SL/T 281-2020 水利水电工程压力钢管设计规范（附条文说明）

SL ICS 27.140

H48

中华人民共和国水利行业标准

SL/T 281——2020替代SL281——2003

水利水电工程压力钢管设计规范

Design specification for steel penstocks of water conservancy and hydropower engineering

2021-02-28实施2020-11-30发布

中华人民共和国水利部 发布

根据水利技术标准制修订计划安排，按照SL1—2014《水利技术标准编写规定》的要求，对SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》进行修订，标准名称更改为《水利水电工程压力钢管设计规范》。

本标准共11章和6个附录，主要技术内容有∶布置、材料、水力计算、结构分析、岔管、构造要求、管道防腐、水压试验、安全监测。

本次修订的主要技术内容有∶

————修改了本标准的适用范围；

————增加了整体膜应力、弯曲应力等术语；

————增补了输水工程管道布置的相关规定；

————增补了回填管、垫层管的布置及结构计算，并增加了压力钢管穿越活断层的工程实例及相应措施；

————更新了材料标准相关内容，补充完善了高强钢性能要求

————修订了正常工况、特殊工况时水力计算要求；

————明确了有限元计算方法钢材允许应力的取值规定，增加了无损探伤TOFD方法的有关内容；

————完善和补充了钢衬钢筋混凝土管相关设计内容；

————增补了埋藏式岔管与围岩联合承载方法的内容；

————增加了管道防腐章节。

本标准所替代标准的历次版本为∶————SD144—85 、————SL281—2003

1.0.1 为贯彻执行国家的技术经济政策，规范水利水电工程压力钢管的设计，做到安全可靠、技术先进、经济合理、环保节能，制定本标准。

1.0.2 本标准适用于常规水电站、抽水蓄能电站、泵站、输水工程等的压力钢管设计。

1.0.3 压力钢管的级别划分应按照 SL 252《水利水电工程等级划分及洪水标准》执行。

1.0.4 水利水电工程压力钢管可分为下列型式∶

1 明管。2 地下埋管。3 坝内埋管。4 钢衬钢筋混凝土管。5 回填管。6 其他管型。

1.0.5 本标准主要引用下列标准∶

GB/T700 碳素结构钢

GB713 锅炉和压力容器用钢板

GB/T1591 低合金高强度结构钢

GB/T5313 厚度方向性能钢板

GB6514 涂装作业安全规程 涂漆工艺安全及其通风净化

GB/T8923.1 涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定 第1部分∶未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级

GB19189 压力容器用调质高强度钢板

GB/T 31946 水电站压力钢管用钢板

GB50013 室外给水设计标准

GB50017 钢结构设计标准

GB/T50662 水工建筑物抗冰冻设计规范

GB50766 水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范

GB51247 水工建筑物抗震设计标准

SL105 水工金属结构防腐蚀规范

SL191 水工混凝土结构设计规范

L252 水利水电工程等级划分及洪水标准

SL279 水工隧洞设计规范

SL655 水利水电工程调压室设计规范

SL744 水工建筑物荷载设计规范

YB/T 4137 低焊接裂纹敏感性高强度钢板

1.0.6 水利水电工程压力钢管的设计除应符合本标准规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

2.1.1 明管 exposed penstock

暴露在空气中的压力钢管。

2.1.2 地下埋管 underground penstock

埋入岩体中，钢管与岩壁之间填筑混凝土或水泥砂浆的压力钢管。

2.1.3 坝内埋管 embedded penstock within dam

埋设在混凝土坝体内的压力钢管。

2.1.4 钢衬钢筋混凝土管 steel lined reinforced concrete pen-stock

由钢衬与钢筋混凝土组成并共同承载的压力管道。

2.1.5 回填管 buried penstock

埋在沟内并回填土石的压力钢管。

2.1.6 垫层管 penstock with cushion course

钢管与混凝土之间设软垫层的压力钢管。

2.1.7 岔管 branch pipe

输水管道分岔处的压力钢管管段。

2.1.8 三梁岔管 three-girders reinforced branch pipe

用U形梁及腰梁加强的岔管。

2.1.9 月牙肋岔管 crescent-rib reinforced branch pipe

分岔处用插入管内的月牙形肋板加强的岔管。

2.1.10 球形岔管 spherical branch pipe

分岔处为球壳，主管和支管与球壳面交接处用补强环加强的岔管。

2.1.11 无梁岔管 shell type branch pipe

分岔处用多节锥管加强的岔管。

2.1.12 贴边岔管 hem reinforced branch pipe

分岔坡口边缘焊有补强板加强的岔管。

2.1.13 抗外压稳定临界压力 critical external compressive re-sistance of buckling

钢管承受外压时维持稳定的最高理论压力值。

2.1.14 加劲环 stiffener ring

管外侧设置的用于提高钢管抗外压稳定，或为加强钢管制作、安装时刚度的环状结构。

2.1.15 支承环 supporting ring

钢管与支座间起支承、加固作用的环状结构。

2.1.16 阻水环 cut-off collar

地下埋管、坝内埋管（或钢衬）始端起截水作用的环状结构。

2.1.17 止推环 thrust collar

钢管外壁设置的阻止钢管轴向移动的环状结构。

2.1.18 管壁等效翼缘宽度 equivalent flange width of pipe shell

参与加劲构件共同工作的两侧管壁的计算宽度。

2.1.19 软垫层 soft cushion

在钢管外壁与混凝土之间设置的低变形模量材料。

2.1.20 伸缩节 expansion joint

两段钢管之间用于适应温度变化和地基不均匀沉陷而设置的具有伸缩或角变位性能的联结部件。

2.1.21 止水填料 packing material

伸缩节和进人孔结构中设置的具有止水性能的充填物。

2.1.22 焊缝系数 welding seam coefficient

在计算中考虑管壁焊接质量、成型误差和热影响而采用的不大于1.0的允许应力折减系数。

2.1.23 钢管圆度偏差 penstock roundness tolerance

钢管同一截面处相互垂直的两直径最大差值。

2.1.24 壁厚裕量 additional thickness

计算厚度之外考虑钢管锈蚀、磨损等另行增加的管壁厚度。

2.1.25 水压试验 hydrostatic pressure test

按规定进行的充水加压试验，以检验设计、材料、制造、安装等方面质量，消除部分残余应力，钝化缺陷，保障钢管安全运行。

2.1.26 膜应力 membrane stress

沿钢管厚度均匀分布的拉（压）应力及管壁平面内的剪应力。

2.1.27 弯曲应力 bending stress

沿管壁厚度变化的正应力，其最大值发生在管壁的表面处。

2.1.28 整体膜应力 general membrane stress

在内水压力作用下，满足基本力的平衡条件而产生的、沿截面厚度均匀分布的应力，其影响范围遍及整个结构，不具有自限性。

2.1.29 局部膜应力 local membrane stress

在内水压力作用下，因管壳不同锥体连接处母线的不连续，造成整体结构不连续。满足变形协调关系而产生的、沿截面厚度均匀分布的应力，其影响范围仅限于结构局部区域。

2.1.30 局部膜应力＋弯曲应力 local membrane stress ＋ben-ding stress

沿管壁厚度上同时存在局部膜应力和弯曲应力，其最大值发生在管壁的表面处。

2.1.31 峰值应力 peak stress

局部结构管壳不连续或者加强构件约束产生的弯曲应力，或者温度产生的局部热应力统称为峰值应力，具有自限性。

3.1.3 管径应根据技术经济比较确定。可根据线路布置和内压变化情况分段定出几种管径。变径次数不宜过多。

3.1.4 管道布置应考虑控制管内压力流态，正常运行条件下，电站工程管道顶面应在最低压力线以下2m，输水工程管顶线宜布置在最低压力线以下2m。

3.1.5 电站工程明管、坝内埋管、钢衬钢筋混凝土管以及水轮机前不设进水阀的地下埋管、回填管，在管道首端应设置快速闸（阀）门和必要的检修设施。

3.1.6 管道进口闸（阀）门下游必须设置通气装置。充水阀出水水流不得封堵通气孔口。通气孔上端应设在启闭室之外，孔口高于设计最高运行水位，并应有防护设施。

3.1.7 电站工程管道进口闸阀处应设充水阀或旁通充水管，充水阀或充水管面积不宜大于通气孔面积的1/5，不应超过通气孔面积的1/3，并应满足管道充水时间要求。

3.1.8 电站工程管道转弯半径不宜小于2～3倍管径，输水工程管道转弯半径可适当减小。位置相近的平面转弯和立面转弯宜合并，位置相近的弯管和渐缩管宜合并成渐缩弯管。

3.1.9 渐变段长度不宜短于1倍管径。渐变段进口断面与钢管圆形断面的面积比应根据布置、结构、进水口流态、水头损失及启闭机规模等因素，综合比较后确定。

3.1.10 在管道低点宜设置排水阀等设施，其数量、直径应结合管道系统自排能力和管段放空时间计算确定。

3.1.11 抽水蓄能电站压力钢管应根据水流的双向性，确定管道布置，尤其是进出口、渐变段（渐缩段）、岔管和弯管的型式。

3.1.12 管道在穿越厂坝分缝或其他建筑物分缝及过断层处，应考虑不均匀变形等因素的影响，采取适当管道过缝或过断层技术措施，可设伸缩节或垫层管等。压力钢管穿过厂房上游墙处，宜设软垫层。

3.1.13 输水工程管道条数应根据供水对象的规模、重要性、供水保证率、受水区水源数量及调蓄能力等因素，经技术经济比较后确定。如采用双条管道或多条管道输水时，管道之间的连通管数量及断面应按相关要求确定。

3.1.14 输水工程管道与建筑物、铁路和其他管道的水平净距，应根据建筑物基础结构、路面种类、卫生安全条件、管道埋深、管径、施工条件、管内工作压力、管道上附属构筑物大小等确定，并符合GB50013的规定。

3.1.15 不具备明挖沟槽敷设条件的输水工程管道，可选择架空、顶管、沉管和水平定向钻等工艺施工，并应根据需要采取相应保护措施。

3.1.16 输水工程调流调压设施、检修阀、排水阀、通气阀（孔）等设施的设置、型式和数量应根据管道布置、运行管理和水力过渡过程分析成果要求确定。

3.1.17 地形等条件允许时，可优先在输水管线适当位置设调压井或调压塔，减小运行中可能产生的水锤压力。

3.1.18 结合地形条件和运行管理要求，在输水工程管道上每间隔5～10km 宜设置一个检修阀室（井）。穿越河（渠）道、铁路、高等级公路可根据相关要求设置检修阀。检修阀前或后宜设置通气设施和检修进人孔，两者宜结合布置。

3.1.19 输水工程管道高点或隆起点和长平缓段应设通气设施。平缓管段每间隔1km左右宜设通气设施。

3.1.20 在管径大于等于DN1000的输水工程管道平直段上必要位置宜设置检查孔，检查孔宜与通气设施结合布置。

3.2.1 明管线路宜避开滑坡、崩坍、泥石流等不良地质段。不能避开山洪、坠石等影响时，应采取其他管型（如洞内明管、地下埋管或外包混凝土的钢管）。遇有河沟，可用倒虹吸管或管桥等型式，并应考虑洪水和泥石流等对这些建筑物的影响。

3.2.2 在钢管可能发生意外事故危及电站设备和人员安全的部位，应设置事故排水和防冲设施。

3.2.3 明管底面应高出其下地表0.6m以上。

3.2.4 明管宜布置成分段式。分段式明管转弯处宜设置镇墩，其间钢管可用支墩支承，两镇墩间应设置伸缩节，伸缩节宜设在镇墩下游侧。波纹管伸缩节可设置在管段中部。

3.2.5 超过150m的直线管段，宜在其间加设镇墩。布置在软基上的管段，镇墩间距宜适当减小。

3.2.6 支墩间距应通过钢管应力分析，可按附录A计算，并考虑安装条件、支墩型式和地基条件等因素确定。在两相邻镇墩之间，支墩宜等间距布置。设有伸缩节的一跨，间距宜缩短。3.2.7 支座型式可按管径等因素选择鞍型滑动支座、平面滑动支座、滚动支座、摇摆支座等型式。在钢管两侧温差较大的区域，宜在支座上设置侧向限位措施。地基可能产生不均匀沉陷或管道通过活动断裂区域，应采取相应工程结构措施。

3.2.8 管道沿线应布置排水沟和交通道，并应在钢管下设置横向排水沟。

3.2.9 在高地震区和地震高发区，压力管道失事对其他建筑物可能产生严重危害时，不宜采用明管。

3.2.10 寒冷地区管道应根据运行要求设置必要的保温措施。

3.3.1 地下埋管线路应选择地形、地质条件相对优良的地段，宜避开成洞条件差、活动断层、滑坡体、地下水位高和涌水量大的地段。管道埋深宜适中，覆盖岩层厚度要求可按附录B.1.3 计算。

3.3.2 洞井型式（平洞、斜井、竖井）及坡度，应根据布置要求、工程地质条件和施工因素等选用。长度和高差过大的斜井和竖井，可布置中间平段。

3.3.3 宜结合施工支洞、排水廊道等，在合适的位置设置检修进人孔。

3.3.4 地下埋管宜减少主管条数。并列的主管宜同期建设，当有分期完工或单管充水要求时，应满足岩体在施工期和运行期的稳定及强度要求。

3.3.5 对于埋置较深的钢管应研究地下水位与管道的关系。外水压力较大时应布置排水防渗系统，其措施应安全可靠，宜能检修，并监测地下水位变化。

3.3.6 地下埋管的起始位置应根据内水压力和地质条件，并结合工程布置的具体情况确定。地下厂房前或地下埋管出洞前的钢管长度不宜小于钢管最大静水头的0.25倍。

3.4.1 压力钢管的平面位置宜位于坝段中央，管径不宜大于坝段宽度的1/3，不应大于坝段宽度的1/2。

3.4.2 管线在坝体铅垂面中的布置应进行方案比较，包括下列因素

1 钢管对坝体稳定和应力的影响。

2 工程量和水头损失的大小。

3 钢管安装、坝段混凝土的施工条件以及相互干扰。

3.5.1 布置在混凝土坝下游面的管道及引水式电站或输水工程沿地面布置的管道可采用钢衬钢筋混凝土管。沿地面布置的钢衬钢筋混凝土管宜视管道规模和地形条件进行土体回填。

3.5.2 混凝土坝下游面钢衬钢筋混凝土管的平面位置宜位于坝段的中央，对于拱坝宜沿径向布置。

3.5.3 钢衬钢筋混凝土管在下游坝面的位置，应经技术经济论证确定，可采用下列形式∶

1 斜直管段紧贴于下游坝面，管道外包混凝土的底面与下游坝面一致。

2 坝下游面预留管槽，管道可部分或全部布置于坝面以内。

3.6.1 回填管线路应选择地形、地质条件相对优良的地段，宜避开崩坍、滑坡等不稳定土层，以及活动断层、流砂、淤泥、人工填土、湿陷性黄土、永久性冻土、膨胀土、地下水位高和涌水量大的地段。必须敷设时，应采取保证管道施工及运行安全的工程措施。

3.6.2 钢管宜敷设在挖掘的沟槽中。钢管的埋置深度应根据地质、地基状况、外荷载、地下水位、地层冻结深度、地表植被、环境温度、交通、河流冲刷等因素确定。

3.6.3 回填管转弯处，应根据管线布置通过稳定计算确定是否设置镇墩。回填管沿线一般不设伸缩节，但对敷设在地震区或穿过活动断裂带的管道，沿线应设置必要数量的伸缩节，宜布置在伸缩节井内。

3.6.4 寒冷地区回填管管顶宜布置在冻土深度以下，管顶埋置深度小于冻土深度的管道应采取保温措施。

3.6.5 多条回填管平行安设在同一沟槽中时，相临两条管道之间的净距除应满足公式（3.6.5-1）的要求外，还应满足施工要求，不宜小于500mm。

1总则……………………………………………………………1

2术语与符号……………………………………………………3

2.1术语…………………………………………………………3

2.2符号…………………………………………………………5

3布置……………………………………………………………7

3.1一般规定……………………………………………………7

3.2明管…………………………………………………………9

3.3地下埋管…………………………………………………10

3.4坝内埋管…………………………………………………10

3.5钢衬钢筋混凝土管…………………………………………11

3.6回填管……………………………………………………11

4材料……………………………………………………………13

4.1钢材………………………………………………………13

4.2止水、软垫层、钢筋和混凝土材料…………………………18

5水力计算………………………………………………………19

5.1一般规定…………………………………………………19

5.2水电站压力管道……………………………………………19

5.3泵站工程及输水工程压力管道………………………………20

6结构分析………………………………………………………22

6.1一般规定…………………………………………………22

6.2明管………………………………………………………25

6.3地下埋管…………………………………………………27

6.4坝内埋管…………………………………………………28

6.5钢衬钢筋混凝土管…………………………………………30

6.6回填管……………………………………………………31

7岔管……………………………………………………………34

7.1布置………………………………………………………34

7.2荷载和允许应力……………………………………………35

7.3结构设计…………………………………………………37

8构造要求………………………………………………………44

8.1一般规定…………………………………………………44

8.2明管………………………………………………………45

8.3地下埋管…………………………………………………46

8.4坝内埋管…………………………………………………48

8.5钢衬钢筋混凝土管…………………………………………48

8.6回填管……………………………………………………49

9管道防腐………………………………………………………52

9.1一般规定…………………………………………………52

9.2防腐涂装…………………………………………………52

10水压试验……………………………………………………57

11安全监测……………………………………………………59

附录A明管结构分析方法……………………………………61

A.1荷载计算及结构分析………………………………………61

A.2支承环内力分析……………………………………………71

A.3管壁抗外压稳定分析………………………………………79

A.4加劲环抗外压强度及稳定分析……………………………80

A.5摩擦系数…………………………………………………81

A.6通气孔面积………………………………………………81

附录B地下埋管结构分析方法………………………………83

B.1钢管承受内压应力分析……………………………………83

B.2抗外压稳定分析……………………………………………87

附录C坝内埋管结构分析方法………………………………90

C.1钢管、钢筋与混凝土联合承受内压的应力分析………………90

C.2抗外压稳定分析和通气孔面积计算…………………………99

附录D钢衬钢筋混凝土管结构分析方法……………………101

附录E回填管结构分析方法…………………………………102

E.1荷载计算及应力分析……………………………………102

E.2管壁抗外压稳定分析……………………………………106

E.3管道抗浮分析……………………………………………107

E.4管壁刚度分析……………………………………………108

E.5管侧土的综合变形模量……………………………………108

E.6回填管镇墩稳定分析……………………………………110

附录F岔管结构分析方法……………………………………116

F.1内加强月牙肋岔管近似计算方法…………………………116

F.2三梁岔管加强梁近似计算方法……………………………127

F.3球形岔管近似计算方法……………………………………142

F.4贴边岔管近似计算方法……………………………………152

F.5无梁岔管近似计算方法……………………………………156

标准用词说明……………………………………………………163

标准历次版本编写者信息………………………………………164

条文说明…………………………………………………………165

投稿会员：古德

土木圣经9.9