10水電站壓力管道(二)

1、水 電 站20071第七節(jié) 分岔管三梁岔管一、分岔管的功用、特點1、功用：作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時，需要設(shè)置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。2、特點水流條件較差，引起的水頭損失較大；岔管由薄殼和剛度較大的加強構(gòu)件組成，管壁厚，構(gòu)件尺寸大，有時需鍛造，焊接工藝要求高，造價較高；受力條件差，所承受的靜動水壓力最大，又靠近廠房，其安全性十分重要。我國已經(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，即不考慮周圍巖體分擔荷載。二、岔管的布置形式卜形布置?？v向引近和斜向引進的廠房常采用這種布置方式。對稱Y形布置。適用于正向引近的廠房。三岔形布置。適用于正向引近的廠房。三、幾種常用的岔

2、管1、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)用補強板加固，補強板與管壁焊固形成一個整體。補強板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力由補強板和管壁共同承擔。常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。 由相貫線上的兩根腰梁和一根U梁構(gòu)成三梁岔U梁承受較大的不平衡水壓力，其受力非常復(fù)雜。適用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。 2、三梁岔管三梁岔管3、月牙肋岔管用一個嵌入管體內(nèi)的月牙形肋板來代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。在三梁岔管基礎(chǔ)上發(fā)展 而來，目前在我國已基本取代了三梁岔管。適用：大中型電站。4、球形岔管通過球面體進行分岔，由球殼，圓柱形主、支管以及補強環(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

3、同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的一半。適用：高水頭大中型電站。是國外采用比較多的一種成熟管型，國內(nèi)應(yīng)用尚少。 5、無梁岔管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) 逐漸擴大的過渡段，構(gòu)成一個比較平順的、無太大不連續(xù)接合線的體型，從而形成無梁岔管。 有發(fā)展前途的管型，能發(fā)揮與圍巖共同受力的優(yōu)點。目前國內(nèi)應(yīng)用較少。 第八節(jié) 地下埋管(buried penstock )施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支護等）安裝鋼管回填混凝土接處灌漿。大型水電站中應(yīng)用較多。地下埋管施工中一、地下埋管的布置形式類型：斜井、豎井、平洞。豎井：常用于首部式開發(fā)的地下

4、電站，豎井的開挖、鋼管的安裝、混凝土的回填，一般都自下而上進行。斜井：適用于地面和地下廠房，采用得最多。為了施工出渣方便，傾角大于45(自下而上開挖)或不小于35(自上而下) 。平洞：作為過渡段使用。盡量布置在堅固完整的巖體中。二、地下埋管的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳遞給圍巖，必須嚴格控制混凝土的回填質(zhì)量，尤其是平洞的頂部。在圍巖/混凝土/鋼管之間存在縫隙，需要用灌漿進行處理，壓力不小于0.2MPa。對于不太完整的圍巖，需要進行固結(jié)灌漿處理，灌漿壓力0.51.0MPa，深度24m。地下水位較高地區(qū)，可打排水洞(效果好)、設(shè)排水管(易堵塞)，也可外設(shè)加勁環(huán)。三、鋼襯承受內(nèi)壓時的

5、強度計算假定：圍巖、混凝土、鋼管為彈性各向同性體?；炷梁弯撘r施工后無初始應(yīng)力。鋼襯與混凝土墊層、混凝土墊層與圍巖之間存在微小的縫隙?；炷翂|層承受荷載開裂以后只傳遞徑向壓力，不承擔環(huán)向荷載。計算內(nèi)容：(1) 在已知鋼管厚度情況下，求鋼襯應(yīng)力；(2) 在已知鋼襯允許應(yīng)力的情況下求解鋼襯厚度。鋼襯應(yīng)力的計算公式：給定允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)的情況下，求管壁厚度的計算公式上面兩個公式中：P內(nèi)水壓力E鋼襯的彈性模量鋼襯的泊松比K圍巖的彈性抗力系數(shù)K0單位彈性抗力系數(shù)鋼襯/混凝土/圍巖之間 的縫隙寬度E=E/(1- 2)焊縫系數(shù)影響鋼襯應(yīng)力因素的分析圍巖的彈性模量或抗力系數(shù)。Er=100(1+r)K0。算例

6、：r1=2m，壁厚1.2cm，P=2MPa，=0。則K0=0時，=333MPa。而K0=40MPa/cm時，=85.5MPa。應(yīng)該盡量改善圍巖的質(zhì)量，提高其彈性模量。途徑：灌漿。初始縫隙。算例：與上相同，取K0=40MPa，當由0變?yōu)?mm時，由85.5變?yōu)?71MPa?？梢娍p隙對應(yīng)力影響很大，但其確定非常困難。施工縫隙：由混凝土的收縮和施工質(zhì)量不良造成，要進行接觸灌漿。巖石的蠕變縫隙：由巖體的殘余變形形成溫降縫隙：在初始縫隙中占比重較大?？偪p隙。0=(35) 10-4r 四、鋼管承受外壓時的穩(wěn)定校核下彎段鋼管底部隆起錨環(huán)焊縫開裂響水水電站高壓埋管失穩(wěn)破壞(一)鋼襯的外壓荷載(1) 地下水壓力

7、。鋼襯所受地下水壓力值，可根據(jù)勘測資料選定。根據(jù)最高地下水位線來確定外水壓力值是穩(wěn)妥的，但常會使設(shè)計值過高。同時要分析水庫蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等對地下水位的影響。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0.2MPa。(3)回填混凝土時流態(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澆筑高度。(二) 埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征 外壓鋼襯屈曲鋼襯變形達到0外壓繼續(xù)增加鋼襯發(fā)生更多波形的屈曲鋼襯應(yīng)力值鋼襯應(yīng)力達到材料屈服值失穩(wěn)。埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征鋼村承受流態(tài)混凝土壓力時，因鋼襯尚無約束，類似明鋼管承受外壓。鋼村在承受地下水

8、壓力和灌漿壓力時，已經(jīng)受到混凝土墊層的約束。灌漿壓力沿管周不是均布的，地下水壓力則可認為是均布的。埋管鋼襯在周圍巖石的約束下承受外壓力產(chǎn)生變形時，如果外壓值增加到一定值時，鋼襯將發(fā)生塑性流動而導(dǎo)致大變形，部分鋼襯脫離混凝土，而其余部分鋼襯則與混凝土緊密接觸，此時鋼襯已喪失其使用性能，其相應(yīng)的外壓力為臨界壓力。埋管鋼襯的臨界壓力與材料的屈服強度和初始縫隙值直接有關(guān)。這是埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要區(qū)別。(三) 光面鋼襯臨界壓力計算 國內(nèi)外實際工程的地下埋管失穩(wěn)破壞和模型實驗失穩(wěn)破壞的實例說明，其破壞形態(tài)與Amstutz公式假設(shè)的變形形態(tài)相符，阿氏公式的計算結(jié)果比較接近模型試驗值。我國鋼管設(shè)計規(guī)范

9、推薦使用阿氏公式。阿氏假定，當外壓超過鋼襯的臨界外壓時，一部分的鋼襯首先失穩(wěn)，屈曲成三個半波，一個向內(nèi)，兩個向外。在被壓屈部分，鋼襯中的最大應(yīng)力達到了材料的屈服強度s。 1. Amstutz公式計算時由第1式先用試算法求出N，再由第2式求Pcr。如果采用高強度鋼，若s0.67b(b為鋼材的極限強度)，則采用s=0.67b。影響埋管外壓穩(wěn)定的因素很多，而且很多因素難于確定。因此理論公式的計算結(jié)果只能起參考作用。2. 經(jīng)驗公式：該公式是根據(jù)38個不同國家、不同試驗者在不同時期得出的模型試驗資料，用回歸分析的方法建立的，其相關(guān)性很好。計算時，Pcr和s的單位均采用N/mm2。(四) 加勁環(huán)式鋼管環(huán)間

10、管壁：按明管穩(wěn)定公式計算。即認為縫隙值很大，這樣偏于安全。加勁環(huán)斷面：用Amstutz公式計算，但計算幾何參數(shù)用等效截面(長度1.56(r)0.5+a)。 錨筋式鋼管 用經(jīng)驗公式校核： n-同一截面上的錨筋數(shù)，l-錨筋間距(五) 防止鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施降低地下水水壓力是防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法，措施是排水廊道結(jié)合排水孔；精心施工做好鋼襯與混凝土之間的灌漿，減小縫隙，但灌漿時要注意鼓包問題，可采取臨時措施或限制灌漿壓力；流態(tài)混凝土的壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或限制澆筑高度。第九節(jié) 混凝土壩體壓力管道按布置方式可分為三種：壩內(nèi)埋管、壩體下游面管道、壩上游面管道。壩內(nèi)埋管 壩體下游面管道壩上游面管道一

11、、壩內(nèi)埋管管道穿過混凝土壩體，全部埋在壩體內(nèi)。布置原則盡量縮短管道的長度；減少管道空腔對壩體應(yīng)力的不利影響。減少管道對壩體施工的干擾并有利于管道安裝和施工。布置形式傾斜式布置平式和平斜式布置 豎直式布置 傾斜式布置平斜式布置 豎直式布置平面上的布置形式在平面上，壩內(nèi)埋管最好布置在壩段中央，管徑不宜大于壩段寬度的三分之一。這樣，管外兩側(cè)混凝土較厚，且受力對稱。通常在這種情況下，廠壩之間有縱縫，廠房機組段間橫縫與壩段間的橫縫相互錯開。壩與廠房之間不設(shè)縱縫而廠壩連成整體時，由于二者橫縫也必須在一條直線上，管道在平面上不得不轉(zhuǎn)向一側(cè)布置，這時鋼管兩側(cè)外包混凝土厚度不同。管道在壩內(nèi)的平面布置 埋設(shè)方式：

12、用軟墊層將管道與壩體分開受力明確；管道與壩體結(jié)合為整體混凝土承受部分內(nèi)水壓力施工方法：安裝一段鋼管，澆筑一層混凝土，可省去二期混凝土，但施工干擾較大預(yù)留鋼管槽，鋼管安裝完畢以后再用混凝土回填，期施工干擾小，但工期較長壩內(nèi)埋管的結(jié)構(gòu)計算有限元方法近似方法：見教材二、壩后背管大型壩后式水電站將鋼管布置在混凝土壩的下游壩面上，形成下游面管道，或稱為壩后背管。優(yōu)點：便于布置；減少管道空腔對壩體的削弱，有利于壩體安全；壩體施工不受管道施工與安裝的干擾，可以提高壩體施工的質(zhì)量，并加快進度和提前發(fā)電；管道可以隨機組的投產(chǎn)先后分期施工，有利于合理安排施工進度，且減少投資積壓，機組臺數(shù)較多時，效益更為顯著。壩后

13、背管的結(jié)構(gòu)型式壩下游面明鋼管?，F(xiàn)場安裝工作量小，進度快，與壩體施工干擾小。但當鋼管直徑和水頭很大時，會引起鋼管材料和工藝上的技術(shù)困難。敷設(shè)在下游壩面上的明管一旦失事，水流直沖廠房，后果嚴重。 壩下游面鋼襯鋼筋混凝土管。管道是內(nèi)襯鋼板外包鋼筋混凝土的組合結(jié)構(gòu)，用壩下游面的鍵槽及錨筋與壩體固定。鋼襯與外包混凝土之間不設(shè)墊層，二者共同承受內(nèi)水壓力等荷載。 本 章 小 結(jié)壓力管道功用和基本類型。中高水頭電站一般采用焊接鋼管，低水頭電站有時可采用鋼筋混凝土管。壓力管道的線路選擇原則、壓力管道的供水方式和管徑確定。應(yīng)根據(jù)電站的不同情況，結(jié)合電站的開發(fā)方式、水頭、流量及管道的長短、地形、地質(zhì)條件確定壓力管道

14、的供水方式和引進方式。壓力管道直徑的確定是壓力管道的主要設(shè)計內(nèi)容之一。大型壓力管道的經(jīng)濟直徑是動能經(jīng)濟計算確定的，初步設(shè)計時可采用經(jīng)驗公式和經(jīng)濟流速方法。明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式。為了減小溫度應(yīng)力，明鋼管的敷設(shè)方式通常采用分段式。 作用在壓力管道上的荷載及其組合，明鋼管的設(shè)計計算。要求掌握明鋼管上的軸向力、法向力和徑向力的計算方法，明鋼管跨中斷面和跨端(不計支承環(huán)的影響)的應(yīng)力計算和強度校核，在外壓作用下管道的穩(wěn)定分析。地下埋管的工作原理。要求掌握地下埋管的工作特點。 壩內(nèi)壓力管道的布置方式和工作原理。思 考 題壓力水管的功用、特點是什么?壓力水管的類型有幾種?各適用什么條件?壓力水管的線路

15、選擇布置原則是什么?壓力水管的供水方式、引進方式、敷設(shè)方式有哪幾種?各自的優(yōu)缺點和適用條件是什么?作用在露天壓力鋼管上有哪些力?試分析正常運行、檢修、溫升、溫降情況下力的組合和方向。鎮(zhèn)墩、支墩的作用是什么?各有幾種類型？其優(yōu)缺點是什么?簡述鎮(zhèn)墩、支墩的設(shè)計步驟。6.簡述露天壓力鋼管應(yīng)力分析的方法與步驟。7.為什么要進行鋼管彈性穩(wěn)定分析?如何進行?8. 影響地下埋管鋼襯應(yīng)力的因素有哪些？9.地下埋管鋼襯為什么要校核外壓穩(wěn)定？承受的外壓荷載有哪些？外壓失穩(wěn)的特征？10.如何防止地下埋管鋼襯外壓失穩(wěn)？11.簡述混凝土壩內(nèi)埋管的布置原則和布置方式，及其優(yōu)缺點。12.壩后背管有哪幾種結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)缺點如何？壓力管道作業(yè)某水電站地面壓力管道布置型式如圖所示。 已知鋼管直徑D=2m，末跨中心斷面的計算水頭(包括水擊壓力)為56.25m，支座斷面的計算水頭為49.08m，伸縮節(jié)斷面的計算水頭為7.89m，支承環(huán)間距16m，計算段上下鎮(zhèn)墩間距64m，鋼管軸線與水平面傾角為44，伸縮節(jié)距上鎮(zhèn)墩2m，伸縮節(jié)內(nèi)止水填料長度b=30cm，填料與管壁摩擦系數(shù)為0.3，支承環(huán)的摩擦系數(shù)為0.1，鋼管采用A3鋼。下鎮(zhèn)墩的上游端管中心的計算水頭為63.4m，鎮(zhèn)墩下游端和下游伸縮節(jié)中心計算水頭近似相等，取為66.1m，鎮(zhèn)