從水庫、前池或調壓室將發電用水直接引入水輪機,或者在抽水蓄能電站由水泵向高處輸水,承受較高內水壓力的管道。當水輪機或水泵的流量發生急劇變化,壓力水管內出現水擊現象時,壓力水管在承受較大內水壓力的同時,還須承受水擊壓力。

四川冕甯磨房溝二級水電站壓力鋼管,,計算水頭675m

  分類 壓力水管按佈置方式,可分為開敞式水管、埋藏式水管和回填式水管三類。開敞式水管又稱明管,通常佈置在地面或建築物的支座上(見彩圖),或者佈置在地表以下的坑道、隧洞、廊道內,並留有一定的通道,以便檢修。埋藏式水管包括壩內埋藏管(埋藏在混凝土壩體內的壓力水管)和地下埋藏管(開鑿在巖石內的壓力水管),均不另建專門的支承結構,水管周圍的混凝土或堅硬巖石能承受部分內水壓力,可減薄管壁厚度。此外還有佈置在混凝土壩下遊壩面以外,外面包有混凝土,常稱為壩後背管或外包混凝土管。回填式水管可佈置在溝槽內,或者直接敷設在回填土上,然後回填土,也不需要專門的支承結構。

  壓力水管按所用材料的種類又可分為木管、鋼筋混凝土管、鋼管等。

  ①木管:由橫斷面有一定曲率的木板條拼成圓管,外加鋼箍構成,常用於盛產木材山區的小型水電站。

  ②鋼筋混凝土管:包括普通鋼筋混凝土管、預應力和自應力鋼筋混凝土管、鋼絲網水泥和預應力鋼絲網水泥管等。普通鋼筋混凝土管一般用於水頭不高,直徑較大,且有一定外壓情況下的中小型水電站。其他鋼筋混凝土管一般適用於較高水頭的小型水電站。

  ③鋼管:由於鋼材具有強度高,防滲性能好等優點,目前大中型水電站的壓力水管大都采用鋼管,通常稱為壓力鋼管。

  壓力鋼管 隨著水電站的引水系統形式的不同,壓力鋼管有各種佈置方式,但其基本構造及對材料的要求等方面是相同的。

  壓力鋼管主要包括管身、剛性環、伸縮節、通氣孔、進人孔和排水孔等。對於開敞式鋼管還有支承環、支墩和鎮墩(圖1)。

  壓力鋼管管身構造形式有無縫鋼管、焊接和鉚接鋼管、箍管三種。20世紀以前,水電站的壓力鋼管比較廣泛地使用鉚接鋼管。到20世紀,隨著焊接技術的發展,逐漸改用焊接鋼管,現已不再采用鉚接鋼管。箍管是在光滑的無縫鋼管或焊接鋼管上套以鋼箍而成,都用於高水頭的明管,還有用多層管殼的水管,可承受更高的內水壓力。

  為瞭保持某些焊接鋼管在外壓作用下的管壁穩定,並保證管節在運輸和安裝時的剛度,常在鋼殼外部設置剛性環(又稱為加勁環)。

  為瞭清除因溫度作用和地基變形而引起鋼管結構內產生的附加應力,在壓力鋼管的直線段上常設置伸縮節。根據其功用可分為兩類:溫度伸縮節,隻允許鋼管作軸向伸縮和發生微小的角變位;溫度沉陷伸縮節,除允許鋼管沿軸向自由變形外,還允許鋼管發生較大的相對轉角。

  開敞式鋼管一般敷設在一系列的支墩上,鋼管在支墩處要設支承環,支墩要承受水重和管身自重在垂直管軸方向的分力,並允許鋼管在軸向能自由移動,在開敞式鋼管的轉彎處還需設置鎮墩以固定鋼管,並承受因管軸方向變位而產生的軸向力。

  壓力鋼管所使用的鋼材,根據鋼管類型和適用的水頭,一般采用經過鎮靜熔煉的熱軋平爐低碳鋼或低合金鋼,隨著高水頭水電站的建設,屈服點為500、600MPa級,甚至700MPa級的高強度鋼材也已被廣泛使用。

表1 中國已建和在建水電站的各種類型壓力鋼管最大參數表

  隨著高水頭和大型水電站的發展,出現瞭大直徑壓力鋼管,其計算水頭(包括水擊壓力在內的內水壓力)也不斷提高。中國已建和在建水電站的各種類型壓力鋼管最大參數如表1。

  在世界上已建成瞭許多各種類型的大型壓力水管。如美國胡佛水電站的地下埋藏式鋼管,直徑9.14m;委內瑞拉古裡水電站第二廠房的壩內埋藏式鋼管,直徑11.4m;美國大古力水電站第三廠房壩後背管,直徑12.2m等。

  分岔管 當采用一條壓力管道向一臺以上的水輪發電機組供水時,為瞭分配流量,在壓力水管的末端需設置分岔管。由於在壓力鋼管末端采用較多,故又稱為鋼岔管。

  根據分岔管連接形狀和加固方式可分為五類。①貼邊岔管(圖2a):在分岔管相貫線的兩側用補強板加固,一般用於水頭不大,流量較小的地下埋藏式鋼管。②三梁岔管(圖2b):由三根首尾相接的曲梁作為加固結構,是一種應用較普遍的分岔管形式,適用於水頭較高,流量不大的開敞式鋼管。③內加強月牙肋岔管(圖2c):它是由三梁岔管發展而來的一種較新的分岔管。加強用的月牙肋完全被嵌入管體,以改善其應力狀態,並減小外型尺寸,是大型地下埋藏式鋼管分岔管的發展方向。④球型岔管(圖2d):由球殼、主管和支管、補強環等組成,常用於高水頭水電站,是世界各國采用較多的一種分岔管。⑤無梁岔管(圖2e):它是在球形分岔管基礎上發展而來的,由三個漸變的錐管作為球殼與主、支管的連接段,同時作為補強環。無梁岔管是一個比較復雜的空間殼體結構,目前應用不多。

  中國在20世紀50年代建造的分岔管,由於水電站的水頭不高,一般都采用貼邊岔管;60年代起,由於高水頭水電站的建造,比較多地采用三梁岔管,70年代後,因為壓力鋼管的設計水頭和直徑繼續加大,大直徑、高內壓的三梁岔管,制造安裝更為困難,遂逐漸采用內加強月牙肋岔管,個別工程采用瞭球形岔管和無梁岔管。至1987年,中國已建水電站的最大的分岔管如表2。

  在其他國傢也已建成瞭許多大型的分岔管(見彩圖),如日本第二沼澤水電站的三梁岔管,主管直徑6.0m,支管直徑4.0m;美國卡斯巴克水電站的內加強月牙肋岔管的主管直徑9.14m,支管直徑7.10m;日本奧吉野水電站的球形岔管,主管直徑4.3m,支管直徑2.7m等。

表2 中國已建水電站的最大分叉管

巴基斯坦塔貝拉水電站岔管,世界最大的岔管,進口管直徑13.26m,圖為現場組裝情況

  

參考書目

 王樹人、董毓新主編:《水電站建築物》,清華大學出版社,北京,1984。