5m，出口直管段長5m。斜管段垂直距離為993-850=143m，管軸線與水平線夾角35o。所以斜管段長L=143sin35°=249.313m249.3m所以，壓力管道總長為L總=249.3+5+5=259.3m四、壓力管水擊計算1.直接與間接水擊的判斷明鋼管水錘波速可近似的取為1000m/s，已知水輪機調節時間Ts=56S。所以2LC=2×259.31000=0.52s水輪機開度的調節時間Ts=56s>2LC=0.52s，故為間接水擊。2. 第一項水擊與極限水擊判斷o為起始開度，當

5、電站滿負荷運行時，o=1；當電站以部分負荷運行時o<1。為水錘常數。當o<1時發生第一相末水錘，為第一相水擊，除第一相水擊以外的各種水錘現象統統歸入極限水擊一類。Vmax=QmaxA=162.05/22=4.85m/s=CVmax2gH0=1000×4.852×9.81×150=1.65當電站滿負荷運行時o>1，所以為極限水擊。3.水擊公式選擇閥門開度變化時管道中水流動量的相對變化率：=LVmaxgH0Ts水錘的最大值：m=22-所以=LVmaxgH0Ts=259.3×4.859.81×150×5=0.17kpam=

6、22-=2×0.172-0.17=0.186kpa4.水擊常數的計算=CVmax2gH0=1000×4.852×9.81×143=1.655.動水頭計算水頭變化H令也稱水錘壓強，令=HH0所以H=mH0=0.186×150=27.9mHp=H0+H=150+27.9=177.9m即滿負荷運行時，水電站壓力管道的總水頭為177.9m。五、壓力管應力分析及結構設計1.明鋼管的荷載根據應用條件，明鋼管的設計荷載有：（1）內水壓力；（2）鋼管自重；（3）溫度變化引起的力；（4）鎮墩和支墩不均勻沉陷引起的力；（5）風荷載和雪荷載；（6）施工荷載；（7）地

7、震荷載；（8）管道放空時通氣設備造成的負壓。2.管壁厚度計算管壁的厚度一般經結構分析確定。管壁的結構厚度取為計算厚的加2mm的銹蝕裕度。考慮制造工藝、安裝、運輸等要求，管壁的最小結構厚度不宜小于下式確定的數值，也不宜小于6mm。D800+4初步確定管壁的計算厚度=0+2mm=HpD2+2mm計算時，該式未計入一些次要應力，用以確定管壁厚度時容許應力應降低15%。所以=HpD2+2mm=0.001×177.9×2052×1201-15%+0.2=(0.18+0.2)cm=20mm滿足要求。計算時取0=18mm,2mm不能用于強度計算。3.荷載組合選擇（A1、2、5、

8、7、8）（1）水管自重的軸向分力A1A1=gTL1sin查鋼管的密度為785g/cm3:gT=sgD0=785×9.81×3.14×2.05×0.18×10-3=8.92KN/mA1=gTL1sin=8.92×249.3×sin35°=1275.49KN（2）作用在閥門或堵頭上的內水壓力A2A2=4D02HA2=4D02H=3.144×2.052×9.8×177.9=5751.48KN（3）伸縮節變化處的內水壓力A5A5=4D12-D22H取填料厚度為22mm，所以D1=2.05+2&

9、#215;0.018+0.022=2.13m, D2為2.05m。H=1000-990=10m所以A5=4D12-D22H=42.132-2.052×9.8×10=25.74KN（4）溫度變化時伸縮節填料的摩擦力A7A7=D1bfkH取伸縮節可調節長度b=15cm，已知伸縮節摩擦系數f=0.4。所以A7=D1bfkH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN（5）溫度變化時水管與支墩的摩擦力A8A8=fQp+Qwcos支墩與管身摩擦系數f=0.3；Qp=gT=8.92KN/m；每米水重：Qw=wg4

10、D2=1×9.8×3.144×2.052=32.33KNA8=fQp+Qwcos=0.3×41.25×249.3×cos35°=2527.16KN（6）總應力A=A1+A2+A5+A7+A8A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN4.計算斷面（跨中斷面1-1斷面） （1）切向（環向）應力的管壁的切向應力主要由內水壓力引起。對于傾斜的管道：=HpD2-D24coscos對于水電站壓力管道，等號右端的第二項是次要的，只有當D2coscos >0.05Hp時才有計入的必要（

11、低水頭大流量才有用，高水頭的不考慮）。所以計算時不考慮第二項。=HpD2=0.001×17790×2052×18=101.3Mpa（2）徑向應力r管壁內表面的徑向應力r等于該處的內水壓強，即：r=-Hp“-”表示壓應力，“+”表示拉應力。管壁外表面徑向應力為0，徑向應力較小。r=-Hp=-0.001×17790=-17.79Mpa（3）軸向應力x跨中斷面的軸向應力x由兩部分組成，即有水重和管重引起的軸向彎曲應力x1及各軸向力引起的應力x3。 對于支承在一系列支墩上的管道，其跨中彎矩M可按多跨連續梁求出。q=gT+Qw=8.92+32.33=41.25KN

12、M=110qL2cos=110×41.25×102×cos35°=337.9KN.m軸向彎曲應力x1=-MyJ=-4MD2cos式中：J=D3/8，y=Dcos/2，在管頂和管底，=0°和180°，y=D/2, x1最大x1=4MD2=4×337.9×1033.14×2.052×0.018=5.69×106pa=5.69Mpa管道各軸向力其合力為A，由此引起的軸向力為x3=ADx3=AD=9619.2×1033.14×2.05×18×10-3=8

13、3.02×106pa=83.02Mpa跨中斷面剪應力為0。所以，軸向應力x=x1+x3=5.69+83.02=88.71Mpa六、壓力管強度校核鋼管的工作處于三維應力狀態，強度校核的方法是求出計算應力并與容許應力作比較，而不是直接采用某一方向的應力與容許應力作比較。鋼管的強度校核目前多采用第四強度理論，其強度條件為=12x-r2+r-2+x-x2+3xr2+r2+x2式中：為焊縫系數，取0.900.95。由于r、xr、r一般較小，故可以簡化為第三強度理論 =x2+2-x+3x2取=0.90，所以=88.712+101.32-88.71×101.3=95.63=0.90

14、15;120=108該壓力鋼管在正常運行時充滿水的情況，強度校核滿足第三強度理論條件。七、壓力管抗外壓穩定計算鋼管是一種薄殼結構。能承受較大的內水壓力，但抵抗外壓能力較低。在外壓的作用下，管壁易于失去穩定，屈曲成波形，過早的失去承載力。因此，在按強度和構造初步確定管壁厚度之后，尚需進行外壓穩定校核。在不同的外壓作用下，有多種管壁穩定問題。明鋼管在均勻徑向外壓作用下的穩定：對于沿軸線可以自由伸縮的無加勁環的明鋼管，管壁的臨界外壓Pcr=2ED3>0.2Mpa鋼的彈性模量E=2.0×105MpaPcr=2ED3=2×2×105×1820503=0.27

15、1Mpa>0.2Mpa滿足抗外壓穩定要求。所以不需要設置加勁環增加抗外壓穩定。注意：對設有加勁環的管壁，臨界外壓Pcr=En2-11+n2l22r2r+E121-2×n2-1+2n2-1-1+n2l22r2r3式中：l為加勁環的間距；n為屈曲波數。需假定不同的n，用試算法求出最小的Pcr。n值可用下式估算：n=1.63Dl0.5D0.25其中D為管徑。八、鎮墩支墩設計1、鎮墩的設計鎮墩一般布置在管道的轉彎處，以承受因管道改變方向而產生的不平衡力，將管道固定在山坡上，不允許管道在鎮墩處發生任何位移。在管道的直線段，若長度超過150m，在直線段的中間也應設至鎮墩。在壓力鋼管進水口及

16、下游出水口折管段分別布置首末鎮墩，由于壓力鋼管長度超過150m，所以宜在斜管段中部設中鎮墩。（1）下鎮墩計算求各軸向力分量取x軸水平順水流方向為正，y軸垂直向下為正，水管軸線交點為坐標原點，求出軸向力總和在x軸和y軸的分力：X=Acos-A2式中：為壓力鋼管的傾角，35°；則：X=Acos-A2=9619.2cos35°-5751.48=2128.11kNY=Asin=9619.2sin35°=5517.35kN抗滑抗傾計算取抗滑穩定安全系數Kc=2.0鎮墩與地基的摩擦系數f=0.5，則鎮墩的理論重量：G=KcXfc-Y=2.0×2128.110.5-5

17、517.35=2995.09kN查規范可得混凝土的容重=25kN/m3；取外包厚d=0.7m，則可得：H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m取H=B=3.5m。鎮墩體積V=G=BHL則L=GBH=2995.093.5×3.5×25=9.78m由圖的三角形關系得：eH2=XY+Ge=HX2Y+G=3.5×2128.1125517.35+2995.09=0.438me=0.438m<L6=9.786=1.63m所以，滿足抗傾要求。（2）中鎮墩計算求各軸向力分量取x軸水平順水流方向為正，y軸垂直向下為正，水管軸線交點為坐標原點，求出軸向力總和在x

18、軸和y軸的分力：X=A中cos-A2中=4875.235cos35°-2938.39=1055.169kNY=Asin=4875.235sin35°=2796.32kN抗滑抗傾計算取抗滑穩定安全系數Kc=2.0鎮墩與地基的摩擦系數f=0.5，則鎮墩的理論重量：G=KcXfc-Y=2.0×1055.1690.5-2796.32=1424.356kN查規范可得混凝土的容重=25kN/m3；取外包厚d=0.7m，則可得： H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m取H=B=3.5m鎮墩體積V=G=BHL則L=GBH=1424.3563.5×3.5

19、×25=4.651m由圖的三角形關系得：eH2=XY+Ge=HX2Y+G=3.5×1055.16922796.32+1424.356=0.438me=0.438m<L6=4.6516=0.775m所以，滿足抗傾要求。故中鎮墩的尺寸如上述計算，由于上鎮墩所受的力比中鎮墩小，且中鎮墩尺寸較適中，故上鎮墩采用與中鎮墩相同的尺寸。2、支墩的設計支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相當于梁的滾動支承，允許管道在軸向自由移動。支墩的間距應通過結構分析和經濟比較確定，一般在612m之間。大直徑的鋼管可采用較小的支墩間距，可減小到3m。鋼管直徑2.05m,取支墩間距為10m，

20、布置21個支墩，在壓力鋼管進水口下游水位990m處布置伸縮節。支墩的設計同鎮墩設計。（1）荷載計算支墩的結構受力分析，由于支墩間距為10m，所以作用在支墩上的鋼管自重應力及水重的分力為：水管自重：管重Qs=gTlcos35°=8.92×10×cos35°=73.07kN水重Qw=qwlcos35°=32.33×10×cos35°=264.83kN則鋼管與支墩間的摩擦力為：A1=Qs+Qwf0式中： f為支墩與管身摩擦系數f=0.3；則：A1=Qs+Qwf0=73.07+264.83×0.3=101.37k

21、N鋼管與支墩間的摩擦力由升溫和降溫引起，故考慮溫度變化時的荷載分別為：溫升時，A3沿平行管軸向上的方向。鋼管與支墩間的摩擦力A31=qlfcos式中：q為單位長度的管和水的重量q=gT+qw=8.92+32.33=41.25kN/m f為支墩與管身摩擦系數f=0.3；則：A31=qlfcos=41.25×10×0.3×cos35°=101.37kNX=-A31cos-Qs+QwsinX=-101.37×cos35°-338sin35°=-276.91kNY=-A31sin+Qs+QwcosY=-101.37×sin

22、35°+338cos35°=218.73kN降溫時，A3沿平行管軸向下的方向：X=A31cos-Qs+QwsinX=101.37×cos35°-338sin35°=-110.83kN Y=A31sin+Qs+QwcosY=101.37×sin35°+338cos35°=335.02kN（2）抗滑計算取抗滑穩定安全系數kc=1.5，支墩與管道間的摩擦系數fk=0.3。溫升情況下G=KcXfk-Y=1.5×276.910.3-218.73=1165.82kN降溫情況下G =KcXfk-Y=1.5×1

23、10.830.3-335.02=219.13kN故支墩的理論重量按溫升時來進行計算G=1165.82kN混凝土的容重=25KN/m3,支墩的理論體積V=G=1165.8225=46.63m3取支墩的寬B=H=3.5m，長L=VBH=46.633.5×3.5=3.8m計算書一、壓力鋼管管徑、管厚及水擊計算1.管徑的確定D=75.2Qmax3HQmax=16ms/sH=1000m-850m=150mD=75.2Qmax3H=75.2×163150=2.03m2.05m壓力鋼管直徑進制采用D=50mm為模,所以取D=2.05m。2.管長確定斜管段垂直距離為993-850=143m

24、，管軸線與水平線夾角35o。所以斜管段長L=143sin35°=249.313m249.3m所以，壓力管道總長為L總=249.3+5+5=259.3m3.壓力管水擊計算（1）直接與間接水擊的判斷2LC=2×259.31000=0.52s水輪機開度的調節時間Ts=56s>2LC=0.52s，故為間接水擊。（2） 第一項水擊與極限水擊判斷Vmax=QmaxA=162.05/22=4.85m/s=CVmax2gH0=1000×4.852×9.81×150=1.65當電站滿負荷運行時o>1，所以為極限水擊。閥門開度變化時管道中水流動量的相對

25、變化率：=LVmaxgH0Tsm=22-=LVmaxgH0Ts=259.3×4.859.81×150×5=0.17kpam=22-=2×0.172-0.17=0.186kpa（3）水擊常數的計算=CVmax2gH0=1000×4.852×9.81×143=1.65（4）動水頭計算令=HH0H=mH0=0.186×150=27.9mHp=H0+H=150+27.9=177.9m即滿負荷運行時，水電站壓力管道的總水頭為177.9m。二、壓力管強度設計1.管壁厚度計算D800+4初步確定管壁的計算厚度=0+2mm=HpD

26、2+2mm=HpD2+2mm=0.001×177.9×2052×1201-15%+0.2=(0.18+0.2)cm=20mm滿足要求。計算時取0=18mm,2mm不能用于強度計算。2.荷載計算（1）水管自重的軸向分力A1A1=gTL1singT=sgD0=785×9.81×3.14×2.05×0.18×10-3=8.92KN/mA1=gTL1sin=8.92×249.3×sin35°=1275.49KN（2）作用在閥門或堵頭上的內水壓力A2A2=4D02HA2=4D02H=3.144&

27、#215;2.052×9.8×177.9=5751.48KN（3）伸縮節變化處的內水壓力A5A5=4D12-D22H取填料厚度為22mm，所以D1=2.05+2×0.018+0.022=2.13m, D2為2.05m。H=1000-990=10m所以A5=4D12-D22H=42.132-2.052×9.8×10=25.74KN（4）溫度變化時伸縮節填料的摩擦力A7A7=D1bfkHA7=D1bfkH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN（5）溫度變化時水管與支墩的

28、摩擦力A8A8=fQp+QwcosQw=wg4D2=1×9.8×3.144×2.052=32.33KNA8=fQp+Qwcos=0.3×41.25×249.3×cos35°=2527.16KN（6）總荷載A=A1+A2+A5+A7+A8A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN3.應力計算 （1）切向（環向）應力的對于傾斜的管道：=HpD2-D24coscos計算時不考慮第二項。=HpD2=0.001×17790×2052×18=101.3Mpa

29、（2）徑向應力rr=-Hpr=-Hp=-0.001×17790=-17.79Mpa（3）軸向應力xq=gT+Qw=8.92+32.33=41.25KNM=110qL2cos=110×41.25×102×cos35°=337.9KN.mx1=-MyJ=-4MD2cos式中：J=D3/8，y=Dcos/2，在管頂和管底，=0°和180°，y=D/2, x1最大x1=4MD2=4×337.9×1033.14×2.052×0.018=5.69×106pa=5.69Mpa管道各軸向力其

30、合力為A，由此引起的軸向力為x3=ADx3=AD=9619.2×1033.14×2.05×18×10-3=83.02×106pa=83.02Mpa跨中斷面剪應力為0。所以，軸向應力x=x1+x3=5.69+83.02=88.71Mpa4.壓力管強度校核第三強度理論 =x2+2-x+3x2取=0.90，所以=88.712+101.32-88.71×101.3=95.63=0.90×120=1085.壓力管抗外壓穩定計算對于沿軸線可以自由伸縮的無加勁環的明鋼管，管壁的臨界外壓Pcr=2ED3>0.2MpaPcr=2ED3=

31、2×2×105×1820503=0.271Mpa>0.2Mpa三、鎮墩支墩設計1、鎮墩的設計（1）下鎮墩計算X=Acos-A2X=Acos-A2=9619.2cos35°-5751.48=2128.11kNY=Asin=9619.2sin35°=5517.35kN抗滑抗傾計算：鎮墩的理論重量：G=KcXfc-Y=2.0×2128.110.5-5517.35=2995.09kN取外包厚d=0.7m，則可得：H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m取H=B=3.5m。鎮墩體積V=G=BHLL=GBH=2995.093

32、.5×3.5×25=9.78m由圖的三角形關系得：eH2=XY+Ge=HX2Y+G=3.5×2128.1125517.35+2995.09=0.438me=0.438m<L6=9.786=1.63m所以，滿足抗傾要求。（2）中鎮墩計算X=A中cos-A2中=4875.235cos35°-2938.39=1055.169kNY=Asin=4875.235sin35°=2796.32kN抗滑抗傾計算：鎮墩的理論重量：G=KcXfc-Y=2.0×1055.1690.5-2796.32=1424.356kN取外包厚d=0.7m，則可得： H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m取H=B=3.5m鎮墩體積V=G=BHL則L=GBH=1424.3563.5×3.5×25=4.651m由圖的三角形關系得：eH2=XY+Ge=HX2Y+G=3.5×1055.16922796.32+1424.356=0.438me=0.438m<L6=4.6516=0.775m所以，滿足抗傾要求。中鎮墩的尺寸如上述計算2、支墩的設計1.荷載計算水管自重：管重Qs=gTlcos35°=8.92×10×cos35°=73.07kN水重Qw=qwlco