CN101725763A - 薄壁压力输水管道 - Google Patents

Abstract

薄壁压力输水管道涉及一种向水力发电的水轮机输送压力水流的薄壁输水管道，尤其涉及一种大型的薄壁压力输水管道。该输水管道主要由管道、支撑管道的管床或支撑梁及其与管道之间装设的支撑件等组成。由于该输水管道受力条件优越，结构简单合理，制作安装及施工简便易行，因此其管壁薄，造价低。而且整个输水管道的安全可靠性高、沿程水头损失小，并能满足大流量压力水流的输水要求。

Description

薄壁压力输水管道

所属技术领域

薄壁压力输水管道涉及一种向水力发电的水轮机输送压力水流的薄壁输水管道，尤其涉及一种大型的薄壁压力输水管道。

背景技术

目前，在向引水式水力发电的水轮机输送较大流量水流引水设施的构成情况为：由按水平方向布置的引水渠道和与引水渠道相连接的，并继续按水平方向布置的输水渡槽形成一定的落差后，由以较短的距离和较大坡度布置的压力管道将水流输入水轮机。其存在的不足之处分别为：

在现有技术中的引水渠道，由于占地面积宽，渠道内水量渗漏损失严重。而且为了形成水力发电所需的落差必须要按水平方向布置，因此其挖方和颠方量大、工程造价高，并时常因渗漏而发生垮塌事故。

在现有技术中的输水渡槽，主要由支柱或拱形梁从其底部支承。为了形成水力发电所需的落差，渡槽必须要按引水渠道的高程继续沿水平方向布置，因此其架设的高度很高。并且由支柱支承及由拱形梁支承的渡槽，其结构要在保证渡槽的连接部位不渗漏水的情况下，还要承受渡槽内水流的重量和其自身重量对渡槽底部造成的拉应力和对渡槽顶部造成的压应力，因此渡槽自身必须要有足够的支撑强度。这不仅使其结构复杂而又庞大，而且使其制作、运输及吊装困难，并在现场要进行高空施工，从而不仅使其工程造价高、工期长，而且在交通不便及地形复杂的区域无法进行施工和吊装。在高寒地区的冬季，渡槽还会时常出现水流封冻及水流漫顶的现象，从而严重威胁着其支撑柱和拱形梁。

在现有技术中由以较短的距离和较大坡度布置的向水轮机输送压力水流的压力管道，主要是由具有一定间距的若干个支墩或支柱来支承。由于在两支墩或支柱间的管道，即要承受管道内水流的重量又要承受其自身的重量，从而在其管壁顶部会产生很大的压应力，而在其管壁底部又会产生很大的拉应力。因此，该管道的管壁要有足够的厚度，并且其外围设置足够数量的管箍时，才能保证其安全。因此，目前所使用的压力管道因管壁厚而造价高，而且因管壁厚而使其加工制作的难度很大。

目前，在地表面按一定的坡度或按不同的坡度长距离敷设后向水力发电的水轮机输送压力水流的管道，同样主要是由具有一定间距的若干个支墩或支柱来支承。由于其造价昂贵，加工制作难度大，因此只能适应于很小管径的管道输送很小流量的压力水流，而无法满足输送水能资源极为丰富的大流量压力水流的大直径压力输水管道。由予应力钢筋混凝土管对接而成的长距离输水管道，因其所有接缝处内表面的圆环形凹槽对整个管道造成了较大的沿程水头损失，从而使较大一部分水流动能在水流进入水轮机之前就已损失在压力输水管道内。有压或无压引水隧道的不足之处则为工程造价高、施工难度大、工期长，在地质条件较差的情况下隧道内还会出现塌方及水流的渗漏现象。

由于以上种种原因，使引水式水力发电工程中引水设施的造价往往占总造价的比例很大，而且始终存在有无法根除的事故隐患，造成事故后损失惨重。并且，适宜修建引水渠道及输水渡槽地形处的水能资源目前已基本开发完毕，而无法按水平方向修建引水渠道及输水渡槽的区域，修筑水坝又会造成大面积土地的淹没损失。因此，对该区域丰富的水能资源长期以来无法进行有效的开发和利用。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术中的种种不足，而提供一种管壁薄、结构简单合理，受力条件优越，制作、安装及施工简便易行，性能安全可靠，管道的沿程水头损失小，造价低，而且能够满足开发大流量水能资源所需的输送大流量和长距离压力水流的薄壁压力输水管道。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

薄壁压力输水管道，包括管道、管道内表面底部设置的抗磨层及管道外表面设置的保温层，以及管道伸缩节，并且包括顶部表面形状与管道底部的外表面形状相吻合的管床、支墩以及镇墩，其特征在于：该输水管道在地表面按一定的坡度或按不同的坡度长距离敷设过程中，当管道由地基支撑时管道底部与地基之间铺设有管床，当管道跨越沟壑等时由支撑梁支撑，并且管道与支撑梁之间装设有支撑件。

本发明所述的薄壁压力输水管道，其管道也可以主要是将管床顶部表面两侧的边沿分别与其它管道顶部的部分管壁两侧的边沿相连接后构成的管道。

本发明所述的薄壁压力输水管道，其管道还可以是顶部的部分管壁的两侧边沿分别与底部的部分管壁的两侧相连接后构成的管道，并将底部管壁两侧的端部分别延伸并开设销孔后作为管道的吊耳。

本发明所述的薄壁压力输水管道，管道与支撑梁之间装设的支撑件可以是两端分别装设在支撑梁上的吊件。

本发明所述的薄壁压力输水管道，管道与支撑梁之间装设的支撑件也可以是支撑梁与管道的吊耳之间装设的吊件。

由于顶部表面形状与管道底部的外表面形状相吻合的管床，与管道底部的外表面形状相吻合的若干个吊件以及管道的吊耳，均能使该管道的管壁不需要承受管道内水流的重量和管道自身的重量，从而使管道的管壁顶部不产生压应力；管道的管壁底部不产生拉应力。因此，该管道只需要很薄的管壁，即能满足输送压力水流的要求。

由于该管道在地表面按一定的坡度或按不同的坡度长距离敷设时，能够形成与引水渠道或输水渡槽按水平方向长距离设置时形成的落差(即位能)同样的压能，而且该管道在跨越沟壑、河流及道路等时，也不需要输水渡槽按渠道的高程沿水平方向布置时所要求的高度。因此，该管道可以取代大截面的引水渠道、输水渡槽及由支墩或支柱支承的压力管道后长距离全程敷设。

根据以上所述的构成情况及受力状况，该发明具有如下有益的效果和显著的进步：

1.利用该管道能够有效开发在不能按水平方向修建渠道、架设渡槽，以及不宜建筑水坝区域内的各类大流量水能资源。

2.该管道的管床和支撑支撑梁的支撑柱所占的宽度与该管道的宽度相当，因此其占地面积很小。

3.由于该管道按地表面敷设，并且在跨越沟壑等时不需要很高的高度，因此大大减小了其施工及安装的难度，从而大幅降低了其工程造价，并能在交通不便及地形复杂的区域进行施工和安装。

4.该管道由于其管壁很薄，从而能够成倍的节省原材料。当该管道由管床的顶部表面和其顶部的部分管壁构成时，还能节省接近一半的管壁材料。

5.由于该管道只需承受管道内水流压力所产生的拉应力，而不需要承受水流及管道自身重量带来的压应力和拉应力，因此该管道可以由金属材料制成，也可以由抗拉性能强的非金属材料制成。当由普通薄钢板制成时因其接缝可平滑的焊接连接，因此整个管道的沿程水头损失很小。

6.由于该管道的管壁很薄，而管径又很大，因此当其由金属材料制作时，不需要大型卷板机等制作设备，而在施工现场将薄板材紧包在圆模外表面后对接即可。从而大大减轻了其运输和制作的难度

7.该输水管道在其敷设的全程范围内均不存在渗漏现象，因此完全消除了因渗漏而导致垮塌事故的隐患，从而具有很高的安全可靠性。

8.该管道在其入水口处将泥沙进行分离，或者在其底部设置有抗磨层的情况下能够长期使用。

9.该管道使水流在冬季不能与冷空气直接接触，因此不产生结冰现象。在高寒地区其管壁外表面还可以加装保温层。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作详细的说明。

图1是沿薄壁压力输水管道中心线的整体纵剖面图，该图清晰表达了利用该管道向冲击型水轮机输送压力水流的整体布置结构。

图2是图1中沿A-A线的横剖面图，该图清晰表达了敷设在管床顶部的管道结构。

图3是图1中沿B-B线的横剖面图，该图清晰表达了管道跨越沟壑时支撑梁及其支撑柱和支撑梁与管道的吊耳之间装设吊件的结构。

图4是图3中的C向视图，该图清晰表达了支撑梁与该管道的吊耳之间装设吊件的整体布置结构。

图5是由管床顶部表面与薄壁钢管顶部的部分管壁构成的大型薄壁压力输水管道的横剖面图。

图6是大型薄壁压力输水管道在跨越道路或河流时的横剖面图。

图7是图6中的D向视图，该图清晰表达了支撑梁与管道之间装设钢吊带的整体布置结构。

图8是由管床顶部表面与薄壁钢管的上半部管壁构成的薄壁压力输水管道的横剖面图。

图9是管道与支撑梁之间装设可调整吊筋的薄壁压力输水管道的横剖面图。

图10是图9中的E向视图，该图清晰表达了管道与支撑梁之间装设可调整吊筋的整体布置结构。

以上各图中的标号分别代表：1.进水闸门；2.管道入水口；3.伸缩节；4.薄壁压力管道；5.管床；6.支墩；7.钢吊带；8.支承柱；9.镇墩；10.阀门；11.折向器；12.冲击型水轮机；13.顶杆；14.支撑梁；15.尾水渠；16.沟壑；17.排沙孔；18.抗磨层；19.垫片；20.圆柱销；21.调整圆孔；22.连接片；23.吊筋；24.螺母；25.吊耳；26.吊片。

具体实施例

图1、图2、图3和图4示出了本发明的第一个实施例。该实施例详细说明了利用薄壁压力输水管道向冲击型水轮机输送压力水流的整体布置结构及其操作过程。

如图1和图2所示：在沿地表面铺设有将一半高度埋入地面以下的混凝土管床5，管床5的底部表面形状为带有齿墙的平面，而顶部表面形状为直径为2米的圆弧形凹槽。在圆弧形凹槽内敷设有由3毫米厚普通钢板制成的直径为2米的薄壁压力管道4，并在管道4内的底部表面设置有环氧沙浆抗磨层18。

如图1、图3和图4所示：在地表面有沟壑16的部位，等距离地设置有支墩6，支墩6的顶部固装有两根平行设置的支撑柱8。支撑柱8的顶端间设置有顶杆13，支撑柱8的顶部支撑面上分别装置有两根相互平行的支撑梁14。在支撑梁14上分别依次通过圆柱销20套装有宽度均为5厘米、厚度均为3毫米，并且相互间均具有5厘米间距的吊片26。在圆柱销20的底部垫有垫片19，在吊片的顶端分别开设有调整圆孔21。吊片26的底端分别通过圆柱销20′和管道的吊耳25吊装有由2毫米厚普通钢板制成的直径为2米的管道顶部的部分管壁的两侧边沿分别与由3毫米厚普通钢板制成的直径为2米的管道底部的部分管壁两侧相连接后构成的薄壁压力管道4，并将底部管壁两侧的端部分别延伸并开设销孔后作为管道的吊耳25。在管道4内的底部表面同样设置有环氧沙浆抗磨层18。在薄壁压力管道4的变向处和尾部分别设置有镇墩9，在管道4的入水口2后和变向处的镇墩9后分别设置有伸缩节3。在管道4的入水口前的流道内装置有闸门1，在管道4的入水口底部设置有排沙孔17，在管道4的出水口设置有阀门10，阀门10的外部设置有导流面的表面形状为平面形的折向器11，折向器11的后方装置有冲击型水轮机12，在阀门10、折向器11和水轮机12的下方为尾水渠15。

当开启管道入水口前的进水闸门时，水流进入薄壁管道并逐渐充满管道，同时将管道内的空气及时从管道入水口的顶部排出。当管道出水口的阀门以使管道内不产生负水锤压力的速度缓慢开启，并根据来水量的大小开启至相应的开度时，压力水流从管道出口射出。此时，折向器则可根据水轮机的需要使射出的水流全部进入水轮机或将部分射流折向后使其直接进入尾水渠。在来水量发生变化并需要改变管道出口阀门的开度大小时，该阀门同样以使管道内不产生正水锤或负水锤压力的缓慢速度来改变其开度。当水轮机需要停机时，则由折向器迅速将全部射流直接导入尾水渠后使水轮机停止运转，然后由管道出口的阀门以使管道内不产生正水锤压力的缓慢速度将出水口关闭，或者关闭管道入水口前的进水闸门后，使管道内的水流自动排出管道。从而使该管道在向冲击式水轮机输送压力水流过程中的各种情况下，管道内均不产生水锤压力。

在该实施例中，管道在不承受水流和其自身重量带来的压应力和拉应力的情况下，又不承受超出管道内正常压力许多倍的正水锤压力或负水锤压力带来的拉应力和压应力，因此其管壁厚度可进一步减小至能承受管道内正常压力形成的拉应力即可。顶部形状为圆弧形凹槽的混凝土管床和管道的吊耳，不仅能够支撑管道内水流及管道自身的重量，还能防止管道内无压力水流时管道因自重而产生的变形现象。在支撑梁上套装的吊片及圆拄销和管道的吊耳，还能够消除支撑梁除垂直向下以外的所有受力，吊耳25还能将吊片26的拉力均匀地扩散到薄壁压力管道3毫米厚的底部半圆，从而使支撑梁和管道均具有优越的受力条件，并且吊耳25的设置能大幅节约吊件的原材料。在吊片的顶端设置的调整圆孔中穿入千斤顶等器件后，可以调整圆柱销与支撑梁顶面间的垫片厚度，从而能使每根钢吊带都能均匀地受力。导流面的表面形状为平面形的折向器，不但能够折去截面大和截面形状不同的射流，而且具有较小的折向角度时即能折去全部射流，并且折去射流时的冲击力很小。在管道入水口底部设置的排沙口能将水流带来的泥沙进行分离。管道底部设置的抗磨层，则能防止未被完全分离的泥沙进入管道后磨损管道底部。

图5、图6和图7示出了本发明的第二个实施例。该实施例详细说明了利用薄壁压力输水管道输送大流量压力水流的结构。

如图5所示：在沿地表面铺设有底部为带有齿墙的平面，而顶部表面形状为圆弧形凹槽的钢筋混凝土管床5，圆弧形凹槽的直径为4米，并将圆弧形凹槽两侧的边沿分别与由4毫米厚普通钢板制成的直径为4米的管道顶部的部分管壁两侧的边沿相连接后构成薄壁压力管道4。在管道4内的底部表面设置有环氧沙浆抗磨层18。

如图6和图7所示，管道在跨越道路或河流时的结构为：在两根平行设置的支撑柱8的顶端间设置有顶杆13，支撑柱8的顶部支撑面上分别装置有相互平行的，并且分别由两根并列的工字钢构成的支撑梁14。将两端分别带有圆柱销孔的钢吊带7的两端分别从两并列的工字钢中间的间隙穿出后插入圆柱销20，在圆柱销20的两端与工字钢顶面的中间部位间分别垫有垫片19。在钢吊带7的端部还设置有调整圆孔21。在两支撑梁14之间的钢吊带7上面敷设有由4毫米厚普通钢板制成的直径为4米的薄壁压力管道4，在管道4内的底部表面设置有环氧沙浆抗磨层18。

在该实施例中，由管床的顶部表面和薄壁管道的上半部分构成的薄壁压力管道，能节省接近一半的管壁原材料；由两根并列的工字钢构成的支撑梁能够承受大截面和跨度较大的输水管道中水流的重量和管道自身的重量。圆柱销的两端与工字钢顶面的中间部位间的垫片，则能将钢吊带的垂直向下的拉力传递给支撑梁的最佳受力点，从而使支撑梁具有优越的受力条件。在钢吊带的端部设置的调整圆孔中穿入千斤顶等器件后，可以调整圆柱销与支撑梁顶面间的垫片厚度，从而能使每根钢吊带都能均匀地受力。管道内底部表面设置的抗磨层，则能防止管道底部管壁长期不受泥沙磨损。因此，该管道完全能够满足大流量压力水流的输水要求。

图8、图9和图10示出了本发明的第三个实施例。

如图8所示：在沿地表面铺设有底部为带有齿墙的平面，而顶部为圆弧形凹槽的钢筋混凝土管床5，圆弧形凹槽的直径为3米，并将其作为薄壁压力管道4的下半部分，再将圆弧形凹槽表面两侧的边沿与由3毫米厚普通钢板制成的直径为3米的管道上半部分管壁两侧的边沿相连接后构成薄壁压力管道4。在管道内的底部表面设置有环氧沙浆抗磨层18。

如图9和图10所示，该管道在跨越河流等时的结构为：在两根平行设置的支撑柱8的顶端间设置有顶杆13，支撑柱8的顶部支撑面上分别装置有两根相互平行的支撑梁14。在两支撑梁14底部中间部位分别设置有依次排列的吊耳25和25′，将吊筋23设置有连接片22的一端通过圆柱销20与吊耳25′相连接；将吊筋23带有螺纹的一端通过螺母24与吊耳25相连接。吊筋23的顶部敷设有由3毫米厚普通钢板制成的直径为3米的薄壁压力管道4。在管道4内的底部表面设置有环氧沙浆抗磨层18。

在该实施例中，由管床的顶部表面和薄壁压力管道的上半部分构成的薄壁压力管道，同样能节省接近一半的管壁原材料。吊耳25和25′能将拉力均匀地传递给支撑梁的最佳受力点，螺母24则能够调整每一个吊筋的拉力，从而使每一个吊筋都能均匀地受力。

Claims (5)

1.薄壁压力输水管道，包括管道、管道内表面底部设置的抗磨层及管道外表面设置的保温层，以及管道伸缩节，并且包括顶部表面形状与管道底部的外表面形状相吻合的管床、支墩以及镇墩，其特征在于：该输水管道在地表面按一定的坡度或按不同的坡度长距离敷设过程中，当管道由地基支撑时管道底部与地基之间铺设有管床，当管道跨越沟壑等时由支撑梁支撑，并且管道与支撑梁之间装设有支撑件。

2.根据权利要求1所述的薄壁压力输水管道，其特征在于：管道也可以是将管床顶部表面两侧的边沿分别与其它管道顶部的部分管壁两侧的边沿相连接后构成的管道。

3.根据权利要求1所述的薄壁压力输水管道，其特征在于：管道还可以是顶部的部分管壁的两侧边沿分别与底部的部分管壁的两侧相连接后构成的管道，并将底部管壁两侧的端部分别延伸并开设销孔后作为管道的吊耳。

4.根据权利要求1所述的薄壁压力输水管道，其特征在于：管道与支撑梁之间装设的支撑件可以是两端分别装设在支撑梁上的吊件。

5.根据权利要求1或3所述的薄壁压力输水管道，其特征在于：管道与支撑梁之间装设的支撑件也可以是管道的吊耳与支撑梁之间装设的吊件。

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