小型水电站倒虹压力钢管在实际应用中的分析计算.doc

小型水电站倒虹压力钢管在实际应用中的分析计算（一）武平县水利局 连盛福 朱钦雄摘要水电站倒虹压力钢管是小型水电站建设中常碰到的一个问题，特别是高水头水电站，如何解决倒虹带来的不良影响，是水电站安全运行的关键。可以解决小型水电站地形复杂，渠道线路长等因素带来的造价高，维护管理困难，减少工程总体投资，缩短投资回收期起到关键性的作用。关键词倒虹压力钢管 小型水电站 应用计算小型水电站的开发是近年来比较热门的水力资源开发项目，且根据地形地质及经济效益，引水式水电站的开发，都希望有一定的调节库容，并充分利用水头，而少占用林地，因近年来林地的审批、管理都比较严格，占用林地的审批费用在工程投资中占一定的比例，因此，近年来较多采用压力管直接从坝内引水到厂房的形式建厂发电，不再修建渠道、前池。这样建成后的管理也比较简单。但因地形地质等条件的限制，为了节省投资，常碰到压力钢管应倒虹而目前我区还未对水电站压力钢管采用倒虹的先例，今就压力钢管的倒虹问题分析计算如下：一、压力钢管从坝内引至厂房应明确的概念1、压力钢管从坝内引至厂房不管途经怎样的地段，上下左右如何弯曲、转角，它就是一个连通器（也是一条压力水道）的概念。2、既然是压力管道就可以按水力学的相关公式来进行推求。3、因厂房到拦河坝基距离大部分在1000米2000米左右，应按长管的公式来计算。二、应注意的问题1、压力钢管所经过沿线，地质应稳定，尽量避免易滑坡、开挖困难或交通较困难的地段。2、压力管坡，与进坝公路在不影响的前提下，尽量相互造近，从而减少运输费用，运行中管理也较方便。3、倒虹的最高点高程应当考虑到不得超过管道进水口或坝内的设计水位高程减去坝内起始至倒虹最高点处管道沿线的各种水头损失之和.4、倒虹最高点的压强问题：倒虹最高点内的空气在压力管充水的过程中，该点处的管内空气会随着压力管中水的漫漫充满而排出大部分。但有一部分空气是无法排空的，该部分空气残留在管内会给压力钢管带来至命的破坏作用，主要体现在以下几方面：（1）压力管的汽蚀（2）在开、停机过程中产生拍击，破坏压力钢管（3）在停机时，由于水机导叶的关闭，水流状态的改变，在压力管中产生水锤冲击波，使该处的残留空气在倒虹最高点左右来回冲击，而产生压力管的内外压强不一致，管内压强小于外压，经过几次的来回振荡，从而产生压力钢管受负压而变形破裂。三、压力钢管的分析计算1、压力钢管内径的计算根据水力学-书中，按长管的要求计算： （1）式中：D管径 单位：米设计流量 单位：m3/s园周率管内经济流速，单位m/s，按水电站一书的V=4-6m/s目前考虑到水头损失不易过大，经过我县多年来水电站的运行证明，压力管使用一段时间后，内壁会产生水秽，但又要考虑经济。所以常采用1.8-2.5m/s较为理想。2、管壁厚度的确定压力钢管系薄壳结构，内水压力（即径向力）是它的主要荷载，可按以下公式计算 （2）因未计入其它荷载，故半允许应力 降低20%来计算，作为管壁的初拟厚度。在实际设计中应按压力钢管的应力分析和稳定性进行校核，一般在实际当中，考虑到钢板厚度可能不精确以及运行中的的磨损和锈蚀，实际采用的管壁厚度应在上述计算厚度的基础上再加2mm。然后按 来初校钢管的钢性情况，一般 时，能满足钢管的钢性要求，反之，则不能满足，应进行稳定性校核，但总的设计选用壁厚时，应按压力钢管的设计规范来考虑。式中：钢管壁厚，单位：内水压强（一般取 rH设=9.8H）单位：ND压力管径（r-半径）单位：mm焊缝系数（一般取=0.850.95） 钢材容许应力，可查钢材技术参数，单位：Pa一般 127.5103Pa四、水头损失的计算水头损失的计算是倒虹压力管中的关键，必须认真分析对待，这关系到倒虹水流在流动过程中，机械能的消耗是不可能避免的，为了便于分析和计算，根据边界条件的不同，把水头损失分为两类：1、沿程水头损失：在均匀的和渐变的流动中，由于全部流程的摩擦阻力即沿程阻力而损失的水头，叫沿程水头损失，用hf表示。它随流动长度的增加而增加，在较长的输水管的流动中，是以流程水头损失为主的流动，由于实际水流非常复杂，一般采用达西-魏斯巴哈公式计算： . (3)式中：沿程水头损失系数或沿程阻力系数，它是反映水流型态和边界