第十三章 水電站的壓力管道

第十三章水電站的壓力管道

第七節(jié)分岔管

一、分岔管

壓力管道的分岔方式有Y形［圖8-22（a）］和y形［圖822（b）］。二者對水流的分配均勻，缺

點是機(jī)組數(shù)較多時分岔段較長；后者的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，在計算力學(xué)和計算機(jī)這種計算工具應(yīng)用于工程之前，

對這種結(jié)構(gòu)只能簡化成平面問題進(jìn)行近似計算。岔管的加強(qiáng)梁有時需要鍛造，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13-22管道分岔方式

岔管的另一特點是水頭損失較大，在整個引水系統(tǒng)的水頭損失重在重要地位。例如我國

某水電站，引水隧洞長1200m,根據(jù)模型試驗，僅一處岔管的局部水頭損失即超過引水隧洞

和進(jìn)水口水頭損失的總和。因此，如何降低水頭損失是岔管設(shè)計的?個重要問題。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，岔管的體型設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：

（1）使水流通過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a,如圖13-23所示。但從結(jié)構(gòu)上考慮，分岔角不宜太小，太小

會增加分岔段的長度，需要較大尺寸的加強(qiáng)梁，并會給制造帶來困難。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）分棄管采用錐管過渡，避免用柱管直接連接。半錐和一般用5。-10。。

（4）采用較小的岔檔角夕。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)角丫。

/

圖13-23岔管體型示意圖

以上各點有時難于同時滿足，例如，增加支管錐角口有助于減小丫,但又不可避免地會加

大B，但前者對水流的影響較大。

岔管的水力要求和結(jié)構(gòu)要求也存在矛盾，例如，較小的分岔角對水流有利，但對結(jié)構(gòu)不

利，因為分岔角越小，管壁互相切割的破口越大，加強(qiáng)梁的尺寸也就越大，而且過小的夾角

會使岔檔部位的焊接困難，又例如，支管用錐管過渡對水流有明顯的好處，但不可避免地會

使主支間的破口加大；等等。這就要求在設(shè)計岔管體型時應(yīng)最大限度地滿足各方面的要求，

分清主次，抓住主要矛盾。一般說來，對于水頭較低的電站，岔管的內(nèi)壓較小，而岔管的水

頭損失占總水頭的比重較大，此時多考慮一些水力方面的要求是正確的；反之，對于高水頭

的電站，多考慮一些結(jié)構(gòu)方面的要求是合理的。

在以后的討論中我們將會知道，在分岔區(qū)，由于管壁的相互切割，在內(nèi)水壓力的作用下,

存在較大的不平衡力，需要另設(shè)加強(qiáng)構(gòu)件承擔(dān)。加強(qiáng)構(gòu)件一般沿管壁的相貫線（管壁交線）

布置。在工程中，為了便于加固，希望相貫線是平面曲線。相貫線是平面曲線的必要和充分

條件是兩個錐管有一個公切球（平面圖像是公切圓），如圖13-24所示。在平面圖上，公切

圓。與錐管I相切于a、a,與錐管U相切于b,b,連接aa和bb,得交點D,AD和BD即為相

貫線的平面圖像。在垂直紙面的沿AD和BD方向的兩個平面上，相貫線是兩個橢圓曲線。

若主支管的直徑相差較大，兩者公切于一個球有困難，則岔管的體型也可以不按這一要

求進(jìn)行設(shè)計，此時相貫線是一個曲面上的封閉曲線，常用一個曲面圈梁加固。

圖13-24兩個錐管平面的公切圓

二、岔管的荷載和受力特點

在壓力管道的分岔處，管壁因互相切割而不再是?個完整的圓形，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便無法平衡，需另設(shè)加強(qiáng)構(gòu)件來承擔(dān)這個不平衡力，如

圖13-25(b)所示。止匕外，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13-25岔管的受力情況

1.管壁環(huán)向拉力引起的荷載

如圖13-25(b)所示，在內(nèi)壓p作用下，沿錐管軸線單位長度管壁的環(huán)拉力

T=—(14—37)

cose

式中&-錐管的半錐頂角：

G-計算點處的錐管半徑。

T沿LM方向單位長度的垂直分量為

epxcosa

V\=Tcos3cosa=-———(14—38)

cos5&

圖13-25中的分力凡'分解為作用在相貫線平面內(nèi)沿豎軸y表示的水平分量

式中a-支管軸線與主管軸線所夾之銳角；

y-相貫線垂直坐標(biāo)，見圖13-25(c)；

a、b-相貫線的半長軸和半短軸，其值為

?ay2sinacosa,、

H\=-p,/---------5——(14—39)

1/厄耳cos2^

其中R為主管半徑。

上述匕和*1是一側(cè)支管作用于相貫線LM上的荷載，對丫形分岔，乘以2得總荷載；

對于不對稱的y形分岔，則應(yīng)分別以兩支管的參數(shù)代入式(13-38)和(13-39)求出相應(yīng)的荷載。

匕和名沿u、y軸的分布如圖13-25⑹。

2.管壁軸向力引起的荷載

管壁的軸向力有以下兒種情況：有悶頭、有錐管、有伸縮節(jié)及埋管等。

對支管有悶頭情況(如水壓試驗等)，單位周長管壁沿母線方向的軸力

T'=P'(14—40)

2cos6

對于埋管

7=理力一E8M(14—41)

cos6

式中"-鋼材的泊松比；

弓-鋼材的線膨脹系數(shù)；

5-鋼材的彈性模量；

M-溫差。

軸向力7'在相貫線上的垂直分量和水平分量

-u-b''

V2=7'sinesina1+--------tgdcosa(14—42)

一aE.R八.cos5cosa(u-bf}sinasin0……

H2=f!——fgesina----------------------------(14—43)

bsin5u也

式中u-相貫線橢圓曲線//a"+=1上計算點的橫坐標(biāo)值；

,,R

b=a-----------

sin(a+&)

其他符號同前。/和*2亦為一個支管引起的荷載，方向示于圖13-25(c)中。

以上為相貫線LM上的荷載。相貫線CD和C'。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。

(-)貼邊岔管

貼邊岔管在相貫線的兩側(cè)用補(bǔ)強(qiáng)板加固，如圖13-26所示。補(bǔ)強(qiáng)板與管壁焊接，可加于

管外，也可同時加于管內(nèi)和管外。我國早期建造的幾個水電站多采用這種岔管。貼邊岔管的

特點是補(bǔ)強(qiáng)板的剛度較小(與后面的加固梁比較)，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時不宜采用貼邊岔管。

圖13-26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，目前尚無他比較合理的分析方法，其壁厚可

近似的用下式確定

APR

(14—44)

[orh0cosd

式中R-計算管節(jié)的最大內(nèi)徑;

e-焊縫系數(shù);

塢-系數(shù)，取1.2-1.5,d/D小者取小值；

〔Ei-膜應(yīng)力區(qū)的容許應(yīng)力，基本荷載時取，特殊荷載時取。

補(bǔ)強(qiáng)板可采用一層(置于管外)，d/D較大時可用兩層(管內(nèi)外各一層)，寬蝴(0.2-0.4)

d,厚度可與管壁厚度相同。

(-)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，如圖13-27所示。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用來加固主管管壁。

同時，兩根腰梁有協(xié)助U梁承受外力的功用。

圖13-27三梁岔管

加固梁的剛度比鄰近的管壁剛度要大得多，故在設(shè)計時，一般假定梁系承擔(dān)全部不平衡

區(qū)的內(nèi)水壓力。梁的斷面可計入°78而每側(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，如圖13-28(a)所示。

U梁的荷載如圖13-25(c)所示，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稱軸1-1的變截面懸臂梁進(jìn)行分析計算。

U梁的橫截面形式比較常用的有矩形和T形，圖13-28(b)和(c)所示。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，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梁的計算跨度，可將其部分嵌入管殼內(nèi)，如圖828(d)所示。嵌入的深度越大,

U梁的彎曲應(yīng)力越小，逐步使U梁過渡為受拉構(gòu)件。水工模型試驗表明，嵌人的U梁對水流

的影響視岔管的分流情況而定。對于設(shè)計的分流情況，水流比較對稱，嵌入的U梁對水流一

般無不良影響，甚至可熊有利；對于非設(shè)計情況（如一個支管為設(shè)計流量另一支管關(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13-18U形梁

三梁岔管的主要缺點是梁系中的應(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。由于梁的剛度較大，對管殼有較強(qiáng)的約束,

使梁附近的管殼產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。同時，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，三梁岔管雖有長期的設(shè)計?、制造和運(yùn)行的經(jīng)驗,

但由于存在上述缺點，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梁嵌入管殼能夠改

善其應(yīng)力狀態(tài)。月牙肋岔管用一個完全嵌入管殼內(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確定月牙肋的尺寸。

月牙肋岔管的主管為倒錐管，兩個支管為順錐管，三者有一公切球，如圖13-29所示。

主管采用倒錐管的目的有二：一是減小A點管壁的轉(zhuǎn)角丫（一般不超過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)的過流面積，以減小流速，

從而降低水頭損失。

圖13-29月牙肋岔管

月牙肋岔管的分岔角常用55。-90。，公切球的半徑取1.1-12倍主管半徑。月牙肋岔管的

壁厚用式(13-44)和下式求出而取其大者

3K郵

[cr]2^cos0(14—45)

式(13-44)用于膜應(yīng)力區(qū)，取1.0-1.1。式(13-45)用于局部應(yīng)力區(qū)，塢按圖13-30查取,

在基本荷載情況下取08弓，特殊荷載情況下取。

圖13-30應(yīng)力集中系數(shù)曲線

肋板的中央截面寬度'r可從圖8-31(a)中的經(jīng)驗曲線初步確定，曲線用于試驗工況,

曲線ni用于運(yùn)行工況。確定后，肋板內(nèi)緣尺寸可按圖1361(b)中的胡*三點成一拋物

/=—(孫—x)

線按通確定。肋板的厚度

w——+c(14—46)

3rHh

式中V為中央截面的作用力，可按《水工設(shè)計手冊》等文獻(xiàn)中的公式求取。［51在基本荷載

情況下取特殊荷載情況下取c為銹蝕裕量。0大體為管壁厚度的2.0-2.5

倍。

60

50?光相貫線

40

30

圖13-31決定月牙肋尺寸的經(jīng)驗曲線

由于月牙肋是按無矩要求設(shè)計的，荷載合力基本通過肋板截面形心，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，工藝較為簡單。

肋板的輪廓尺寸與分岔角（心、&）和兩順錐管的半錐角（劣，“）有關(guān)，?般說來，

全岔角越小、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，其他部位均無加固構(gòu)件，由管殼承擔(dān)全部內(nèi)水壓

力，故管殼的體型應(yīng)力求平順。結(jié)構(gòu)模型試驗表明，管壁轉(zhuǎn)折處A點是一個薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)控

制轉(zhuǎn)折角Y勿使過大。

水工模型試驗表明，在設(shè)計分流情況下，月牙肋岔管具有良好的流態(tài)，但在非對稱水流

情況卜，插入的肋板對向一側(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?/p>

響較大，在設(shè)計岔管的體型時，應(yīng)注意使肋板平面叮主流方向一致。

（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，如圖13-32所示。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。兩相鄰開孔間的最短弧長

/.>-'啊一=244^7(14-47)

R和力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13-32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。球殼的厚度與可按

內(nèi)水壓力確定，即

2+C(14—48)

2皿辦

式中系數(shù)給取1.1-1.2；〔Ei在基本荷載情況下取,特殊荷我情況下取07b,：①

為焊縫系數(shù)，取0.9-0-95；C為銹蝕裕量，取2mm。

主、支管的軸向力對球殼應(yīng)力有很大影響，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)認(rèn)真對待。對于垂直方向的支管

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

力將無法平衡。

補(bǔ)強(qiáng)環(huán)一般為鍛件，其微面積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

F=------------(ir+.057?2cosasina)(14—49)

式中外-補(bǔ)強(qiáng)環(huán)截面形心的半徑；

為、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)和球殼連接點的半徑及與球心所夾之角；

b-補(bǔ)強(qiáng)環(huán)順流向的寬度；

5°-球殼設(shè)計膜應(yīng)力。

球形岔管突然擴(kuò)大的球體對水流不利。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)無梁岔管

無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

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，