水電站壓力管道

-.z.第八章水電站壓力管道要求：掌握壓力管道的工作特點(diǎn)、類型及總體布置，壓力管道的尺寸擬定，設(shè)計(jì)方法和步驟。第一節(jié)壓力管道的功用和類型一、功用及特點(diǎn)(一)功用壓力管道是從水庫(kù)、壓力前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的水管。(二)特點(diǎn)(1)

坡度陡(2)

內(nèi)水壓力大，且承受動(dòng)水壓力的沖擊(水擊壓力)(3)

靠近廠房。嚴(yán)重威脅廠房的平安。壓力管道的主要荷載為內(nèi)水壓力，HD值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參數(shù)值。當(dāng)V=5~7m/s時(shí)，HD≈～0.18)NgH當(dāng)Ng一樣時(shí)，H愈大，HD愈大。目前最大達(dá)5000m2。目前最大直徑的鋼管是巴基斯坦的塔貝拉水電站第三期擴(kuò)建工程的隧洞內(nèi)明鋼管，直徑為。二、分類按布置方式分按材料分明管：暴露在空氣中(無(wú)壓引水式電站)鋼管(大中型水電站)鋼筋混凝土管(小型電站)地下埋管〔隧洞埋管)：埋入巖體。(有壓引水電站)不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管混凝土壩身埋管：依附于壩身(混凝土重力壩及重力拱壩)，包括：壩內(nèi)管道、壩上游面管、壩下游面管鋼筋混凝土構(gòu)造、鋼襯鋼筋混凝土構(gòu)造第二節(jié)壓力管道的線路選擇及尺寸擬定一、供水方式1．單元供水：一管一機(jī)。不設(shè)下閥門。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單(無(wú)岔管)、工作可靠、靈活性好，易于制作，無(wú)岔管缺點(diǎn)：造價(jià)高適用：(1)單機(jī)流量大、長(zhǎng)度短的地下埋管或明管；(2)混凝土壩內(nèi)管道和明管道2．聯(lián)合供水：一根主管，向多臺(tái)機(jī)組供水。設(shè)下閥門。優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低缺點(diǎn)：構(gòu)造復(fù)雜〔岔管〕、靈活性差適用：、(1)機(jī)組少、單機(jī)流量小、引水道長(zhǎng)的地下埋管和明管3．分組供水：設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺(tái)機(jī)組供水。設(shè)下閥門。適用：壓力水管較長(zhǎng)，機(jī)組臺(tái)數(shù)多，單機(jī)流量較小的情況。地下埋管和明管單元供水聯(lián)合供水分組供水二、明管布置管道與主廠房的關(guān)系：1．正向引近：低水頭電站。水流平順、水頭損失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故時(shí)直接危機(jī)廠房平安。2．縱向引近：高、中水頭電站。防止水流直沖廠房。3．斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。(a)、(b)

正向引進(jìn)

(c)、(d)

縱向引進(jìn)

(e)

斜向引進(jìn)壓力水管引進(jìn)廠房的方式三、線路選擇壓力管道的線路選擇應(yīng)結(jié)合引水系統(tǒng)中的其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。1．路線盡可能短、直?！步?jīng)濟(jì)、水頭損失小、水擊壓力小〕一般設(shè)在陡峻的山脊上。2．地質(zhì)條件好。山體穩(wěn)定、地下水位低、避開山崩、雪崩地區(qū)。3．盡量減小上下起伏，防止出現(xiàn)負(fù)壓；轉(zhuǎn)彎半徑R≯3D。四、壓力管道直徑的選擇壓力管道經(jīng)濟(jì)直徑確定是壓力管道的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。1．動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比擬法：根本原理與渠道一樣〔壓力管道要考慮流速、水擊壓力的影響〕，擬定幾個(gè)直徑，進(jìn)展動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算，比擬確定最優(yōu)經(jīng)濟(jì)直徑。2．經(jīng)歷公式法：簡(jiǎn)化條件推導(dǎo)公式。精度較低，初步設(shè)計(jì)時(shí)采用Qma*——壓力管道設(shè)計(jì)流量，H—設(shè)計(jì)水頭3．經(jīng)濟(jì)流速法：壓力管道的經(jīng)濟(jì)流速一般為4~6m/s，最大不超過7m/s，De=Qma*/Ve注：確定壓力鋼管直徑的公式有很多。經(jīng)歷公式法或經(jīng)濟(jì)流速方法的設(shè)計(jì)結(jié)果可作為參考。第三節(jié)明鋼管的敷設(shè)方式及附件一、明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式明鋼管一般敷設(shè)在一系列支墩上，離地面不小于60cm〔便于維護(hù)和檢修〕。水管受力明確，在自重和水重作用下，水管在支墩上相當(dāng)于一個(gè)多跨連續(xù)梁；每隔120~150m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處(包括平面轉(zhuǎn)彎和立面轉(zhuǎn)彎)設(shè)置鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端。明鋼管的敷設(shè)連續(xù)式布置：管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設(shè)伸縮節(jié)。溫度應(yīng)力大，一般較少采用。分段式：兩鎮(zhèn)墩間設(shè)伸縮節(jié)〔上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)〕。溫度應(yīng)力小。(一)鎮(zhèn)墩1．功用：固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力。水管在此處不產(chǎn)生任何方向的位移。2．布置：水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。3．類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。(1)封閉式：應(yīng)用廣泛。構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)約鋼村，固定效果好。(2)開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。封閉式鎮(zhèn)墩開敞式鎮(zhèn)墩〔二)支墩1．功用：承受水重和管重的法向分力。相當(dāng)于連續(xù)梁的滾動(dòng)支承，允許水管在軸向自由移動(dòng)〔溫度變化時(shí)〕。2．布置：間距6~12m，D特別大時(shí)，L取3m。支墩間距小→M、Q(彎矩和剪力)小→支墩造價(jià)高。3．類型：(1)滑動(dòng)式：支承環(huán)式、鞍式鞍式：包角：90～120，構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低，摩擦力大，支承部位受力不均勻，D<1m。支承環(huán)式：在支墩處管身四周加剛性支承環(huán)。摩擦力小，支承部位受力較均勻，D<2m(2)滾動(dòng)式：在支承環(huán)與墩座之間加圓柱形輥軸，f小，D>2m。(3)擺動(dòng)式：在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動(dòng)短柱。f很小，D>2m滑動(dòng)支墩滾動(dòng)支墩擺動(dòng)支墩二、閥門及附件(一)閘門及閥門1．快速平板閘門〔事故門〕——壓力管道進(jìn)口〔前池、調(diào)壓室、水庫(kù))。作用：在壓力管道發(fā)生事故或檢修時(shí)用以切斷水流。2．快速閥門〔事故閥或下閥門〕——水輪機(jī)進(jìn)口前(聯(lián)合供水或分組供水)，作用：為防止一臺(tái)機(jī)組檢修影響其他機(jī)組的正常運(yùn)行，或在調(diào)速器、導(dǎo)水葉發(fā)生故障時(shí)，為緊急迫斷水流，防止機(jī)組產(chǎn)生飛逸。類型：平板閥、蝴蝶閥、球閥(1)平板閥：框架+板面構(gòu)成。閥體在門槽中的滑動(dòng)方式與一般的平板閘門相似。平板閥一般用電動(dòng)或液壓操作。這種閥門止水嚴(yán)密，運(yùn)行可靠，但需要很大的啟閉力，動(dòng)作緩慢，易產(chǎn)生汽蝕，常用于直徑較小的水管。(2)蝶閥：由閥殼+閥體組成。閥殼為一短圓筒，閥體形似圓盤，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。閥門關(guān)閉時(shí)，閥體平面與水流方向垂直；開啟時(shí)，閥體平面與水流方向一致。蝶閥關(guān)蝶閥開優(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)：在開啟狀態(tài)時(shí)由于閥門板對(duì)水流的擾動(dòng)，造成附加水頭損失和閥門內(nèi)汽蝕現(xiàn)象；在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，止水不嚴(yán)密，不能局部開啟。適用：大直徑、水頭不很高的情況。目前蝴蝶閥應(yīng)用最廣，最大直徑可達(dá)8m以上，最大水頭達(dá)200m。蝴蝶閥要求在動(dòng)水中關(guān)閉，靜水中開啟。(3)球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。閥體圓筒的軸線與水管軸線一致時(shí)，閥門處于開啟狀態(tài)，假設(shè)將閥體旋轉(zhuǎn)90o，使圓筒一側(cè)的球面封板擋住水流通路，則閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：在開啟狀態(tài)時(shí)實(shí)際上沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，構(gòu)造上能承受高壓；缺點(diǎn)：是尺寸和重量大，造價(jià)高。適用：高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。球閥是在動(dòng)水中關(guān)閉，在靜水中開啟。球閥關(guān)球閥開(二)附件(1)伸縮節(jié)作用：消除溫度應(yīng)力，且適應(yīng)少量的不均勻沉陷位置：常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)(2)通氣閥作用：當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時(shí)，向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓；水管充水時(shí)，排出管中空氣位置：閥門之后(3)進(jìn)人孔作用：檢修鋼管；位置：鋼管上方；直徑：50cm左右。(4)旁通閥及排水設(shè)備旁通閥：設(shè)在水輪機(jī)進(jìn)水閥門處；作用：閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。排水管：水管的最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置；作用：在檢修水管時(shí)用于排出管中的積水和滲漏水。第四節(jié)作用在明鋼管上的力一、力和荷載種類(一)力1．內(nèi)水壓力：(1)正常蓄水位的靜水壓力；(2)正常工作情況最高壓力(正常蓄水位,丟棄全負(fù)荷)；(3)特殊工作情況最高壓力(最高發(fā)電水位,丟棄全負(fù)荷)；(4)水壓試驗(yàn)內(nèi)水壓力；2．鋼管構(gòu)造自重；3．鋼管內(nèi)的滿水重；4．鋼管充水，放水過程中，管內(nèi)局部水重；5．由溫度變化引起的力，對(duì)分段敷設(shè)的明鋼管，即伸縮節(jié)和支墩的摩擦力；6．管道直徑變化處，轉(zhuǎn)彎處及作用在悶頭，閘閥，伸縮節(jié)上的水壓力；7．鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉陷引起的力；8．風(fēng)荷載；9．雪荷載；10．施工荷載；11．地震荷載；12．管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓差；要注意荷載的作用方向及作用的時(shí)間，在*些情況下有的荷載不可能出現(xiàn)。(二)荷載種類按力的作用方向可以將上述作用力歸納為軸向力、徑向力和法向力。1．軸向力：水重+管重的軸向分力，摩擦力，管徑變化處、轉(zhuǎn)彎處、悶頭、閥門、伸縮節(jié)上的水壓力。2．徑向力：內(nèi)水壓力3．法向力：水重+管重的法向分力第五節(jié)明鋼管的構(gòu)造分析一、鋼管管壁厚度估算在進(jìn)展鋼管應(yīng)力分析時(shí)，需要先設(shè)定管壁厚度。由于內(nèi)水壓力在管壁上產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力是其主要應(yīng)力。因此用鍋爐公式來(lái)初擬管壁厚度，以鋼材的允許應(yīng)力[σ]代替σθ，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫系數(shù)φ一般取為，允許應(yīng)力取鋼管材料允許應(yīng)力的75%~85%?？紤]鋼管運(yùn)行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，δ實(shí)際=δ+2mm〔銹蝕厚度〕；在實(shí)際工程中，考慮到制造、運(yùn)輸、安裝等條件，必須保持一定的剛度，因而需要限制管壁的最小厚度δmin。δmin一般取為D/800+4(mm)，且不宜小于6mm二、管身的應(yīng)力分析鋼管支承在一系列支墩的直線管段在法向力的作用下，相當(dāng)于一根連續(xù)梁。支墩處設(shè)有支承環(huán)，由于抗外壓需要，支承環(huán)之間有時(shí)還加有剛性環(huán)(加勁環(huán))。一般情況下，最后一跨的應(yīng)力最大。根據(jù)受力特點(diǎn)常選四個(gè)斷面進(jìn)展應(yīng)力分析。(1)跨中斷面1－1:只有彎距作用，且彎距最大,無(wú)局部應(yīng)力——受力最簡(jiǎn)單；(2)支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面2－2：彎距和剪力共同作用，均按最大值計(jì)算，無(wú)局部應(yīng)力——受力比擬簡(jiǎn)單；(3)加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3－3：由于加勁環(huán)的約束，存在局部應(yīng)力；(4)支承環(huán)及其旁管壁，斷面4－4：應(yīng)力最復(fù)雜，存在彎距和剪力(支承反力)的作用，有局部應(yīng)力．分析方法：構(gòu)造力學(xué)法。坐標(biāo)：軸向*、徑向r、環(huán)向θ(一)跨中段面(1)-(1)的管壁應(yīng)力跨中段面屬于膜應(yīng)力區(qū)，其特點(diǎn)是彎矩最大，剪力為零。1．徑向應(yīng)力管壁內(nèi)外表:，"-〞表示壓應(yīng)力。管壁外外表：由于徑向應(yīng)力的數(shù)值比擬小，所以應(yīng)力計(jì)算中可以忽略。2．切向(環(huán)向)應(yīng)力設(shè)壓力水管中心處的水頭為H，而水管軸線與水平面的夾角為α，則在管壁中任意一點(diǎn)(該點(diǎn)半徑與管頂半徑的夾角為θ)的水頭為。推導(dǎo)出管壁中的切向拉力T和切向應(yīng)力為：管壁上內(nèi)水壓力的分布管壁微圓弧的受力平衡式中P——內(nèi)水壓強(qiáng)；δ——管壁計(jì)算厚度；H——計(jì)算水頭；α——管軸線傾角；θ——管壁中任意一點(diǎn)半徑與管頂半徑的夾角；r——水管半徑。3．軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力=法向力引起的軸向彎曲應(yīng)力+軸向作用力引起的軸向應(yīng)力(1)法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)力將水重和管重的法向分力視為均布荷載，則鋼管的受力與多跨連續(xù)梁類似，其變形以彎曲為主，并在管壁上產(chǎn)生彎曲正應(yīng)力與剪應(yīng)力。在相鄰兩鎮(zhèn)墩之間的壓力鋼管放置于支墩之上，支墩相當(dāng)于連續(xù)梁的中間輥軸支座，最下端的鎮(zhèn)墩相當(dāng)于固定端，上端伸縮節(jié)處可近似認(rèn)為是自由端。法向力引起的彎矩和剪力在均布荷載作用下，連續(xù)梁的彎矩和剪力如下圖，二者的正負(fù)最大值近似認(rèn)為相等，其值已在圖中標(biāo)示出來(lái)。這樣管壁橫斷面上任意一點(diǎn)的軸向應(yīng)力為式中M——水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩，正負(fù)號(hào)和大小如下圖；W——連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)，。如果同時(shí)計(jì)入地震作用，則軸向應(yīng)力為式中Me——地震力作用下連續(xù)梁的彎矩，；KH——水平地震荷載系數(shù)。(2)軸向力引起的軸向應(yīng)力在軸向力的合力∑A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為，管壁的斷面積為F，則："-〞表示壓應(yīng)力。一般情況下，∑A為壓力，即為壓應(yīng)力，D為管道直徑。4．剪應(yīng)力由于跨中斷面的剪力為0，所以該斷面的=0。跨中斷面應(yīng)力：徑向應(yīng)力、切向(環(huán)向)應(yīng)力、軸向應(yīng)力=+(二)支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣(2)-(2)斷面的管壁應(yīng)力(2)-(2)斷面雖然靠近支承環(huán)，但在支承環(huán)的影響范圍之外，即不考慮支承環(huán)對(duì)管壁的約束作用。為了平安起見，認(rèn)為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等支承環(huán)斷面和跨中斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，但支承環(huán)處存在剪力V。所以在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應(yīng)力的計(jì)算公式為：式中V——管重和水重的法向分力作用下連續(xù)梁的剪力；SR——計(jì)算點(diǎn)以上管壁環(huán)形截面積對(duì)重心軸的靜矩，；B——受剪截面寬度，；J——截面慣性矩，。當(dāng)θ=0°(管道頂部)和θ=180°(管道底部)時(shí)，=0；當(dāng)θ=90°(管道側(cè)面中點(diǎn))時(shí)，，到達(dá)最大值。如果同時(shí)計(jì)入地震力的作用，則剪應(yīng)力為式中Ve——地震力作用下連續(xù)梁的剪力，斷面(2)-(2)的正應(yīng)力σr、σθ和σ*均與斷面(1)-(1)相等，但符號(hào)不盡一樣支承環(huán)旁管壁應(yīng)力分布和方向三、強(qiáng)度校核鋼管為三維受力狀態(tài)，計(jì)算出各個(gè)應(yīng)力分量后，應(yīng)按強(qiáng)度理論進(jìn)展校核。如果不滿足強(qiáng)度要求，則重新調(diào)整管壁厚度和支墩間距，再重新計(jì)算，直到滿足強(qiáng)度條件。(一)容許應(yīng)力水電站壓力鋼管一般要求在各種荷載組合作用下，鋼管的最大應(yīng)力不超過材料的允許應(yīng)力。常用鋼材屈服強(qiáng)度的百分比表示。壓力鋼管的容許應(yīng)力見下表。鋼管容許應(yīng)力應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)荷載組合根本特殊根本特殊內(nèi)力性質(zhì)軸

力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩容許應(yīng)力[σ]明鋼管σsσsσsσsσsσs地下埋管σsσs

壩內(nèi)埋管σsσs

σs(二)強(qiáng)度校核鋼管強(qiáng)度校核我國(guó)及多數(shù)國(guó)家一般采用第四強(qiáng)度理論(畸變能理論)，即各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)應(yīng)滿足下式式中、、——鋼管的環(huán)向、徑向和軸向應(yīng)力；、、——管壁中各方向的剪應(yīng)力；——焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)，一般取。由于水電站壓力鋼管的、和比擬小，在強(qiáng)度校核時(shí)可以忽略，上式可以簡(jiǎn)化為：第六節(jié)明鋼管的抗外壓穩(wěn)定一、明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象(1)機(jī)組運(yùn)行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；(2)管道放空時(shí)通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負(fù)壓時(shí)，管壁在外部的大氣壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。二、光滑管段的穩(wěn)定性當(dāng)外壓力P增加到臨界壓力Pcr時(shí)，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。臨界壓力Pcr為為了平安起見，引入平安系數(shù)K，要求：Pcr≥KP。取K=，P=，鋼材的彈性模量E=2×105MPa,略去μ2，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為三、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定按求出的管壁厚度太大，如果D=650cm，則要求：δ≥50mm，加工困難，因此可采用在管壁上增加加勁環(huán)以提高管壁剛度的措施，從而提高管壁抗外壓穩(wěn)定性，這樣會(huì)比增加管壁厚度更經(jīng)濟(jì)。1.加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性兩個(gè)加勁環(huán)的中間光滑局部的臨界外壓力為：式中n——相應(yīng)于最小臨界壓力的屈曲波數(shù)，L——為加勁環(huán)間距。首先求出屈曲波數(shù)n，并取整，然后用n，n-1，n+1三個(gè)數(shù)分別帶入上面的公式中，求出的最小值就是臨界荷載。2．加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定設(shè)置加勁環(huán)的鋼管，加勁環(huán)斷面必須滿足兩個(gè)要求：(1)加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)；(2)加勁環(huán)斷面的壓應(yīng)力小于材料的允許值。加勁環(huán)兩側(cè)附近的管壁與加勁環(huán)一起變形，這一局部的長(zhǎng)度為，加勁環(huán)有效斷面所示。加勁環(huán)有效斷面加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定計(jì)算公式，可按照光滑管的公式計(jì)算，但是等式右邊應(yīng)該除以加勁環(huán)的間距L，其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計(jì)算。式中J——計(jì)算斷面對(duì)自身中和軸的慣性矩；Rk——加勁環(huán)有效斷面中心半徑；K——平安系數(shù)，取K=2。明鋼管的設(shè)計(jì)步驟(1)首先根據(jù)鍋爐公式并考慮銹蝕厚度初步擬定管壁厚度，但在應(yīng)力和穩(wěn)定計(jì)算中，不計(jì)銹蝕厚度；(2)用光滑管外壓穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)展外壓穩(wěn)定校核，如果不穩(wěn)定設(shè)置可加勁環(huán)(也可用支承環(huán)代替)，并選定其間距；(3)根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應(yīng)力小于允許值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；(4)進(jìn)展強(qiáng)度校核，如果不滿足要求則增加管壁厚度或縮小加勁環(huán)間距。重復(fù)上面的步驟，直到滿足要求。第七節(jié)分岔管一、分岔管的功用、特點(diǎn)1．功用作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時(shí)，需要設(shè)置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。2．特點(diǎn)(1)岔管的水流條件較差，引起的水頭損失較大；(2)岔管由薄殼和剛度較大的加強(qiáng)構(gòu)件組成，管壁厚，構(gòu)件尺寸大，有時(shí)需鍛造，焊接工藝要求高，造價(jià)也比擬高；(3)受力條件差，所承受的靜動(dòng)水壓力最大，又靠近廠房，其平安性十分重要。我國(guó)已經(jīng)建成的水電站岔管大多數(shù)屬于地下岔管，但大多按明管設(shè)計(jì)，即不考慮周圍巖體分擔(dān)荷載。二、岔管的布置形式(1)卜形布置?？v向引近和斜向引進(jìn)的廠房常采用這種布置方式。(2)對(duì)稱Y形布置。用于主管分成二個(gè)一樣的支管，如一管二機(jī)。(3)三岔形布置。用于主管直接分成三個(gè)一樣的支管。(a)

(b)

(c)三、岔管的構(gòu)造形式1．三梁岔管三梁岔管由相貫線上的兩根腰梁和一根U梁而得名。沿兩支管的相貫線用U梁加強(qiáng)，沿主管和支管的相貫線則用腰梁加強(qiáng)，U梁承受較大的不平衡水壓力，是梁系中的主要構(gòu)件。將U梁和腰梁端部聯(lián)結(jié)點(diǎn)做成剛性聯(lián)結(jié)，形成一個(gè)薄殼和空間梁系的組合構(gòu)造，其受力非常復(fù)雜。適用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。2．內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管月牙肋岔管是用一個(gè)嵌入管體內(nèi)的月牙形肋板來(lái)代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在三梁岔管的根底上開展起來(lái)的新式岔管，目前在我國(guó)已根本取代了三梁岔管。應(yīng)用于大中型電站。3．貼邊式岔管貼邊式岔管是在卜形布置的主、支管相貫線兩側(cè)用補(bǔ)強(qiáng)板加固，補(bǔ)強(qiáng)板與管壁焊固形成一個(gè)整體。補(bǔ)強(qiáng)板可以焊固于管道外壁或內(nèi)壁，或內(nèi)外壁均有補(bǔ)強(qiáng)板。與加固梁相比，補(bǔ)強(qiáng)板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力由補(bǔ)強(qiáng)板和管壁共同承當(dāng)。適用：常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。地下埋藏式岔管，能把大局部不平衡水壓力傳給圍巖。4．球形岔管球形岔管是通過球面體進(jìn)展分岔，它是由球殼，圓柱形主、支管以及補(bǔ)強(qiáng)環(huán)和導(dǎo)流板等組成。在內(nèi)水壓力作用下，球殼應(yīng)力僅為同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的一半。適用：高水頭大中型電站。球形岔管是國(guó)外采用比擬多的一種成熟管型，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚少。5．無(wú)梁岔管無(wú)梁岔管是在球形岔管的根底上開展起來(lái)的。用直徑較大的錐管和球殼沿切線方向銜接，使球殼只剩下上下兩個(gè)面積不大的三角形，并在主、支管和這些錐管之間插入幾節(jié)逐漸擴(kuò)大的過渡段，構(gòu)成一個(gè)比擬平順的、無(wú)太大不連續(xù)接合線的體型，從而形成無(wú)梁岔管。無(wú)梁岔管是一種有開展前途的管型，能發(fā)揮與圍巖共同受力的優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。第八節(jié)地下埋管一、地下埋管的布置與工作特點(diǎn)施工過程：開挖巖洞〔清理石渣、支護(hù)等〕→安裝鋼管→回填混凝土→接處灌漿類型：斜井、豎井。大型水電站中應(yīng)用最多。(一)工作特點(diǎn)及適用條件地下埋管是我國(guó)大中型水電站建立中應(yīng)用最廣泛的一種引水管道型式。優(yōu)點(diǎn)：1．布置靈活方便地下埋管由于在山體內(nèi)部，管線位置選擇較自由，可選擇地質(zhì)條件好的線路，地質(zhì)條件優(yōu)于地表，可縮短管道長(zhǎng)度。地下廠房一般全部或局部采用地下埋管。巖石力學(xué)和地下工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的迅速開展，修建壓力堅(jiān)井和斜井的技術(shù)已經(jīng)很成熱，施工條件和費(fèi)用在有的國(guó)家已開場(chǎng)優(yōu)于地面管道。2．鋼管與圍巖共同承當(dāng)內(nèi)水壓力〔聯(lián)合承載〕，減小鋼襯厚度。圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力的比例取決于巖石的性質(zhì)。當(dāng)巖石堅(jiān)硬、完整時(shí)，圍巖承當(dāng)較大的內(nèi)水壓力，甚至承當(dāng)全部?jī)?nèi)水壓力，鋼板只起防滲作用；特大容量、高水頭的管道，HD值很大，采用明管技術(shù)難于實(shí)現(xiàn)，地下埋管就可能得以解決。當(dāng)上覆巖石較薄(<3D)，巖石質(zhì)量不好時(shí)，設(shè)計(jì)中往往不考慮巖石的承載能力，通常情況下是提高鋼襯的允許應(yīng)力。"標(biāo)準(zhǔn)"規(guī)定：根本組合：；特殊組合：3．運(yùn)行平安地下埋管的運(yùn)行不受外界條件影響，維護(hù)簡(jiǎn)單，圍巖的極限承載能力一般很高，鋼材又有良好的塑性，因此管道的超載能力很大。缺點(diǎn)：1．構(gòu)造比擬復(fù)雜，施工安裝工序多，工藝要求較高，施工條件較差，會(huì)增加造價(jià)；2．外壓穩(wěn)定問題突出。國(guó)內(nèi)外地下埋管破壞多數(shù)為外壓失穩(wěn)。(二)布置地形、地質(zhì)條件優(yōu)越，并與調(diào)壓室和廠房有良好的總體布置。供水方式：多采用聯(lián)合供水地質(zhì)條件：應(yīng)布置在鞏固完整、地下水位低的巖層中。地形條件：保證上覆巖層的穩(wěn)定，留有足夠的巖石厚度。當(dāng)同時(shí)要求開挖幾條隧洞時(shí)，要有足夠的間距，防止出現(xiàn)失穩(wěn)情況。布置方式：豎井、斜井、平洞。二、地下埋管的抗外壓失穩(wěn)地下埋管的外壓失穩(wěn)問題比內(nèi)壓?jiǎn)栴}更重要。國(guó)內(nèi)外地下埋管發(fā)生的事故中，鋼襯破壞大多是由于受外壓失穩(wěn)造成的。地下埋管是一種薄殼構(gòu)造，承受內(nèi)壓的潛在能力相當(dāng)高，而其抵抗外壓的能力較低，但管道放空時(shí)所受外壓力的值可能遠(yuǎn)高于大氣壓力。(一)鋼襯的外壓荷載

(1)地下水壓力。鋼襯所受地下水壓力值，可根據(jù)勘測(cè)資料選定。根據(jù)最高地下水位線來(lái)確定外水壓力值是穩(wěn)妥的，但常會(huì)使設(shè)計(jì)值過高。同時(shí)要分析水庫(kù)蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等因素對(duì)地下水位的影響。地下水位線一般不應(yīng)超過地面。(2)鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力。接縫灌漿壓力一般為。(3)回填混凝土?xí)r流態(tài)混凝土的壓力。其值決定于混凝土一次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次澆筑高度。(二)埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征埋管鋼襯在周圍巖石的約束下承受外壓力產(chǎn)生變形時(shí)，與地面鋼管有很大不同。埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要區(qū)別：埋管鋼襯的臨界壓力與材料的屈服強(qiáng)度和初始縫隙值直接有關(guān)。(三)光面鋼襯臨界壓力計(jì)算我國(guó)鋼管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)排薦阿氏公式作為主要計(jì)算公式：對(duì)于光面管，阿氏公式為：=其中：σN——鋼襯屈曲局部由外壓直接引起的環(huán)向應(yīng)力；；計(jì)算時(shí)先求出σN，再求Pcr。求σN時(shí)需要試算。為了方便，已將阿氏公式制成曲線，根據(jù)鋼襯的σs值和鋼襯的主要參數(shù)r1/δ和Δ/r1，即可直接由圖查出Pcr。初步計(jì)算時(shí)也可用以下經(jīng)歷公式：(四)加勁環(huán)式鋼襯臨界壓力計(jì)算地下埋管常常采用增加加勁環(huán)的方法來(lái)提高穩(wěn)定性和在運(yùn)輸和施工時(shí)增加鋼襯的剛度。有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：加勁環(huán)間管壁的穩(wěn)定計(jì)算和加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定計(jì)算。1．加勁環(huán)的穩(wěn)定分析加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定分析可以用光面管公式進(jìn)展，但按加勁環(huán)的有效截面進(jìn)展計(jì)算。實(shí)際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)變形時(shí)約束大，一般可以不考慮加勁環(huán)的外壓穩(wěn)定性問題，而按強(qiáng)度條件控制，即：式中：F——加勁環(huán)有效截面；l——加勁環(huán)間距。2．加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定目前沒有合理的計(jì)算方法，可以套用帶有加勁環(huán)的明管的外壓穩(wěn)定計(jì)算公式。即認(rèn)為縫隙值很大。這樣偏于平安。(五)防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施工程上一般可以采用下面的幾種措施來(lái)提高鋼襯的抗外壓穩(wěn)定性：(1)降低地下水水壓力是防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法方法是排水廊道結(jié)合排水孔；(2)精心施工做好鋼襯與混凝土之間的灌漿，減小縫隙。但灌漿時(shí)要注意鼓包問題，可采取臨時(shí)措施或限制灌漿壓力；流態(tài)混凝土的外壓力穩(wěn)定可用臨時(shí)支撐解決或限制澆筑高度。(3)地下埋管常常采用增加加勁環(huán)的方法來(lái)提高穩(wěn)定性和在運(yùn)輸和施工時(shí)增加鋼襯的剛度。第九節(jié)混凝土壩體壓力管道一、混凝土壩體壓力管道的特點(diǎn)、類型和布置混凝土壩體壓力管道是依附于混凝土壩身，即埋設(shè)在壩體內(nèi)或固定在壩面上，并與壩體成為一體的壓力輸水管道。特點(diǎn)：構(gòu)造緊湊簡(jiǎn)單，引水長(zhǎng)度最短，水頭損失小，機(jī)組調(diào)節(jié)保證條件好，造價(jià)低，運(yùn)行管理集中方便；缺點(diǎn)是管道安裝會(huì)干擾壩體施工，壩內(nèi)埋管空腔削弱壩體，使壩體應(yīng)力惡化。適用：混凝土壩壩式水電站。布置方式：壩內(nèi)埋管、壩體上游面鋼管、壩體下游面鋼管。二、壩內(nèi)埋管壩內(nèi)埋管的特點(diǎn)是管道穿過混凝土壩體，全部埋在壩體內(nèi)。(一)壩內(nèi)埋管的布置1．布置原則(1)盡量縮短管道的長(zhǎng)度；(2)減少管道空腔對(duì)壩體應(yīng)力的不利影響。(3)減少管道對(duì)壩體施工的干擾并有利于管道本身的安裝和施工。2．壩內(nèi)埋管布置形式立面布置：(1)傾斜式布置：管軸線與下游壩面近于平行并盡量靠近下游壩面。優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)水口位置較高，閘門承受水壓小，有利于進(jìn)水口的各種設(shè)施布置；管道縱軸與壩體內(nèi)較大的主壓應(yīng)力方向平行，可以減輕管道周圍壩體的應(yīng)力惡化；與壩體施工的干擾較少。缺點(diǎn)：管道較長(zhǎng)，彎段多，不頭損失大；管道與下游壩面間的混凝土厚度較小。(2)平式和平斜式布置：管道布置在壩體下部。優(yōu)缺點(diǎn)與傾斜式布置相反。對(duì)于拱壩，壩體厚度不大，管徑卻較大時(shí)常采用這種布置方式。(3)豎直式布置：管道的大局部豎直布置。適用于壩內(nèi)廠房。缺點(diǎn)是管道曲率大，水頭損失大，管道空腔對(duì)壩體應(yīng)力不利。傾斜式布置平斜式布