第八章水電站壓力管道提綱

1、第八章 水電站壓力管道第一節(jié) 壓力管道的功用和類型壓力管道是指從水庫(kù)、前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的管道。特點(diǎn)是坡度陡，內(nèi)水壓力大，承受水錘的動(dòng)水壓力，而且靠近廠房。因此它必須是安全可靠的。壓力管道按材料可分為： 一、鋼管 鋼管具有強(qiáng)度高、防滲性能好等許多優(yōu)點(diǎn)，常用于大中型水電站。 鋼管布置在地面以上者稱明鋼管，布置于壩體混凝土中者稱壩內(nèi)鋼管，埋設(shè)于巖體中者則成地下埋管。 二、鋼筋混凝土管 具有造價(jià)低、可節(jié)約鋼材、能承受較大外壓和經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，通常用于內(nèi)壓不高的中小型水電站。尚有預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥和預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管等。普通鋼筋混凝土管用在水頭H和內(nèi)徑D的乘積HD50m2

2、的情況下；預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管的HD值可超過(guò)200，預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管HD值可超過(guò)300。 三、鋼襯鋼筋混凝土管 鋼襯鋼筋混凝土管是在鋼筋混凝土管內(nèi)襯以鋼板構(gòu)成。在內(nèi)水壓力作用下鋼襯與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可減小鋼襯的厚度，適用于大HD值管道情況。由于鋼襯可以防滲，外包鋼筋混凝土可按允許開(kāi)裂設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮鋼筋的作用。第二節(jié) 壓力管道的布置和供水方式一、壓力管道的布置 壓力管道基本原則： （1）盡可能選擇短而直的路線。（2）盡量選擇良好的地質(zhì)條件。（3）盡量減少管道的起伏波折，避免出現(xiàn)反坡，以利管道排空；管道任何部位的頂部應(yīng)在最低壓力線以下，并有2m的裕度。 （4）避開(kāi)可能發(fā)生山崩

3、或滑坡地區(qū)。 （5）明鋼管的首部應(yīng)設(shè)事故閘門，考慮設(shè)置事故排水防沖設(shè)施以。 二、壓力管道的供水方式 水電站的機(jī)組往往不止一臺(tái)，壓力管道可能有一根或數(shù)根，壓力管道向機(jī)組的供水方式可歸納為三類。 （一）單元供水 每臺(tái)機(jī)組由一根專用水管供水，如圖8-1（a）、(b)所示。圖8-1 壓力管道供水方式示意圖 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，一般只在進(jìn)口設(shè)事故閘門，管道檢修或發(fā)生事故時(shí)，只影響一臺(tái)機(jī)組工作，需要鋼材較多。適用于：1、 機(jī)組流量較大。若幾臺(tái)機(jī)共用一根水管，則管徑較大，管壁較厚，制造和安裝困難；2、壓力管道較短。壩內(nèi)鋼管一般較短，通常都采用單元供水。 （二）集中供水 全部機(jī)組集中由一根管道供水。管身

4、材料較省，但需設(shè)置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分岔管，并在每臺(tái)機(jī)組之前設(shè)置事故閥門。適用于單機(jī)流量不大，管道較長(zhǎng)的情況下。 （三）分組供水 采用數(shù)根管道，每根管道向幾臺(tái)機(jī)組供水，如圖8-1（e）、(f)所示。這種供水的特點(diǎn)介于單元供水和集中供水之間，適用于壓力管道較長(zhǎng)、機(jī)組臺(tái)數(shù)較多和容量較大的情況。 壓力管道可以從正面進(jìn)入廠房，也可以從側(cè)面進(jìn)人廠房。正面進(jìn)房：適用于水頭不高、管道不長(zhǎng)或地下埋管情況。側(cè)面進(jìn)房：對(duì)于明鋼管，若水頭較高，在這種情況下，萬(wàn)一管道爆破，可使高速水流從廠外排走，以防危及廠房和運(yùn)行人員的安全。管道進(jìn)入廠房的方式常決定于管道及廠房布置的需要。第三節(jié) 壓力管道的水力計(jì)算和經(jīng)濟(jì)直徑的確定一、水力計(jì)

5、算 壓力管道的水力計(jì)算:恒定流計(jì)算和非恒定流計(jì)算。 （一）恒定流計(jì)算 恒定流計(jì)算主要是為了確定管道的水頭損失。管道的水頭損失對(duì)于水電站裝機(jī)容量的選擇、電能的計(jì)算、經(jīng)濟(jì)管徑的確定以及調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計(jì)算等都是不可缺少的。水頭損失包括摩阻損失和局部損失兩種。 1、摩阻損失 管道中的摩阻水頭損失可用曼寧公式或斯柯別公式計(jì)算。 曼寧公式適用于：鋼筋混凝土管、隧洞、使用時(shí)間較長(zhǎng)的鋼管。斯柯別根據(jù)198段水管的1178個(gè)實(shí)測(cè)資料，推薦用以下公式計(jì)算每米長(zhǎng)鋼管的摩阻損失： (8-1)式中： -水頭損失系數(shù)，焊接管用0.00083。 為考慮水頭損失隨使用年數(shù)t的增加而增大的系數(shù)，清水取K0.01，腐蝕性水可取K

6、0.015。 2、局部損失 局部損失：發(fā)生在進(jìn)口、門槽、漸變段、彎段、分岔等處。局部損失的計(jì)算： （8-2）系數(shù)可查有關(guān)手冊(cè)。 （二）非恒定流計(jì)算 管道中的非恒定流現(xiàn)象為水錘。非恒定流計(jì)算目的：是為了推求管道各點(diǎn)的動(dòng)水壓強(qiáng)及其變化過(guò)程，為管道的布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)組的運(yùn)行提供依據(jù)。 二、管徑的確定 壓力管道的直徑應(yīng)通過(guò)動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定。基本原理：同渠道和隧洞經(jīng)濟(jì)斷面的方法。在可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段，可用彭德舒公式來(lái)初步確定大中型壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)直徑： （8-3）式中Qmax-鋼管的最大設(shè)計(jì)流量，； H-設(shè)計(jì)水頭，m。還有其他學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究提出一些計(jì)算公式，如：，為水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量。 在設(shè)計(jì)時(shí)可供

7、參考。壓力管道的經(jīng)濟(jì)流速:46m/s。第四節(jié) 鋼管的材料、容許應(yīng)力和管身構(gòu)造一、鋼管的材料 鋼管的受力構(gòu)件采用：經(jīng)過(guò)鎮(zhèn)靜熔煉的熱扎平爐低碳鋼或低合金鋼制造，如A3、16Mn，和經(jīng)過(guò)正火的15MnV和15MnTi。近年來(lái)，我國(guó)一些大型水電站已開(kāi)始采用屈服點(diǎn)為6080的高強(qiáng)度鋼材制造鋼管。 （一）機(jī)械性能 機(jī)械性能一般指鋼材的屈服點(diǎn),極限強(qiáng)度、斷裂時(shí)的延伸率和沖擊韌性。 普通低碳鋼的極限強(qiáng)度超過(guò)值5595。若較低，由于變形等因素的限制，容許應(yīng)力不能采用得過(guò)高，材料的充分利用受到限制；若較高，則材料的塑性降低，因此與不的最優(yōu)比值（最優(yōu)屈強(qiáng)比）在0.50.7范圍內(nèi)。 延伸率是試件實(shí)際破壞時(shí)的相對(duì)變形值

8、，代表材料的塑性性能。普通碳素鋼的約為2024。 鋼材的脆性破壞和時(shí)效硬化趨向及材料抗重復(fù)荷載和動(dòng)荷載的性能用沖擊韌性表示。沖擊韌性通過(guò)試驗(yàn)確定，其值應(yīng)不小于表8-1的數(shù)值。 表8-1鋼材的沖擊韌性值（kgm/cm2）(橫試件)室溫0應(yīng)變時(shí)效后633沖擊韌性隨溫度的下降而下降。沖擊韌性開(kāi)始劇烈下降時(shí)的臨界溫度稱冷脆點(diǎn)。選擇鋼材時(shí)應(yīng)注意使結(jié)構(gòu)物的正常運(yùn)行溫度不低于其冷脆點(diǎn)。 （二）加工性能 鋼材的加工性能主要指輥扎、冷彎、焊接等方面的性能，應(yīng)通過(guò)樣品試驗(yàn)確定。 鋼管在制造過(guò)程中，當(dāng)管壁超過(guò)一定厚度時(shí)需進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力處理。 （三）化學(xué)成分 鋼材的化學(xué)成分影響鋼材的強(qiáng)度、延伸率和焊接性能。當(dāng)碳素鋼的

9、含碳量超過(guò)0.22時(shí)，硬度急劇上升，上升，塑性和沖擊韌性降低，可焊性惡化。硅的存在有同樣影響，含量應(yīng)限制在0.2以內(nèi)。鎳和錳能夠提高鋼材的機(jī)械性能。 硫降低鋼材的強(qiáng)度，使鋼材熱脆，含硫量高的鋼材不宜進(jìn)行熱處理。磷使鋼材冷脆，含磷量高的鋼材不宜用于制作在低溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)。溶解于鋼材中的氮和氧也使鋼材變脆。對(duì)以上各種雜質(zhì)都應(yīng)加以限制。 二、容許應(yīng)力 不同的荷載組合及不同的內(nèi)力、應(yīng)力特性應(yīng)采用不同的容許應(yīng)力。壓力鋼管的容許應(yīng)力按下表采用。 參閱水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(SD144-85)。 三、管身構(gòu)造 壓力鋼管：無(wú)縫鋼管、焊接管和箍管。 焊接管：用鋼板按要求的曲率輥卷焊接而成。在焊接橫縫時(shí)，應(yīng)使各

10、管節(jié)的縱縫錯(cuò)開(kāi)。對(duì)于明管，縱縫不應(yīng)布置在橫斷面的水平軸線和垂直軸線上，與軸線的夾角應(yīng)大于10，相應(yīng)的弧線距離應(yīng)大于300mm。圖8-2 縱縫和橫縫示意圖管壁厚度一般經(jīng)結(jié)構(gòu)分析確定。構(gòu)造厚度： （8-4），式中D-鋼管直徑，mm，也不宜小于6mm。 為了消除輥卷和焊接引起的殘余應(yīng)力， 符合下列條件之一者應(yīng)在卷板和焊接后作消除殘余應(yīng)力處理： （1）結(jié)構(gòu)厚度超過(guò)下列數(shù)值： A3-42mm；16Mn-38mm；15MnV和15MnTi-36mm。 （2）冷加工成型的管壁厚符合下列情況： A3和16Mn：D33；15MnV和15MnTi：D408。 （3）岔管等形狀特殊的構(gòu)件 鋼管安裝完畢后的橢圓度（相

11、互垂直的兩管徑的最大差值與標(biāo)準(zhǔn)管徑之比）不得超過(guò)0.5。箍管：有冷箍和熱箍?jī)煞N，用于水壓很高的情況，要求鋼箍與鋼管緊密結(jié)合。熱箍：箍環(huán)直徑略小于鋼管直徑，加熱后套上。冷箍：箍徑比鋼管半徑略大，箍環(huán)套上鋼管后用2.5倍水頭使鋼管產(chǎn)生永久塑性變形并和鋼箍貼緊，目前，冷箍用到1000m以上水頭。第五節(jié) 明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備 一、鋼管的敷設(shè)方式 連續(xù)式：明鋼管一般敷設(shè)在一系列的支墩上，不設(shè)伸縮節(jié)。底支墩上的管道相當(dāng)于一個(gè)多跨連續(xù)梁。在管道的轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩相當(dāng)于梁的固定端。 分段式：在兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)伸縮節(jié)，管身在軸向可以自由伸縮。伸縮節(jié)一般布置在管段的上端，靠近上鎮(zhèn)墩處。若直管段的長(zhǎng)度超過(guò)

12、150m，可在其間加設(shè)鎮(zhèn)墩。圖8-3 明鋼管的敷設(shè)方式 二、明鋼管的支墩和鎮(zhèn)墩 （一）支墩 支墩的作用：承受水重和管道自重在法向的分力，相當(dāng)于梁的滾動(dòng)支承，允許管道在軸向自由移動(dòng)。支墩的間距應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和經(jīng)濟(jì)比較確定，一般在612m之間。 按管身與墩座間相對(duì)位移的特征，可將支墩分成滑動(dòng)式、滾動(dòng)式和擺動(dòng)式三種。 1.滑動(dòng)式支墩 滑動(dòng)式支墩的特征是管道伸縮時(shí)沿支墩頂部滑動(dòng)?？煞譃榘笆胶椭С协h(huán)式兩種： 鞍式支墩：適用于直徑在1OOcm以下的管道。 支承環(huán)式：適用于直徑200cm以下的管道。圖8-4 滑動(dòng)式支墩 2.滾動(dòng)式支墩 滾動(dòng)式支墩：摩擦系數(shù)降為0.1左右，適用于直徑200cm以上的管道。圖8

13、-5 滾動(dòng)式支墩 3.擺動(dòng)式支墩 擺動(dòng)式支墩：在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動(dòng)短柱。適用于大直徑管道。圖8-6 擺動(dòng)式支墩 （二）鎮(zhèn)墩 鎮(zhèn)墩一般布置在管道的轉(zhuǎn)彎處，以承受因管道改變方向而產(chǎn)生的不平衡力，將管道固定在山坡上，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移。在管道的直線段，若長(zhǎng)度超過(guò)150m,在直線段的中間也應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩，此時(shí)伸縮節(jié)可布置在中間鎮(zhèn)墩兩側(cè)的等距離處，以減小鎮(zhèn)墩所受的不平衡力。 1.鎮(zhèn)墩的型式 分為封閉式和開(kāi)敞式兩種。圖8-7 封閉式支墩 圖8-8 開(kāi)敞式支墩 2.鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì) 鎮(zhèn)墩是管道的固定端，其體積常取決于穩(wěn)定需要。 管道作用于鎮(zhèn)墩上的軸向力見(jiàn)下表。鎮(zhèn)墩除承受表中所列的軸向力外，還承受部分

14、管重和水重產(chǎn)生的垂直管軸方向的法向力。管重產(chǎn)生的法向力Qp可近似地表達(dá)為 （8-5）式中 ,-鎮(zhèn)墩上、下游管段單位管長(zhǎng)的管重； 、鎮(zhèn)墩上、下游管段的傾角； ,-鎮(zhèn)墩與上、下游相鄰支墩間管道長(zhǎng)度之半。 水重產(chǎn)生的法向力Qw可近似地表達(dá)為： （8-6）式中, 為鎮(zhèn)墩上、下游管段單位管長(zhǎng)的水重。 設(shè)計(jì)工況：應(yīng)根據(jù)管道的滿水、放空、溫升、溫降等情況。圖8-9 滿水溫升時(shí)管道軸向力 在上述各力作用下，鎮(zhèn)墩依靠本身重量維持穩(wěn)定。鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)包括抗滑穩(wěn)定、地基應(yīng)力校核及鎮(zhèn)墩的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 抗滑穩(wěn)定：抗滑安全系數(shù)： (8-7)，由此反算鎮(zhèn)墩的必須重量 （8-8）。 地基應(yīng)力：對(duì)初擬的輪廓尺寸進(jìn)行地基應(yīng)力校核，

15、以保證總的合力作用點(diǎn)在鎮(zhèn)墩底寬的三分點(diǎn)之內(nèi)，避免鎮(zhèn)墩底面出現(xiàn)拉應(yīng)力；軟基上鎮(zhèn)墩的地基反力應(yīng)力求均勻，以減小不均勻沉陷，其值不應(yīng)超過(guò)地基的容許承載力。 在巖基上，可將底面做成傾斜的臺(tái)階形。 封閉式混凝土鎮(zhèn)墩的表層應(yīng)配置溫度鋼筋，以防混凝土開(kāi)裂而喪失錨固作用；對(duì)于管道彎曲段向上凸起處的鎮(zhèn)墩，可設(shè)置錨筋以固定管道。 三、明鋼管上的閘、閥門和附件 （一）閘門及閥門 壓力管道的進(jìn)口處常設(shè)置平面鋼閘門可用到80m水頭或更高。 在壓力管道末端：不設(shè)閥門：?jiǎn)卧┧?，水頭不高，或單機(jī)容量不大，而管道進(jìn)口處又有閘門者，如壩內(nèi)埋管。設(shè)閥門：中供水或分組供水，或雖系單元供水而水頭較高和機(jī)組容量較大。如大多數(shù)地下埋管。

16、 水電站壓力管道上的閥門，最常用的是蝴蝶閥和球閥。1.蝴蝶閥 蝴蝶閥的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)㈤]力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價(jià)較低；缺點(diǎn)：在開(kāi)啟狀態(tài)，由于閥體對(duì)水流的擾動(dòng)，水頭損失較大；在關(guān)閉狀態(tài)，止水不夠嚴(yán)密。適用于：直徑較大和水頭不很高的情況。圖8-10 蝴蝶閥 蝴蝶閥有橫軸和豎軸兩種。 蝴蝶閥最大直徑用到800cm以上，最大水頭用到200m。蝴蝶閥可在動(dòng)水中關(guān)閉，因止水不夠嚴(yán)密，不適用于高水頭情況。 2.球閥 球閥的優(yōu)點(diǎn)：在開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)實(shí)際上沒(méi)有水頭損失，止水嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；球閥的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尺寸和重量較大，造價(jià)高。球閥適于用作高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。圖8-11球閥 （二）附件

17、明鋼管上的附件有伸縮節(jié)、通氣閥、人孔和排水管等。 1.伸縮節(jié) 單套筒伸縮節(jié)：這種伸縮節(jié)只允許管道在軸向伸縮；雙套筒伸縮節(jié)：除可作軸向伸縮外，還允許有微小的角位移。圖8-12 伸縮節(jié) （單位：mm）1-橡皮填料；2-大麻或石棉填料；3-拉緊螺栓 2.通氣閥 通氣閥常布置在閥門之后，其功用與通氣孔相似。當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時(shí)，管道中的負(fù)壓使通氣孔打開(kāi)進(jìn)氣；管道充水時(shí)，管道中的空氣從通氣閥排出，然后利用水壓將通氣閥關(guān)閉。在可能產(chǎn)生負(fù)壓的供水管路上，有時(shí)也需設(shè)通氣閥。 3.人孔 人孔是工作人員進(jìn)人管內(nèi)進(jìn)行觀察和檢修的通道。明鋼管的人孔宜設(shè)在鎮(zhèn)墩附近，以便固定鋼絲繩、吊籃和布置卷?yè)P(yáng)機(jī)等。人孔在管道橫斷面上的位

18、置以便于進(jìn)人為原則，其形狀一般做成450-500mm直徑的圓孔。人孔間距視具體情況而定，一般可取150m。圖8-13 人孔 4.排水及觀測(cè)設(shè)備 管道的最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)排水管，以便在檢修管道時(shí)排除其中積水和閘（閥）門漏水。 大中型壓力管道應(yīng)有進(jìn)行應(yīng)力、沉陷和振動(dòng)（明管）、外水壓和管外間隙（埋管）、腐蝕與磨損等原型觀測(cè)的設(shè)備。第六節(jié) 明鋼管的管身應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、明鋼管的荷載 明鋼管的設(shè)計(jì)荷載應(yīng)根據(jù)運(yùn)行條件，通過(guò)具體分析確定，一般有以下幾種： (1)內(nèi)水壓力。包括各種靜水壓力和動(dòng)水壓力，水重，水壓試驗(yàn)和充、放水時(shí)的水壓力。 (2)鋼管自重。 (3)溫度變化引起的力。 (4)鎮(zhèn)墩和支墩不均勻沉陷引起

19、的力。 (5)風(fēng)荷載和雪荷載。 (6)施工荷載。 (7)地震荷載。 (8)管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的負(fù)壓。 鋼管設(shè)計(jì)的計(jì)算工況和荷載組合應(yīng)根據(jù)工程的具體情況參照鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范采用。 二、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 明鋼管的設(shè)計(jì)包括鎮(zhèn)墩、支墩和管身（直管段和彎管、岔管等異形管）等部分。 支承在一系列支墩上的直管段在法向力的作用下類似一根連續(xù)梁。根據(jù)受力特點(diǎn)，管身的應(yīng)力分析可取的三個(gè)基本斷面：跨中斷面1-1；支承環(huán)附近斷面2-2和支承環(huán)斷面3-3。以下介紹明鋼管計(jì)算的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。圖8-14 管身計(jì)算斷面 （一）跨中斷面（斷面1-1） 管壁應(yīng)力采用的坐標(biāo)系以x表示管道軸向，r表示管道徑向，表示管道切向，這

20、三個(gè)方向的正應(yīng)力以、表之，并以拉應(yīng)力為正。剪應(yīng)力下標(biāo)的第一個(gè)符號(hào)表此剪應(yīng)力所在的面（垂直x軸者稱x面，余同），第二個(gè)符號(hào)表示剪應(yīng)力的方向，如表示在垂直x軸的面上沿向作用的剪應(yīng)力。 1.切向（環(huán)向）應(yīng)力 管壁的切向應(yīng)力主要由內(nèi)水壓力引起。對(duì)于水平管段，管道橫截面上的水壓力可看作由均勻水壓力和滿水壓力組成。這兩部分的水壓力在管壁中引起的切向應(yīng)力為： （8-9） 式中、-管道內(nèi)徑和管壁計(jì)算厚度，cm； -水的容重，0.001； H-管頂以上的計(jì)算水頭，； -管壁的計(jì)算點(diǎn)與垂直中線構(gòu)成的圓心角。若令管道中心的計(jì)算水頭為Hp，則Hp=H+D/2，式（8-9）成： （8-10） 對(duì)于傾斜的管道，若管軸與水

21、平線的傾角為 ，則寫成： （8-11） 對(duì)于水電站的壓力管道，上式等號(hào)右端的第二項(xiàng)是次要的，只有當(dāng)時(shí)才有計(jì)入的必要。 上式中未計(jì)入管壁自重引起的切向應(yīng)力，此應(yīng)力一般較小，內(nèi)水壓力引起的切向應(yīng)力是管壁的主要應(yīng)力，因此可利用上式來(lái)初步確定管壁的厚度。若鋼材的容許應(yīng)力為，焊縫系數(shù)為（一般取0.90-0.95），以代替，則可初步確定管壁的計(jì)算厚度。由于未計(jì)入一些次要應(yīng)力，用以確定管壁厚度時(shí)容許應(yīng)力應(yīng)降低15%。 考慮到鋼板厚度的誤差及運(yùn)行中的銹蝕和磨損，實(shí)際采用的管壁厚度（結(jié)構(gòu)厚度）應(yīng)在計(jì)算厚度的基礎(chǔ)上再加2mm的裕量。 2.徑向應(yīng)力 管壁內(nèi)表面的徑向應(yīng)力等于該出的內(nèi)水壓強(qiáng)，即 （8-12） “-”表

22、示壓應(yīng)力，“+”表示拉應(yīng)力。管壁外表面=0。較小。 3.軸向應(yīng)力 跨中斷面的軸向應(yīng)力由兩部分組成，即由水重和管重引起的軸向彎曲應(yīng)力及各軸向力引起的應(yīng)力。 對(duì)于支承在一系列支墩上的管道，其跨中彎矩M可按多跨連續(xù)梁求出。軸向彎曲應(yīng)力 式中 ，在管頂和管底，=0和180，y=D/2,最大： （8-13） 管道各軸向力其合力為，由此引起的軸向力為 （8-14） 跨中斷面剪應(yīng)力為零。到此求出了全部應(yīng)力分量。 （二）支承環(huán)附近斷面（斷面2-2） 斷面2-2在支承環(huán)附近，但在支承環(huán)的影響范圍之外，故仍為膜應(yīng)力區(qū)。以后我們將會(huì)知道，支承環(huán)的影響范圍是不大的。 斷面2-2的應(yīng)力分量、的計(jì)算公式與斷面1-1相同。

23、除此之外，斷面2-2尚有管重和水重在管道橫截面上引起的剪應(yīng)力。管重和水重在支承環(huán)處引起的剪力可將管道視作連續(xù)梁求出，近似可取Q=（qLcos）/2，q為每米的管重和水重，L為支承環(huán)中心距，為管道傾角。在垂直x軸的截面上，此剪力Q在管壁中引起的向剪應(yīng)力 （8-15）式中 -某斷面以上的管壁面積對(duì)中和軸的靜矩,； J-管壁的截面慣性矩， r-管道半徑； b-受剪截面寬度，b=2 - 管頂至計(jì)算點(diǎn)的圓心角，當(dāng)=0和180時(shí)，在管頂和管底，=0；當(dāng)=90和270時(shí)，剪應(yīng)力最大，。也因支承環(huán)的影響而改變。 （三）支承環(huán)斷面（斷面3-3） 1.軸向應(yīng)力 支承環(huán)處的管壁由于支承環(huán)的約束，在內(nèi)水壓力的作用下發(fā)

24、生局部彎曲。因此，與斷面2-2相比，增加了局部彎曲應(yīng)力,切向應(yīng)力。 支承環(huán)在管壁中引起的局部彎曲應(yīng)力隨離開(kāi)支承環(huán)的距離而很快衰減，因此影響范圍是不大的（超過(guò)這個(gè)范圍可忽略不計(jì)），其等效寬度 （8-16）式中 、-管道半徑和管壁的厚度； -泊松比，鋼材可取。圖8-17 管壁局部彎曲示意圖 從圖中可以看出，支承環(huán)除直接承受一小部分內(nèi)水壓力外，主要是承受管壁傳來(lái)的剪應(yīng)力。在這些力的作用下，支承環(huán)的徑向位移： （8-17）式中為支承環(huán)的凈截面（包括銜接段長(zhǎng)a的管壁面積）。管壁在內(nèi)水壓力Hp的作用下，若無(wú)支承環(huán)的約束，則徑向位移： （8-18） 加勁環(huán)處的管壁在剪力 和彎矩 的共同作用下，只能產(chǎn)生徑向位

25、移而不能轉(zhuǎn)動(dòng)（無(wú)角位移），可以證明，要滿足這樣的條件，必須： （8-19） 在上述和的共同作用下，該處管壁徑向縮?。?（8-20） 若不計(jì)支承環(huán)高度的變化，根據(jù)相容條件，并利用式（8-17）至式（8-20）得： （8-21） （8-22） (8-23)和為沿圓周向單位長(zhǎng)度管壁的剪力和彎矩。在管壁引起的局部應(yīng)力（令） （8-24） 由于，故 （8-25） 的數(shù)值取決于支承環(huán)的截面積。當(dāng)很大時(shí)，接近于1，則局部彎曲應(yīng)力為切向應(yīng)力的1.82倍；若無(wú)支承環(huán)，,。 支承環(huán)處管壁的軸向應(yīng)力。的影響范圍為，離開(kāi)支承環(huán)以外的管壁可忽略。 2.剪應(yīng)力 支承環(huán)的約束在管壁中引起的剪應(yīng)力 （8-26）式中得自式（8

26、-21）。y為沿管壁厚度方向的計(jì)算點(diǎn)到管壁截面形心的距離。管壁的內(nèi)外緣，；管壁中點(diǎn)，y=0,剪應(yīng)力最大： （8-27） 由管重和水重在管壁中引起的剪應(yīng)力用式（8-15）計(jì)算。 3.切向應(yīng)力在斷面3-3，作用在支承環(huán)上的主要何在有： （1）由管重和水重引起的向下剪力。其沿支承環(huán)四周的分布規(guī)律由式（8-15）確定，因支承環(huán)兩側(cè)均承受剪力，故式（8-15）的結(jié)果應(yīng)乘以。 （2）在內(nèi)水壓力作用下，關(guān)閉對(duì)支承環(huán)的剪力，其值為，由式（8-21）求出。 （3）支承環(huán)直接承受的內(nèi)水壓力。 （4）支承環(huán)自重。 由（2）、（3）兩項(xiàng)荷載在支承環(huán)中引起的切向應(yīng)力 （8-28） 支承環(huán)自重引起的應(yīng)力一般較小。下面研究

27、第一項(xiàng)荷載引起的應(yīng)力。圖8-18 第一項(xiàng)荷載作用下的計(jì)算簡(jiǎn)圖 第一項(xiàng)荷載作用下的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8-18所示。圖中Q為半跨管重和水重在管軸法向的分力（水平管段即為半跨管重和水重）。反力R=Q。對(duì)于這種在對(duì)稱荷載作用下的圓環(huán)，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的“彈心法”求解較為簡(jiǎn)便。支承環(huán)中的力除與外荷載的大小和支承環(huán)本身的幾何尺寸有關(guān)外，還與比值有關(guān)，其中b為支承環(huán)斷面形心的水平距離，為支承環(huán)斷面形心的曲率半徑。為了充分利用材料，b與的最合理比值是使支承環(huán)上不同斷面的兩個(gè)最大彎矩相等。研究證明，滿足這一條件的比值是，其相應(yīng)的彎矩、軸力、剪力示于圖8-19中。任意斷面的計(jì)算公式見(jiàn)鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范或水工手冊(cè)。圖8-19 彎矩、

28、軸力和剪力示意圖 支承環(huán)各斷面上的應(yīng)力： （8-29）式中、分別為支承環(huán)的截面模量、斷面積、斷面慣性矩、某計(jì)算點(diǎn)以上的面積矩。計(jì)算以上各值時(shí)，應(yīng)包括管壁的有效長(zhǎng)度在內(nèi)。支承環(huán)的切向應(yīng)力為。支承環(huán)附近管壁的切向應(yīng)力等于支承環(huán)內(nèi)緣的切向應(yīng)力。 三個(gè)斷面的應(yīng)力計(jì)算公式匯總于表8-4中。表 8-4 各計(jì)算斷面的應(yīng)力公式總表 鋼管的工作除與三維應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度校核的方法是求出計(jì)算應(yīng)力并與容許應(yīng)力作比較，而不是直接采用某一方向的應(yīng)力與容許應(yīng)力作比較。鋼管的強(qiáng)度校核目前多采用第四強(qiáng)度理論： （8-30）式中為焊縫系數(shù)，取0.90-0.95。由于一般較小，故上式可簡(jiǎn)化為： （8-31） 以上討論的是鋼管在正常運(yùn)

29、行是充滿水的情況。在鋼管沖水和防空過(guò)程中，鋼管可能處于部分沖水狀態(tài)，此時(shí)管壁可能產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。在管徑較大、管壁較薄和傾角較小的明鋼管需校核這種情況。 （四）外壓穩(wěn)定校核 鋼管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，能承受較大的內(nèi)水壓力，但抵抗外壓的能力較低。在按強(qiáng)度和構(gòu)造初步確立管壁厚度之后，尚需進(jìn)行外壓穩(wěn)定校核。鋼管的外荷載有：明管：通氣設(shè)備引起的負(fù)壓；埋藏式鋼管：外水壓力，澆筑混凝土的壓力，灌漿壓力等。圖8-20 管壁屈曲示意圖 （1） 對(duì)于沿軸向可以自由伸縮的無(wú)加勁環(huán)的明鋼管，管壁的臨界外壓 （8-32） 對(duì)于平面形變問(wèn)題，上式中的E應(yīng)以代換。明鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)取2.0。如不能滿足抗外壓穩(wěn)定要求，設(shè)

30、置加勁環(huán)一般比增加管壁厚度經(jīng)濟(jì)。對(duì)于鋼材，E=207Gpa，Pcr=1bar，K=2.0，代入上式可以得到：，即管道在設(shè)計(jì)時(shí)滿足此式即滿足抗外壓穩(wěn)定要求。 （2）對(duì)設(shè)有加勁環(huán)的管壁，臨界外壓 （8-33）式中l(wèi)加勁環(huán)的間距 n屈曲波數(shù)。需假定不同的n，用試算法求出最小的。對(duì)應(yīng)于最小之n值可按下式估算： （8-34）其中D為管徑。按式(8-34)求n，取相近的整數(shù)后代人式（8-33）求最小之。 以上二式適用于情況。當(dāng)時(shí)，管壁將因壓應(yīng)力過(guò)大而喪失承載能力，已不是上面所討論的彈性穩(wěn)定問(wèn)題了。 決定管壁厚度的步驟是：1、 根據(jù)強(qiáng)度，用鍋爐公式計(jì)算確定管壁的計(jì)算厚度；2、 ，并與規(guī)范規(guī)定的最小結(jié)構(gòu)厚度相

31、比較，取其大者；3、 進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)力校核，（用，但計(jì)算荷載如自重時(shí)用）。4、 進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定校核，如不滿足要求，用設(shè)置加勁環(huán)的辦法提高其抗外壓能力一般較為經(jīng)濟(jì)（不用增加的方法，因增加抗外壓能力增加不多，而浪費(fèi)鋼材較多）。 加勁環(huán)的間距根據(jù)管壁抗外壓穩(wěn)定的要求確定。圖8-21列有加勁環(huán)三種不同的斷面形式。圖8-21 加勁環(huán)的三種界面形式 加勁環(huán)自身穩(wěn)定的臨界外壓在以下二式中取其小者 （8-35） （8-36） 加勁環(huán)與支承環(huán)的不同之處是無(wú)管重和水重引起的剪力和支座反力，其主要的環(huán)向應(yīng)力可用式(8-28)求解。第七節(jié) 分岔管一、分岔管壓力管道的分岔方式：Y形和y形。Y形：優(yōu)點(diǎn)是對(duì)水流的分配對(duì)稱

32、、均勻，缺點(diǎn)是機(jī)組數(shù)較多時(shí)分岔段較長(zhǎng)；y形：特點(diǎn)與Y形相反。分岔管是一種由薄殼和剛度較大的加強(qiáng)梁組成的復(fù)雜的空間組合結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，在計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)這種計(jì)算工具應(yīng)用于工程之前，對(duì)這種結(jié)構(gòu)只能簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題進(jìn)行近似計(jì)算。岔管的加強(qiáng)梁有時(shí)需要鍛造，卷板和焊接后需作調(diào)整殘余應(yīng)力處理，因而制造工藝比較復(fù)雜。 圖8-22 管道分岔方式 岔管的另一特點(diǎn)是水頭損失較大。較好的岔管體型應(yīng)具有較小的水頭損失、較好的應(yīng)力狀態(tài)和較易于制造。 從水力學(xué)的角度看： （1）使水流通過(guò)岔管各斷面的平均流速相等，或使水流處于緩慢的加速狀態(tài)。 （2）采用較小的分岔角，但從結(jié)構(gòu)上考慮，分岔角不宜太小，太小會(huì)增加分岔段的

33、長(zhǎng)度，需要較大尺寸的加強(qiáng)梁，并會(huì)給制造帶來(lái)困難。水電站岔管的分岔角一般在30-75范圍內(nèi)，最常采用的范圍是45-60。 （3）分支管采用錐管過(guò)渡，避免用柱管直接連接。半錐和一般用5-10。 （4）采用較小的岔檔角。岔檔有分流的作用，較小的岔檔角有利于分流。 （5）支管上游側(cè)采用較小的順流轉(zhuǎn)角。圖 8-23 岔管體型示意圖 以上各點(diǎn)有時(shí)難于同時(shí)滿足。 岔管的水力要求和結(jié)構(gòu)要求也存在矛盾。對(duì)于水頭較低的電站，要多考慮一些水力方面的要求；對(duì)于高水頭的電站，多考慮一些結(jié)構(gòu)方面的要求。 在工程中，希望相貫線是平面曲線。相貫線是平面曲線的必要和充分條件是兩個(gè)錐管有一個(gè)公切球，平面圖像是公切圓，相貫線是兩個(gè)

34、橢圓曲線。 圖 8-24 兩個(gè)錐管平面的公切圓 二、岔管的荷載和受力特點(diǎn) 在壓力管道的分岔處，管壁因互相切割而不再是一個(gè)完整的圓形，在內(nèi)水壓力作用下，原被切割等的管壁所承擔(dān)的環(huán)拉力T便無(wú)法平衡，需另設(shè)加強(qiáng)構(gòu)件來(lái)承擔(dān)這個(gè)不平衡力，此外，在有些情況下管壁還存在軸向力，此軸向力在相貫處也不能平衡，需由加強(qiáng)構(gòu)件承擔(dān)。圖 8-25 岔管的受力情況 1.管壁環(huán)向拉力引起的荷載 在內(nèi)壓作用下，沿錐管軸線單位長(zhǎng)度管壁的環(huán)拉力 (8-37)式中 錐管的半錐頂角； 計(jì)算點(diǎn)處的錐管半徑。 沿LM方向單位長(zhǎng)度的垂直分量為： （8-38） 分解為作用在相貫線平面內(nèi)沿豎軸y表示的水平分量： （8-39）式中支管軸線與主管

35、軸線所夾之銳角； 相貫線垂直坐標(biāo)； 、相貫線的半長(zhǎng)軸和半短軸。 上述和是一側(cè)支管作用于相貫線LM上的荷載，對(duì)Y形分岔，乘以2得總荷載；對(duì)于不對(duì)稱的y形分岔，則應(yīng)分別以兩支管的參數(shù)代入式(8-38)和(8-39)求出相應(yīng)的荷載。和沿u、y軸的分布如圖。 2.管壁軸向力引起的荷載 管壁的軸向力有以下幾種情況：有悶頭、有錐管、有伸縮節(jié)及埋管等。 對(duì)支管有悶頭情況（如水壓試驗(yàn)等），單位周長(zhǎng)管壁沿母線方向的軸力 （8-40） 對(duì)于埋管 （8-41）式中 鋼材的泊松比； 鋼材的線膨脹系數(shù)； 鋼材的彈性模量； 溫差。 軸向力在相貫線上的垂直分量和水平分量 （8-42） （8-43）式中 相貫線橢圓曲線上計(jì)算

36、點(diǎn)的橫坐標(biāo)值； 其他符號(hào)同前。和亦為一個(gè)支管引起的荷載。 以上為相貫線LM上的荷載。相貫線CD和上的荷載求法類似。 三、幾種常用的岔管 根據(jù)岔管的體型和加固方式，水電站常用的岔管有以下幾種。 （一）貼邊岔管 貼邊岔管在相貫線的兩側(cè)用補(bǔ)強(qiáng)板加固。補(bǔ)強(qiáng)板與管壁焊接，可加于管外，也可同時(shí)加于管內(nèi)和管外。貼邊岔管的特點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)板的剛度較?。ㄅc后面的加固梁比較），不平衡區(qū)的內(nèi)水壓力由補(bǔ)強(qiáng)板和管壁共同承擔(dān)，適用于中、低水頭的y型地下埋管，特別適用于支、主管直徑之比（d/D）在0.5以下的情況，此比值大于0.7時(shí)不宜采用貼邊岔管。圖 8-26 貼邊岔管 貼邊岔管的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，除有限元法外，目前尚無(wú)他比較

37、合理的分析方法，其壁厚可近似的用下式確定： （8-44）式中 -計(jì)算管節(jié)的最大內(nèi)徑； -焊縫系數(shù)； -系數(shù)，取1.2-1.5, d/D小者取小值； -膜應(yīng)力區(qū)的容許應(yīng)力，基本荷載時(shí)取，特殊荷載時(shí)取。 （二）三梁岔管 三梁岔管用三根首尾相連接的曲梁作為加固構(gòu)件。U梁承受較大的不平衡水壓力，使梁系中的主要構(gòu)件。腰梁1承受的不平衡力較小，腰梁2用來(lái)加固主管管壁。同時(shí)，兩根腰梁有協(xié)助U梁承受外力的功用。圖 8-27 三梁岔管 加固梁的剛度比鄰近的管壁剛度要大得多，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一般假定梁系承擔(dān)全部不平衡區(qū)的內(nèi)水壓力。梁的斷面可計(jì)入每側(cè)寬度的管壁。 U形梁沿相貫線布置，一般加于管殼之外，內(nèi)外緣均為橢圓曲線

38、。U梁的荷載，在垂直和水平荷載V、H及腰梁反力P、 Q、M的作用下，U梁可近似作為固定于對(duì)稱軸1-1的變截面懸臂梁進(jìn)行分析計(jì)算。 U梁的橫截面形式比較常用的有矩形和T形。采用T形截面的目的是為了采用較薄的腹板獲得較大慣性矩，但由于T形截面形心外移使U形梁的懸臂加長(zhǎng)，荷載V在1-1截面形成的彎矩將顯著增加，從而使U梁內(nèi)緣的拉應(yīng)力加大，故宜采用形截面。矩形截面的U梁也應(yīng)避免采用瘦高截面。 為了減小U梁的計(jì)算跨度，可將其部分嵌入管殼內(nèi)。嵌入的深度越大，U梁的彎曲應(yīng)力越小，逐步使U梁過(guò)渡為受拉構(gòu)件。水工模型試驗(yàn)表明，嵌人的U梁對(duì)水流的影響視岔管的分流情況而定。對(duì)于設(shè)計(jì)的分流情況，水流比較對(duì)稱，嵌入的U

39、梁對(duì)水流一般無(wú)不良影響，甚至可熊有利；對(duì)于非設(shè)計(jì)情況（如一個(gè)支管為設(shè)計(jì)流量另一支管關(guān)閉），則U梁兩側(cè)出現(xiàn)旋渦區(qū)，使水頭損失加，在U梁兩側(cè)加導(dǎo)流板有一定效果。圖 8-18 U形梁 三梁岔管的主要缺點(diǎn)：1、梁系中的應(yīng)力主要是彎曲應(yīng)力，材料的強(qiáng)度未得到充分利用，三個(gè)曲梁（特別是U梁常常需要高大的截面，這不但浪費(fèi)了材料，加大了岔管的輪廓尺寸。而且可能需要鍛造，焊接后還可能需要進(jìn)行熱處理。2、由于梁的剛度較大，對(duì)管殼有較強(qiáng)的約束，使梁附近的管殼產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。3、在內(nèi)壓的作用下，由于相貫線的垂直變位較小，用于埋管則不能充分利用圍巖的抗力。因此，三梁岔管雖有長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，但由于存在上述

40、缺點(diǎn)，不能認(rèn)為是一種很理想的岔管。三梁岔管用于內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。 （三）月牙肋岔管 月牙肋岔管是三梁岔管的一種發(fā)展。前面已經(jīng)指出，三梁岔管的U梁嵌人管殼能夠改善其應(yīng)力狀態(tài)。月牙肋岔管用一個(gè)完全嵌入管殼內(nèi)的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁，并按月牙肋主要承受軸向拉力的原則來(lái)確定月牙肋的尺寸。 月牙肋岔管的主管為倒錐管，兩個(gè)支管為順錐管，三者有一公切球，。主管采用倒錐管的目的有二：一是減小A點(diǎn)管壁的轉(zhuǎn)角（一般不超過(guò)13），以達(dá)到取消AD方向的腰梁和改善流態(tài)的目的；二是適當(dāng)?shù)闹鸩綌U(kuò)大分岔區(qū)的過(guò)流面積，以減小流速，從而降低水頭損失。圖 8-29 月牙肋岔管 月牙肋岔管的分岔角常用55-90，公

41、切球的半徑取1.1-1.2倍主管半徑。月牙肋岔管的壁厚用式(8-44)和下式求出而取其大者： （8-45）式(8-44)用于膜應(yīng)力區(qū)，取1.0-1.1。式(8-45)用于局部應(yīng)力區(qū)，按圖8-30查取，在基本荷載情況下取，特殊荷載情況下取。圖 8-30 應(yīng)力集中系數(shù)曲線 肋板的中央截面寬度可從圖8-31（a）中的經(jīng)驗(yàn)曲線初步確定，曲線用于試驗(yàn)工況，曲線用于運(yùn)行工況。確定后，肋板內(nèi)緣尺寸可按圖8-31(b)中的三點(diǎn)成一拋物線按確定。肋板的厚度： （8-46）式中V為中央截面的作用力，可按水工設(shè)計(jì)手冊(cè)等文獻(xiàn)中的公式求取。在基本荷載情況下取，特殊荷載情況下取。C為銹蝕裕量。大體為管壁厚度的2.0-2.

42、5倍。圖 8-31 決定月牙肋尺寸的經(jīng)驗(yàn)曲線 由于月牙肋是按無(wú)矩要求設(shè)計(jì)的，荷載合力基本通過(guò)肋板截面形心，使肋板處于軸心受拉狀態(tài)；材料的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。由于肋板厚度不大，可用厚鋼板制造，工藝較為簡(jiǎn)單。 肋板的輪廓尺寸與分岔角(、)和兩順錐管的半錐角(, )有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，分岔角越小、錐角越大，要求的肋板寬度越大，因此，調(diào)整分岔角和錐角的大小可改變肋板的寬度和厚度。 月牙肋岔管除沿CD向有肋板加固外，其他部位均無(wú)加固構(gòu)件，由管殼承擔(dān)全部?jī)?nèi)水壓力，故管殼的體型應(yīng)力求平順。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)表明，管壁轉(zhuǎn)折處A點(diǎn)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)控制轉(zhuǎn)折角勿使過(guò)大。 水工模型試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)分流情況下，月牙肋岔管具有良好

43、的流態(tài)，但在非對(duì)稱水流情況下，插入的肋板對(duì)向一側(cè)偏轉(zhuǎn)的水流有阻礙作用，流態(tài)趨于惡化，肋板的方向?qū)λ饔绊戄^大，在設(shè)計(jì)岔管的體型時(shí)，應(yīng)注意使肋板平面與主流方向一致。 （四）球形岔管 球形岔管是由球殼、主支管、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)和內(nèi)部導(dǎo)流板組成。在內(nèi)壓作用下，球殼應(yīng)力僅為同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的一半，因此，球形岔管適用于高水頭電站。 球殼的最小直徑按用補(bǔ)強(qiáng)環(huán)加固后的各主、支管開(kāi)孔的局部應(yīng)力不致相互影響并有一定的焊接空間決定。兩相鄰開(kāi)孔間的最短弧長(zhǎng): (8-47)R和為球殼的半徑和壁厚，R一般為1.3-1.6倍主管半徑。為了減小球殼的半徑，球形岔管常采用較大的分岔角(60-90)，使主、支管能均布在球殼的周圍。圖

44、8-32 球形岔管 球殼的荷載主要有內(nèi)水壓力、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)的約束力和主、支管的軸向力。球殼的厚度可按內(nèi)水壓力確定，即： (8-48)式中系數(shù)取1.1-1.2；在基本荷載情況下取，特殊荷載情況下??；為焊縫系數(shù)，取0.9-0-95；C為銹蝕裕量，取2mm。 主、支管的軸向力對(duì)球殼應(yīng)力有很大影響，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)認(rèn)真對(duì)待。對(duì)于垂直方向的支管應(yīng)加以錨定，若為具有伸縮節(jié)的自由端，則管壁不能傳遞軸向力，作用于球殼上的軸向水壓力將無(wú)法平衡。 補(bǔ)強(qiáng)環(huán)一般為鍛件，其截面積F的選擇應(yīng)使補(bǔ)強(qiáng)環(huán)受力后的徑向變形等于被切割的球殼圓盤在同方向的變形，可近似地按下式確定： （8-49）式中補(bǔ)強(qiáng)環(huán)截面形心的半徑； 、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)和球殼連接點(diǎn)的

45、半徑及與球心所夾之角； 補(bǔ)強(qiáng)環(huán)順流向的寬度； 球殼設(shè)計(jì)膜應(yīng)力。 球形岔管突然擴(kuò)大的球體對(duì)水流不利。為了改善水流條件，常在球殼內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板。導(dǎo)流板上設(shè)平壓孔，因此不承受內(nèi)水壓力，僅起導(dǎo)流作用。 （五）無(wú)梁岔管 無(wú)梁岔管是在球形岔管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成。球形岔管的補(bǔ)強(qiáng)環(huán)需要鍛造，與管殼焊接時(shí)要預(yù)熱，球殼一般也要加熱壓制成形，有的球岔在制成后還進(jìn)行整體退火，因此工藝復(fù)雜。無(wú)梁岔管是用三個(gè)漸變的錐管作為主 、支管與球殼連接段以代替補(bǔ)強(qiáng)環(huán)，需要壓制的球殼面積大為減小，只剩下兩個(gè)面積不大的三角體,半徑一般取主管半徑的1.1-1.3倍。管壁轉(zhuǎn)折角和不宜超過(guò)12。 無(wú)梁岔管適宜用作埋管。 為了改善應(yīng)力條件，省去加強(qiáng)

46、構(gòu)件，無(wú)梁岔管采用了較肥胖的體形，在分岔處，過(guò)水?dāng)嗝婕眲≡龃?，水流易于出現(xiàn)渦流。無(wú)梁岔管的岔省具有寬闊的迎水面，不利于分流、水工模型試驗(yàn)表明，上下球殼部位有明顯的旋渦區(qū)，在不對(duì)稱分流時(shí)，岔檔部位的脈動(dòng)壓力幅值較大。在上下球殼部位加水平吊頂，在岔檔部位加導(dǎo)流楔體，對(duì)改善流態(tài)、減小水頭損失有明顯的效果。圖 8-33 無(wú)梁岔管 岔管的整體強(qiáng)度是衡量岔管整體安全度的一個(gè)重要標(biāo)志。 我國(guó)采用地下埋藏式岔管較多。目前，對(duì)埋藏式岔管的設(shè)計(jì)仍以明岔管的設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)。應(yīng)研究埋藏式岔管的合理形式，以便利用圍巖承擔(dān)更多的內(nèi)水壓力。在地質(zhì)條件較好和地應(yīng)力滿足要求情況下，也可不做鋼岔管而采用鋼筋混凝土岔管。第八節(jié) 地

47、下埋管和壩身管道一、地下埋管 地下埋管指埋設(shè)于巖體中并在管道和巖壁間充填混凝土之鋼管。1、 地下埋管雖然增加了巖石開(kāi)挖和混凝土襯砌的費(fèi)用，但與明鋼管相比，往往可以縮短壓力管道的長(zhǎng)度，省去支承結(jié)構(gòu)；2、 在堅(jiān)固的巖體中，可利用圍巖承擔(dān)部分內(nèi)水壓力，從而減小鋼襯的厚度，節(jié)約鋼材；3、 地下埋管位于地下，受氣候等外界影響較小，運(yùn)行安全可靠。在我國(guó)大中型水電站中應(yīng)用較廣。 圖 8-34 地下埋管的斷面形式 （一）地下埋管的布置形式 地下埋管有豎井、斜井和平洞三種布置形式。 豎井式管道的軸線是垂直的，常用于首部開(kāi)發(fā)的地下電站。采用豎井式可使壓力管道縮至最短，從而減小水錘壓強(qiáng)和壓力管道的工程量。豎井的開(kāi)挖

48、、鋼管的安裝和混凝土的回填，一般都自下而上進(jìn)行。 斜井式管道的軸線傾角小于90。對(duì)于地面式或地下式廠房均適用，在地下埋管中是采用最多的一種。斜井的傾角通常決定于施工要求。如斜井自上而下開(kāi)挖，為了便于出碴，傾角不宜超過(guò)35；若采用自下而上開(kāi)挖，為了使爆破后的石碴能自由滑落，傾角不宜小于45。 平洞一般作過(guò)渡段使用。管道分岔也多在平洞部分。 地下埋管應(yīng)盡量布置在堅(jiān)固完整的巖體之中，以便充分利用圍巖的彈性抗力承擔(dān)內(nèi)水壓力。 （二）地下埋管的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 地下埋管的工作特點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)多層襯徹的隧洞。鋼襯的功用是承擔(dān)部分內(nèi)水壓力和防止?jié)B透；回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳給圍巖，回填混凝土與鋼襯和圍巖必須緊密結(jié)合。在巖體破碎、地下水位較高的地區(qū)，管道放空后，鋼襯可能因外壓而失去穩(wěn)定。解決的辦法有二：一是離開(kāi)管道一定距離打排永洞以降低地下水位，這是一種很有效的措施，有的工程在回填混凝土中設(shè)排水管，但排水管在施工中易被堵