水电站压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管,一般为有压状态。水电站压力管道的特点是集中了水电站大部分或全部的水头,坡度较陡、内水压力不同时还要承受动水压力的冲击(水击压力)。另外,因其靠近厂房一旦发生破坏会严重威胁厂房安全。鉴于以上叙述,水电站压力管道是极具特殊重要性的器件,故对其材料、设计方法和加工工艺等都有许多特殊要求。压力管道的主要荷载为内水压力,管道的内直径D(m)和其承受的水头H(m)及其乘积(HD值)是标志压力管道规模及技术难度的重要参数,目前最大直径的钢管是巴基斯坦塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明敷钢管(直径13.26m)。HD值很高的水电站压力管道多见于抽水蓄能电站(目前最高值已超过5000m2)。

水电站压力管道可按布置形式和所用材料的不同进行分类,压力管道的常见类型见表4-1。其中,明管适用于引水式地面厂房,地下埋管多为引水式地面或地下厂房采用,混凝土坝身管道则只能在混凝土坝式厂房中使用。由于钢材强度高、防渗性能好,故钢管或钢衬混凝土衬砌管道主要用于中、高水头水电站,而钢筋混凝土管则适用于普通中、小型水电站。除了表4-1中所列的压力管道类型外,可用作水电站压力管道还有回填管(多用于尾矿坝排水管)、土坝下埋管、木管、铸铁管等(这些类型的管道目前在大、中型水电站中已基本不用,但在小型水电站中有时还能见到)。

表4-1　压力管道的常见类型

续表

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(1)钢管　用作水电站压力管道的钢管按其自身的结构可分为无缝钢管、焊接钢管、箍管3类。无缝钢管直径较小,适用于高水头小流量的情况。焊接钢管适用于较大直径的情况,焊接钢管通常是由弯成圆弧形的钢板焊接而成,其焊缝结构见图4-1(通常要求相邻两节管道的纵缝应错开一定角度,以避免焊缝薄弱点在同一直线上)。当HD＞1000m2时,钢板厚度一般会超过40mm,此时加工比较困难,故在这种情况下常采用箍管,箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍,称为加劲环)制成的,箍管可使管壁和钢箍共同承受内水压力,因此可以减小管壁钢板的厚度。用作水电站压力管道的钢管所使用的钢材应根据钢管结构形式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济性等因素参照相关设计规范选定。

(2)钢筋混凝土管　用作水电站压力管道的钢筋混凝土管具有造价低、刚度较大、经久耐用等多种优点,通常主要用于内压不高的中、小型水电站。用作水电站压力管道的各类钢筋混凝土管,除了普通的钢筋混凝土管外,还有预应力钢筋混凝土管、自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥管、预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋混凝土管适用于HD＜50m2的情况,预应力和自应力钢筋混凝土管的HD可达到200m2,而预应力钢丝网水泥管因其抗裂性能好,故其HD可超过300m2。

(3)钢衬钢筋混凝土管　用作水电站压力管道的钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬钢板制成的,在内水压力作用下钢衬与钢筋混凝土联合受力(从而可以减小钢板的厚度),用作水电站压力管道的钢衬钢筋混凝土管适用于HD较高的情况,由于钢衬可以防渗、外包的钢筋混凝土允许开裂,故该类管道有利于充分发挥钢筋的作用。

图4-1　焊接钢管的焊缝结构