水电站压力钢管结构计算书

水电站课程设计任务及指导书一、设计题目某水电站压力管道结构设计二、课程设计的目的巩固加深所学的理论知识，培养学生运用理论知识和技术资料，分析、解决实际问题的能力。

三、课程设计的时间1周(2014年6月30日~7月4日)四、基本资料某水电站地面压力管道布置型式如图所示。

已知设计流量Q设=12.6m3/s，末跨中心断面的计算水头(包括水击压力)为56.25m，支座断面的计算水头为49.08m，伸缩节断面的计算水头为7.89m，支承环间距16m，计算段上下镇墩间距64m，钢管轴线与水平面倾角为44°，伸缩节距上镇墩2m，伸缩节内止水填料长度b=30cm，填料与管壁摩擦系数为0.3，支承环的摩擦系数为0.1，钢管采用A3钢。

下镇墩的上游端管中心的计算水头为63.4m，镇墩下游端和下游伸缩节中心计算水头近似相等，取为66.1m，镇墩下游端伸缩节的水平钢管长度为5.0m ，管内流速为5m/s，镇墩为混凝土结构。

五、设计任务1.初拟压力钢管内径及确定管壁计算厚度和结构厚度;2.确定刚性环间距；3.按正常运行情况基本荷载组合工况，对最后一跨的二个断面进行结构分析；六、设计步骤及指导1. 利用经验公式及经济流速初步确定压力管道的内径；2．确定压力管道厚度(全长采用一个厚度)，要求确定管壁计算厚度和结构厚度；3. 设计压力管道的刚性环的间距(1) 校核光滑管的稳定性；(2) 设计刚性环的间距；4. 对最后一跨的二个断面进行结构分析(1) 受力分析：按正常运行情况的基本组合计算不同断面径向力、法向力和轴向力；(2) 应力计算及强度校核；(3) 抗外压稳定分析(包括管壁和支承环抗外压稳定分析) ；七、设计成果1．计算说明书一份；2. 写一份800字左右的总结。

八、参考资料1．压力钢管设计规范 2．水电站设计参考资料课程名称人数课程性质考核方式周学时起止周教师姓名合班意见教室场地标识水电站课程设计54实践考查 1 19-19 孔鲁志11水利水电工程2班博雅楼1334、1332多媒体教室5711水利水电工程1班。

水电站引水压力钢管水锤升压的简略计算〇说明：有压管路的锤击是由于流体的速度、动量变化引起的，流体的可压缩性和管路材料的弹性是锤击压强得以升降和传播的根源。

设水电站引水压力钢管与阀门系统示意图如下，根据儒柯夫斯基锤击波和锤击压强理论，对该系统的水锤计算如下。

设阀门的关闭时间为Ts，锤击波在管路中往复传递一次历时为T。

则：当Ts＜T时(即从进口到阀门的减压传递尚未到达阀门处，而阀门已经完全关闭)，将产生完全锤击(直接锤击);当Ts≥T时为间接锤击。

直接锤击情况下水锤增压△p=ρ×C×Vo；间接锤击水锤增压△p’=ρ×C×V o×T/Ts。

式中：ρ为管路介质密度，C为锤击波传播速度，V o为流体初速。

二、计算锤击波的第一相长T：T=2×L÷C式中L为管路长度，此处取L=750m，C为锤击波速度，以最大的C计算将得到最短的T以最大的C计算将得到最短的T短=2×750÷1114.48=1.35秒以最小的C计算将得到最长的T长=2×750÷1073.59=1.40秒可以看出，当阀门关闭时间Ts=8秒时，Ts大于T，管道内产生的锤击波为间接水锤。

管路越长，T越大，T/Ts越大，水锤升压也越大。

三、计算管路流速根据标书：DN1000管道设计流量3.5m ³/s ，换成流速Vo=Q/(πr 2)=3.5÷(3.14159×0.52)=4.456m/s DN1200管道设计流量4.65m ³/s ，换成流速V o=Q/(πr 2)=4.65÷(3.14159×0.62)=4.11m/s 四、按间接水锤公式计算，水锤增压△p=ρ×C ×Vo ×T/Ts =1000×1114.48×4.456×1.35÷8=838033 Pa ≈83.8 m 水柱 △p=ρ×C ×Vo ×T/Ts =1000×1073.59×4.11×1.40÷8=772179 Pa ≈77.2 m 水柱五、根据阀门设计手册给出的水锤升压简易计算公式 公式来源：《阀门设计手册》P451，2000.4年版，杨源泉主编《阀门设计》P238，1975年版，沈阳阀门研究所关闭阀门水锤升压计算公式为△p=0.004Q/At 单位Kgf/cm 2此公式经单位换算同等变换后，等效于△p=144*V o/t ，单位m 水柱 在本例中，V o=4.456(4.11)m/s,关阀时间8s ，计算得 △p=144*4.456（4.11）= 80.21（73.98）m 水柱。

目录目录 (1)第一章机组选型 (4)1.1 特征水位 (4)1.1.1 Hmax可能出现情况 (4)1.1.2 Hmin可能出现情况 (5)H的计算 (6)1.1.3 av1.2 水轮机的选择 (6)1.2.1 HL220工作参数确定 (6)1.2.2 HL200工作参数确定 (9)第二章发电机选型及主要尺寸 (11)2.1 主要尺寸估算（单位：mm） (11)2.2 外形尺寸（单位：cm） (11)2.2.1 平面尺寸 (11)2.2.2 轴向尺寸 (11)第三章金属蜗壳尺寸 (12)第四章尾水管尺寸 (13)第五章调速器及油压装置选择与尺寸 (13)5.1 调速功计算：水轮机的调速功 (13)5.2 接力器选择 (14)5.2.1 接力器直径ds (14)5.2.2 最大行程 (14)5.2.3 接力器容积计算 (14)5.3 油压装置选择 (14)第六章大坝基本剖面拟定及稳定与应力校核 (15)6.1 坝高的确定 (15)6.1.1 坝顶上游防浪墙顶应超出静水位的高度△h (15)6.1.1 坝顶高程 (16)6.2 挡水建筑物-混凝土重力坝 (17)6.2.1 基本剖面 (17)6.2.2 实用剖面 (17)6.2.3 稳定计算 (18)6.3 泄水建筑物-混凝土溢流坝 (26)6.3.1 单宽流量q (27)6.3.2 溢流前缘总净宽L (27)6.3.3 孔数n (27)6.3.4 每孔净宽b (27)6.3.5 堰顶高程 (28)6.3.6 实用剖面设计 (29)6.3.7 冲坑挑距 (32)6.3.8 稳定计算 (33)第七章起重设备选择与尺寸 (36)第八章厂房轮廓尺寸估算 (37)8.1 主厂房长度确定 (37)8.1.1 机组段长度 (37)8.1.2 装配场长度 (37)8.2 主厂房宽度确定 (38)8.3 主厂房顶高程确定 (38)8.3.1 水轮机安装高程 (38)8.3.2 尾水管底板高程 (38)8.3.3 厂房基础开挖高程 (39)8.3.4 水轮机层地面高程4 (39)8.3.5 定子安装高程 (39)8.3.6 发电机层地面高程（定子埋入式） (39)8.3.7 装配场地面高程 (39)8.3.8 吊车轨道高程 (39)8.3.9 主厂房顶高程 (40)专题压力钢管应力计算 (40)第一章 机组选型1.1 特征水位20万KW 属中型电站，A ＝8.31，N ＝9.81QH η＝AQH ，考虑2%水头损失1.1.1 Hmax 可能出现情况1.1.1.1 校核洪水位（H=292.0m ），三台机组全发电r N =20/98%=20.41万kw由泄Q =12900 s m 3 查获下游水位2H =219.4 m毛Hmax =292.0-219.4=72.6 m 净Hmax =72.6×0.98=71.15 m1.1.1.2 设计洪水位（1H =290.0m ），四台机组全发电r N =20.41万kw由泄Q =10080s m 3 查获下游水位2H =217.0m毛Hmax =291.0-217.0=73.0 m 净Hmax =73.0×0.98=71.15m1.1.1.3 正常蓄水位（284.0m ），一台机组发电r N =5/98%=5.1万kw假定1Q =80s m 3 查获下游水位2H =202.0m毛H =284-202.0=82 m 净H =82×0.98=80.36 mN=AQ 净H =8.31×80×80.36=5.34万kw假定1Q =100s m 3 查获下游水位2H =202.3m毛H =284-202.3=81.7m 净H =81.7×0.98=80.01 m N=AQ 净H =8.31×100×80.01×0.98=6.65万kw假定1Q =240s m 3 查获下游水位2H =203 m毛H =284-203=81 m 净H =81×0.98=79.38 m N=AQ 净H =8.31×200×79.38=15.83万kw 作N ～Q 曲线，查得 N=5万kw 时，Q=76 s m 3 所以 max H 净=N/（8.31Q ）=5/（8.31×76）=79.17 m综上选取max H =79.17 m1.1.2 Hmin 可能出现情况设计低水位（264.0m ），四台机组全发电 r N =20/98%=20.41万kw 当1Q =240s m 3 查获下游水位2H =203 m毛H =263-203=60 m 净H =61×0.98=59.78 m N=AQ 净H =8.31×240×59.78=11.91万kw当1Q =300s m 3 查获下游水位2H =203.2m毛H =264-203.2=60.8m 净H =60.8×0.98=59.58 m N=AQ 净H =8.31×300×59.58=14.85万kw当1Q =450 s m 3 查获下游水位2H =203.8 m毛H =264-203.8=60.2 m 净H =60.2×0.98=59.0 m N=AQ 净H =8.31×450×59.0=22.1万kw作N ～Q 曲线，查得 N=20.41万kw 时，Q=409 s m 3，所以 下H =203.6 m 故min H =263-203.6=60.4 s m 3 综上选取min H = 60.4m1.1.3 av H 的计算av H =max H /2+min H /2=(79.17+60.4)/2=69.79m 设计水头H r =0.95×H av =0.95×69.79=66.3m 水电站水头变化范围为60.4—79.17由工作水头范围查表得：选用HL220水轮机或HL200水轮机1.2 水轮机的选择1.2.1 HL220工作参数确定1.2.1.1 转轮直径D1查表得限制工况Q 1/m ＝1.15 m 3/s ，ηm ＝89.0% 初设Q 1/ ＝1.15m 3/s ，ηm ＝91.7% Nr ＝60000/96%＝62500 kw ，Hr ＝73.76 mD 1==3.05 m取相邻较大值D 1＝3.3 m1.2.1.2 转速n查表得HL220型在最优工况下单位转速为：n 10/m ＝70.0r/min 设n 10/＝ n 10/m ＝70.0r/min ∵ Hav ＝69.79m n 10/＝70.0r/min D 1＝3.3m ∴取相邻值n ＝187.5r/min P ＝16对1.2.1.3 效率修正查表得HL220型在最优工况下的模型最高效率ηmmax＝91%模型转轮直径 D 1m ＝0.46m∴ηmax ＝1－（1－ηmmax ）×（D 1m /D 1）1/5＝93.9% △η＝93.9%－91%＝2.9%考虑制造工艺上的差异在△η值中减去一个修正值ε＝1.0 % ∴ △η＝1.9% ∴ηmax＝ηmmax+△η＝91%+1.9%＝92.9%η＝ηm +△η＝89.0%+2.9%＝91.9% 与假定值相同 ∴ △n 10// n 10/m ＝（ηmax/ηmmax）1/2－1＝1.04%＜3%∴ n 、Q 1/可不加修正1.2.1.4 工作范围检验在选定1D =3.3m n=187.5r/min 后，水轮机的'max 1Q 及各特征水头相对的'1n 即可以计算出来。

目录目录 (1)第1章枢纽布置、挡水及泄水建筑物 (3)1.1混凝土非溢流坝 (3)1.1.1 剖面设计 (3)1.1.2 稳定与应力校核 (6)1.2 混凝土溢流坝 (24)1.2.1 溢流坝孔口尺寸的确定 (24)1.2.2 溢流坝堰顶高程的确定 (25)1.2.3 闸门的选择 (26)1.2.4 溢流坝剖面 (27)1.2.5 溢流坝稳定验算 (28)1.2.6 溢流坝的结构布置 (35)1.2.7 消能与防冲 (35)第2章水电站厂房 (37)2.1 水轮机的选择 (37)2.1.1 特征水头的选择 (37)2.1.2 水轮机型号选择 (39)2.1.3 水轮机安装高程 (44)2.2 厂房内部结构 (44)2.2.1 电机外形尺寸估算 (44)2.2.2 发电机重量估算 (46)2.2.3 水轮机蜗壳及尾水管 (46)2.2.4 调速系统，调速设备选择 (48)2.2.5 水轮机阀门及其附件 (49)2.2.6 起重机设备选择 (50)2.3 主厂房尺寸及布置 (50)2.3.1 长度 (50)2.3.2 宽度 (51)2.3.3 厂房各层高程确定 (51)第3章引水建筑物 (54)3.1 细部构造 (54)3.1.1 隧洞洞径 (54)3.1.2 隧洞进口段 (54)3.2 调压室 (56)3.2.1 设置调压室的条件 (56)3.2.2 压力管道设计 (57)3.2.3 计算托马断面 (57)3.2.4 计算最高涌波引水道水头损失 (61)3.2.5 计算最低涌波引水道水头损失 (65)3.2.6 调压室方案比较 (66)第四章岔管专题设计 (72)4.1结构设计 (72)4.1.1 管壁厚度的计算 (72)4.1.2 岔管体形设计 (73)4.1.3 肋板计算 (75)第1章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物1.1混凝土非溢流坝1.1.1剖面设计1.1.1.1基本剖面 1.1.1.1.1坝高的确定（1）按基本组合（正常情况）计算：m H 235.5112123.5m =∇-∇=-=设计底220gD 9.81220042.63v 22.5⨯== 由（1）得5%h 1.057m = 由（2）得m L 10.92m =由《水工建筑物》表2—12 查得5%mh 1.95h = m h 0.542m ∴= 1%mh 2.42h = 1%h 2.420.542 1.31m ∴=⨯= 221%m z m m h 2H 1.312123.5h cth cth 0.49m L L 10.9210.92πππ⨯π⨯∴===大坝级别1级 正常情况c h 0.7m =1%z c h 2h h h 2 1.310.490.7 3.81m ∆=++=⨯++=设坝顶高程=设计洪水位+h ∆设235.5 3.81239.31m =+= (2)按特殊组合（校核情况）计算：m H 238112126m =∇-∇=-=校核底220gD 9.81222597.01v 15⨯== 由（1）得5%h 0.64m = 由（2）得m L 7.30m =由《水工建筑物》表2—12 查得5%mh 1.95h = m h 0.328m ∴= 1%mh 2.42h = 1%h 2.420.3280.79m ∴=⨯= 221%m z m m h 2H 0.792126h cth cth 0.27m L L 7.37.3πππ⨯π⨯∴===大坝级别1级 非正常情况c h 0.5m =1%z c h 2h h h 20.790.270.5 2.35m ∆=++=⨯++=设坝顶高程=校核洪水位+h ∆校238 2.35240.35m =+= 综上：坝顶高程取为240.35 m 。

强度计算书工程名称：XXXXXXXXXX 项目号：XXXX版次：0设计单位：XXXXXXXXXX项目负责：设计：校核：审核：工业及热力管道壁厚计算书1直管壁厚校核1.1计算公式：根据《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）（2008年版）6.2中规定，当直管计算厚度t s 小于管子外径D o 的1/6时，承受内压直管的计算厚度不应小于式（1）计算的值。

设计厚度t sd 应按式（2）计算。

[]()PYE PD t j tos +=σ2 （1）C t t s sd += （2）21C C C += （3）式中 s t —直管计算厚度（mm ）；P —设计压力（MPa ）； o D —管子外径（mm ）；[]t σ—在设计温度下材料的许用应力（MPa ）；j E —焊接接头系数；sd t —直管设计厚度（mm ）；C —厚度附加量之和（mm ）； 1C —厚度减薄附加量（mm ） 2C —腐蚀或腐蚀附加量（mm ）Y—计算系数式中设计温度为常温，一般取100℃，[]tσ根据《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）（2008年版）附录A金属管道材料的许用应力表A.0.1进行选取，故20#为130MPa，S30408为137MPa。

E取值是根据《压力管道规范-工业管道第2部分：材料》j（GB/T20801.2-2006）表A.3，故20#和S30408的取值都为1。

Y根据《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）（2008年版）表6.2.1进行选取，故20#和S30408的取值都为0.4。

1.2管道计算厚度1.3厚度附加量(1).C1厚度减薄附加量（mm），取钢管允许厚度负偏差。

根据《流体输送用不锈钢无缝钢管》（GB/T14976-2012）规定：热轧（挤、扩）钢管壁厚＜15mm时，普通级允许厚度负偏差（12.5%δ）高级允许厚度负偏差（12.5%δ）；热轧（挤、扩）钢管壁厚≥15mm时，普通级允许厚度负偏差（15%δ）高级允许厚度负偏差（12.5%δ）；冷拔（轧）钢管壁厚≤3mm时，普通级允许厚度负偏差（14%δ）高级允许厚度负偏差（10%δ）；冷拔（轧）钢管壁厚＞3mm时，普通级允许厚度负偏差（10%δ）高级允许厚度负偏差（10%δ）。

式中： a——单元管节正截面的圆心角；
（16-25）——Page472，《手册》
D——管内径与管壁厚度（计入锈蚀）之和，即平均直径，mm ； b——单元管节最短母线长的半值，mm ；
弯管展开曲线计算
单元管节半边展开曲线坐标按下式计算：
（16-24）——Page472，《手册》
ρ——弯管转弯半径管节中间正截面距离，mm ；
k——相邻单元管节的管轴偏角。

úû
ù
êëé--+==£©£¨£©£¨D a D b y a D x r p
2cos 1118022
2
D k tg
b +
=
r
)
2
(2D
k tg b -=r
一、 弯管一
弯管展开曲线计算：
已知条件有： 弯管转角θ=15。

，管内径D 0=1810mm ，壁厚δ=18mm 。

本弯管设计为3个单元管节；则，每个单元管节间偏角k=15/3=5。

，
二、弯管二
已知条件有：弯管转角θ=60。

，管内径D0=1810mm，壁厚δ=18mm。

本弯管设计为8个单元管节；则，每个单元管节间偏角k=60/8=7.5。

，。

一 、压力管水击计算 设计参数：Q=10s m 3，s T S 3=，[]MPa 120=σ，4.0=K f ，6.0=f ，3.0=b f 。

1、直接或间接水击判断取在明钢管中水击波的传播速度s m C 1000=。

取i=0.001，b=1.5m ，K=Q/=316.233/m s ，故 2.67 2.671.50.5490.017316.23b nk ==⨯，查表知，03.2, 1.5 3.2 4.8h h m b==⨯= 初估钢管直径由公式VQV Q D 13.1)4(21=⋅=π， 其中s m v 0.5=，,103m Q = 代入公式计算得：m D 598.1=。

取mm m D 1600.600.1==。

进口底砍取1m ，由初始尺寸可计算[]188(4.80.81)sin 36144.6L m -=---= 则s T CLs 329.010006.14422=<=⨯=，因此，发生的水击为间接水击 2、第一相或极限水击判断 水击常数：0max2h g V C ⨯⨯⨯=ρ一般经验，露天钢管的经济流速为4.0~6.0s m ，取s m v 0.5=0.3858.920.5100020max =⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=h g V C ρ， 满负荷运行 10=τ， 则 10.30>=ρτ，因此，压力钢管内将产生极限水击。

3、计算 σ s T gH LV s 29.03858.90.56.1440max =⨯⨯⨯==σ 4、由于钢管内产生的是极限水击，则取34.029.0229.0222=-⨯=-=σσξm ， 则水击压力的升高值m H H m 9.288534.00=⨯=⋅=∆ξ。

5、水击影响下阀门处最大水头：H ∆＝28.9m m H H H p 9.1139.28850=+=∆+=二 、压力钢管计算1、荷载组合选择①：钢管自重分力1A （沿管轴方向）； ②：关闭的阀门及闷头上的力2A ； ③：温度变化时支座对钢管的摩擦力3A ； ④：钢管自重分力4A （沿垂直管轴方向）；⑤：钢管中水重分力5A ； 3、管壁厚计算 []σγδ20DH p ⋅⋅=其中，38.9m KN g ==ργ m H p 9.113= mm D 1600= ， []MPa 120=σ则mm 44.710120260.19.113108.9630=⨯⨯⨯⨯⨯=δ， 0/80046D mm δ≥+= 符合要求。

目录目录..................................................................................................................................................... - 1 -第一章设计基本资料..................................................................................................................... - 3 -1.1地理位置 (3)1.2水文气象 (3)1.2.1水文条件............................................................................................................................ - 3 -1.2.2气象条件............................................................................................................................ - 4 -1.3工程地质 (4)1.4交通状况 (5)1.5设计控制数据 (5)第二章水轮机................................................................................................................................. - 5 -2.1特征水头 (5)2.1.1 H min的确定 ........................................................................................................................ - 5 -2.1.1.1校核洪水位................................................................................................................................. - 5 -2.1.1.2 设计洪水位................................................................................................................................ - 6 -2.1.1.3 正常蓄洪水位............................................................................................................................ - 6 -2.1.1.4设计低水位................................................................................................................................. - 7 -2.1.2 H max的确定........................................................................................................................ - 7 -2.1.2.1 校核洪水位................................................................................................................................ - 7 -2.1.2.2 设计洪水位................................................................................................................................ - 8 -2.1.2.3 正常蓄洪水位............................................................................................................................ - 8 -2.1.2.4设计低水位................................................................................................................................. - 9 -2.1.3 H av的确定..................................................................................................................... - 10 -2.2选型比较 (10)3.3调速系统 (14)3.4水轮机转轮流道尺寸： (15)3.4.1蜗壳尺寸.......................................................................................................................... - 15 -3.4.2尾水管尺寸...................................................................................................................... - 16 -第三章发电机................................................................................................................................... - 16 -第四章混凝土重力坝................................................................................................................... - 18 -4.1枢纽布置 (18)4.1.1枢纽布置形式.................................................................................................................. - 18 -4.1.2坝轴线位置...................................................................................................................... - 18 -4.2挡泄水建筑物.. (18)4.2.1坝顶高程确定.................................................................................................................. - 18 -4.2.1.1坝顶超出静水位高度△h ......................................................................................................... - 19 -4.2.2挡水建筑物——砼重力坝.............................................................................................. - 19 -4.2.2.1基本剖面................................................................................................................................... - 20 -4.2.2.2实用剖面................................................................................................................................... - 21 -4.2.2.3设计情况下............................................................................................................................... - 21 -第五章溢流坝................................................................................................................................. - 27 -5.1泄水建筑物—砼溢流坝 (27)5.1.2 堰顶高程....................................................................................................................... - 28 -5.1.3 溢流坝实用剖面设计..................................................................................................... - 29 -5.2溢流坝稳定应力计算.. (32)5.2.1设计洪水位（239.0）..................................................................................................... - 32 -5.2.2校核情况下（240.8 m） ................................................................................................. - 34 -5.3坝内构造. (36)5.3.1坝顶结构.......................................................................................................................... - 36 -5.3.1.1非溢流坝................................................................................................................................... - 36 -5.3.1.2溢流坝....................................................................................................................................... - 36 -5.3.2坝体分缝.......................................................................................................................... - 36 -5.3.2.1 给缝.......................................................................................................................................... - 36 -5.3.4坝内廊道.......................................................................................................................... - 36 -5.3.5坝基地基处理.................................................................................................................. - 36 -5.4溢流坝消能防冲. (37)第六章引水建筑物......................................................................................................................... - 38 -6.1引水隧整体布置 (38)6.1.1洞线布置（水平方向）.................................................................................................. - 38 -6.1.2洞线布置（垂直方向）.................................................................................................. - 38 -6.2细部构造. (38)6.2.1隧洞洞径................................................................................................................... - 39 -6.2.2隧洞进口段...................................................................................................................... - 39 -6.2.3拦污栅.............................................................................................................................. - 39 -6.2.4闸门断面尺寸............................................................................................................... - 40 -6.2.5进口高程计算............................................................................................................... - 40 -6.2.6压力管道设计.................................................................................................................. - 41 -第七章专题部分——调压室 ......................................................................................................... - 42 -7.1托马断面计算 (42)7.2涌浪计算 (44)7.2.1简单式调压室.................................................................................................................. - 44 -7.2.2阻抗式调压室.................................................................................................................. - 45 -7.2.3.差动式调压室.................................................................................................................. - 46 -7.3调压室结构设计. (48)7.3.1应力计算.......................................................................................................................... - 48 -7.3.2调压室配筋...................................................................................................................... - 51 -第一章设计基本资料1.1地理位置乌溪江属衢江支流，发源于闽、浙、赣三省交界的仙霞岭，于衢县樟树潭附近流入衢江，全长170公里，流域面积2623平方公里。

2. 水锤压力计算（1）根据小水电运行情况,水锤压力计算按以下两种工况计算： a. 水库正常蓄水位 2180.0m 时，机组突然丢弃全部负荷。

b.小水电运行限制水位 2178.0m 时，机组由空转至满负荷运行。

（2）水锤计算基本公式：a. 钢管中水锤波传播速度α值：式中 1425—声波在水中的传播速度（m/s ）； ε—水的弹性模量，ε=2.1×104（kg/cm 2）； E —管壁的弹性模量，E 钢=2.1×106（kg/cm 2）； D —压力管道的内径（mm ）； δ—管壁厚度（mm ）。

b. 水锤波在水管中传播来回一次所需时间：式中 L —压力钢管总长度（m ）； α—水锤波传播速度（m/s ）。

c. 压力水管特性常数：式中 ρ、σ—钢管特性常数； H —水电站的静水头（m ）； V —钢管中水流流速 （m/s ）；gH V2αρ=gHTsLV=σδεαDE +=11425αLt r 2=Ts—导叶关闭时间Ts=5s 。

(3) 经过计算判断得压力钢管内水锤为间接水锤，最大值为极限水锤，水锤压力沿程分布计算成果见表1.3.1。

压力钢管水锤压力计算成果表(4)水锤压力沿程分布曲线见附图1.1.1。

四. 压力钢管结构计算和抗外压稳定校核1.计算原则：①钢管结构在弹性状态下工作；②除对钢管结构进行强度计算外，还要对钢管进行抗外压稳定校核；③计算中不计地震力及弯段水流的离心力；④钢材为普通碳素钢，即主炉3号镇定钢（A3）；⑤焊接系数采用0.9，超声波检查率为100%；⑥管壁厚度计算中，钢管允许应力为0.55σs×75%。

2. 计算工况：（1）计算荷载：①2180.0m正常蓄水位时静水压力；②2180.0m正常蓄水位时机组丢弃全部负荷的正水锤压力;③钢管的自重;④管内的水重;⑤ 温度荷载;⑥ 管道放空时通气设备造成的负压。

（2）荷载组合：工况一：①＋②＋③＋④＋⑤ 工况二：⑥3. 钢管管壁厚度的计算 ① 管壁厚度按锅炉公式计算：式中 δ—管壁厚度（mm ）H —包括水击压力值的设计水头 （m ）； D —钢管内径 （m ）；[σ] —钢材允许应力，[σ]=0.55σs ×75% （kg/cm 2）,σs =2400kg/cm 2;φ—接缝坚固系数，φ取0.9。

三级水电站压力钢管结构设计1.设计依据及参考资料（1）设计依据：《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141-2001）（2）参考资料：《水电站》（西安理工大学、葛洲坝水电工程学院合编）2.设计原则（1）钢管结构在弹性状态下工作；（2）考虑压力管道洞身埋藏在地下，不校核地震情况，不计温度应力；（3）管壁最小厚度（包括壁厚裕量）应满足下表的要求。

压力钢管的结构重要性系数………………………γ0=1.0设计状况系数………………………………………ψ= 1.0焊缝系数 ……………………………………………φ=0.94.压力钢管主管段结构计算4.1管壁厚度t的确定主管段r = 2.2m，0.6mm。

σR r/E S2= 1.57mm＞ δ2=0.6mm1.0,水击压力γQ = 1.1钢管结构的抗力限值σR =t—钢管管壁厚度，mm。

经计算，主管承受最大环向正应力为σθ=73.598N/mm²，小于经过计算取缝隙δ2=《水电站压力钢管设计规范》附录B的条文说明中，建议缝隙δ2的取值为（3.5～4.3）×10-4r K 0—围岩单位抗力系数较小值，N/mm 3；161.538N/mm²。

（其中r为钢管内半径，m）。

缝隙判别条件： γd —结构系数；但考虑到地下埋管沿线地质条件较差，故不计围岩分担内水压力的作用，按压力钢管单独承受 ψ—设计状况系数；4.1.1受力条件分析式中：σR —钢管结构构件的抗力限值，N/mm 2 γ0—结构重要性系数；经计算，钢管的抗力限值σR =2E S2结构系数考虑焊缝系数取γd ==226373.63N/mm²，=0.611（N/mm²）p=γW H=γW [γQ ×(Z 蓄-Z 安)+γQ ×H 水击]σθ—钢管环向正应力，N /mm ；全部内水压力设计，结构系数仍按地下埋管取值。

4.1.3管壁厚度t的计算式中：p—内水压力设计值，N/mm 2；r—钢管内半径，mm；σ—钢管的抗力限值，N/mm 2。

明管结构计算书项目名称_____________日期_____________设计者_____________校对者_____________一、示意图：二、基本设计资料1．依据规范及参考书目：《水电站压力钢管设计规范》（SL 281－2003），以下简称规范《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077 - 1997）《钢结构设计规范》（GBJ 17 - 1988）《压力钢管》（潘家铮编1982年版）2．几何参数：钢管内径D = 2000 mm 钢管轴线倾角α= 44.0 度支座个数n = 4 个，支墩间距L = 16000 mm，加劲环间距l = 4000 mm钢管壁厚由计算确定。

加劲环厚度a1 = 25 mm 加劲环高度h1 = 100 mm支承环厚度a2 = 30 mm 支承环高度h2 = 150 mm伸缩节至支承环距离L3 = 54000 mm，伸缩节止水盘根沿轴向长度b1 = 300 mm伸缩节内套管外径D1 = 2020 mm，伸缩节内套管内径D2 = 2000 mm 3．材料及荷载参数：支承环处截面中心计算水头H = 56250 mm钢材的牌号：Q235C级，钢材的屈服点σs = 235.0 N/mm2钢材弹性模量E s = 2.06×105 N/mm2，泊松比μ= 0.3钢材线膨胀系数αs = 1.20×10-5 /℃，重度γs = 7.85×10-5 N/mm3焊缝系数υ= 0.95，支座对管壁摩擦系数f = 0.10伸缩节止水填料与管壁摩擦系数μ1 = 0.30三、初估管壁厚度1．按锅炉公式初估管壁厚度t：根据末跨跨中计算水头并考虑将刚才允许应力降低15%，锅炉公式如下：t = γw H1D/{2υ（1-0.15）[σ]}末跨跨中管道中心计算水头H1 = H-L/2×sinα= 56250-16000/2×sin44.0°= 50693 mm[σ] = 0.55σs = 0.55×235.0 = 129.3 N/mm2t = 9.80×10-6×50693×2000/[2×0.95（1-0.15）×129.25] = 4.8 mm考虑2mm的锈蚀裕量后管壁厚度初定为t = 7.0 mm2．复核管壁厚度是否满足制造工艺、安装、运输等要求所需刚度的最小厚度要求：判断公式如下：t ≥D/800 + 4则t应满足t ≥2000/800 + 4 = 6.5 mm实际选用管壁厚度t = 7.0 mm，满足要求四、跨中截面管壁应力分析1．计算参数：末跨跨中管道中心计算水头H1 = H-L/2×sinα= 56250-16000/2×sin44.0°= 50693 mm伸缩节端部管道中心计算水头H' = H-L3×sinα= 56250-54000×sin44.0°= 18738 mm伸缩节到跨中截面的计算长度L3' = L3-L/2 = 54000-16000/2 = 46000 mm 2．荷载计算：（1）径向内水压力计算公式：P = γw×H1P = 9.80×10-6×50693 = 0.497 N/mm2（2）钢管自重作用下垂直管轴方向的法向力计算公式：Q s = q s×L×cosα（每跨钢管自重）q s= 1.25πDtγs（单位长钢管自重，考虑加劲环等附件重量为钢管重量的25%）q s = 1.25×3.14×2000×7.0×7.85×10-5 = 4.316 N/mmQ s = 4.316×16000×cos44.0° = 49672 N（3）钢管中水重作用下垂直管轴方向的法向力计算公式：Q w = q w×L×cosα（每跨管内水重）q w= 0.25πD2γw（单位长管内水重）q w = 0.25×3.14×20002×9.80×10-6 = 30.788 N/mmQ w = 30.788×16000×cos44.0° = 354348 N（4）钢管自重作用下轴向分力计算公式：A1 = q s×L3'×sinαA1 = 4.316×46000×sin44.0° = 137907 N（5）套筒式伸缩节端部的内水压力计算公式：A5 = 0.25π（D12 - D22）H'γwA5 = 0.25×3.14×（20202-20002）×18738×9.80×10-6 = 11596 N （6）温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力计算公式：A6= π×D1×b1×μ1×γwA6 = 3.14×2020×300×0.30×18738×9.80×10-6 = 104883 N（7）温升时支座对钢管的摩擦力计算公式：A7 = n×（q s + q w）×L×f×cosαA7 = 3×（4.316 + 30.788）×16000×0.10×cos44.0°= 121206 N （8）轴向力的合力∑A∑A = A1 + A5 + A6 + A7=137907 + 11596 + 104883 + 121206 = 375592 N3．跨中管壁截面应力计算公式：（1）径向内水压力P在管壁中产生的环向应力σθ1：σθ1 = P×r/t×（1 - r/H×cosα×cosθ）式中：r = D/2θ为计算点径向与管中心铅垂线的夹角。