7 水电站压力管道b

1、水水 电电 站站 第七节第七节 分岔管分岔管 三梁岔管三梁岔管 一、分岔管的功用、特点一、分岔管的功用、特点 1、功用：作用是分配水流。采用联合供水或分组供、功用：作用是分配水流。采用联合供水或分组供 水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。 2、特点、特点 水流条件较差，引起的水头损失较大； 岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件 尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价较高； 受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房， 其安全性十分重要。 我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大 多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。

2、二、岔管的布置形式二、岔管的布置形式 v卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这 种布置方式。种布置方式。 v对称对称Y形布置。适用于正向引近的厂房。形布置。适用于正向引近的厂房。 v三岔形布置。适用于正向引近的厂房。三岔形布置。适用于正向引近的厂房。 三、几种常用的岔管三、几种常用的岔管 1、贴边式岔管、贴边式岔管 v贴边式岔管是在卜形布贴边式岔管是在卜形布 置的主、支管相贯线两置的主、支管相贯线两 侧用补强板加固，补强侧用补强板加固，补强 板与管壁焊固形成一个板与管壁焊固形成一个 整体。整体。 v补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和补强板刚

3、度较小，不平衡区的水压力由补强板和 管壁共同承担。管壁共同承担。 v常用于中、低水头卜型布置的地下埋管常用于中、低水头卜型布置的地下埋管。 v由相贯线上的两根由相贯线上的两根 腰梁和一根腰梁和一根U梁构梁构 成三梁岔成三梁岔 vU梁承受较大的不平梁承受较大的不平 衡水压力，其受力非衡水压力，其受力非 常复杂。常复杂。 v适用：内压较高、直径不大的明管道。适用：内压较高、直径不大的明管道。 2、三梁岔管、三梁岔管 三梁岔管三梁岔管 3、月牙肋岔管、月牙肋岔管 v用一个嵌入管体内的用一个嵌入管体内的 月牙形肋板来代替三月牙形肋板来代替三 梁岔管的梁岔管的U梁，并取梁，并取 消腰梁。消腰梁。 v在三

4、梁岔管基础上发展在三梁岔管基础上发展 而来，目前在我国已基本取代了三梁岔管。而来，目前在我国已基本取代了三梁岔管。 v适用：大中型电站。适用：大中型电站。 4、球形岔管、球形岔管 v通过球面体进行分岔，通过球面体进行分岔， 由球壳，圆柱形主、支由球壳，圆柱形主、支 管以及补强环和导流板管以及补强环和导流板 等组成。等组成。 v在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环 向应力的一半。向应力的一半。 v适用：高水头大中型电站。是国外采用比较多的适用：高水头大中型电站。是国外采用比较多的 一种成熟管型，国内应用尚少。一种成熟管型，国内应用尚少。 5、无梁岔

5、管无梁岔管 v用直径较大的锥管和球壳用直径较大的锥管和球壳 沿切线方向衔接，使球壳沿切线方向衔接，使球壳 只剩下上下两个面积不大只剩下上下两个面积不大 的三角形，并在主、支管的三角形，并在主、支管 和这些锥管之间插入几节和这些锥管之间插入几节 逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大 不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管。不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管。 v有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。 目前国内应用较少。目前国内应用较少。 第八节第八节 地下埋管地下埋管(buried pens

6、tock ) u施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）安安 装钢管装钢管回填混凝土回填混凝土接处灌浆。接处灌浆。 u大型水电站中应用较多。大型水电站中应用较多。 地地 下下 埋埋 管管 施施 工工 中中 一、地下埋管的布置形式一、地下埋管的布置形式 类型：斜井、竖井、平洞类型：斜井、竖井、平洞。 v竖井：常用于首部式开发的地下电站，竖井的竖井：常用于首部式开发的地下电站，竖井的 开挖、钢管的安装、混凝土的回填，一般都自开挖、钢管的安装、混凝土的回填，一般都自 下而上进行。下而上进行。 v斜井：适用于地面和地下厂房，采用得最多。斜井：适用于地面和地下厂房，采

7、用得最多。 为了施工出渣方便，倾角大于为了施工出渣方便，倾角大于45(自下而上开挖自下而上开挖) 或不小于或不小于35(自上而下自上而下) 。 v平洞：作为过渡段使用。平洞：作为过渡段使用。 尽量布置在坚固完整的岩体中尽量布置在坚固完整的岩体中。 二、地下埋管的结构和构造二、地下埋管的结构和构造 v回填混凝土的功用是将部分内水压力传递给围岩，回填混凝土的功用是将部分内水压力传递给围岩， 必须严格控制混凝土的回填质量，尤其是平洞的顶必须严格控制混凝土的回填质量，尤其是平洞的顶 部。部。 v在围岩在围岩/混凝土混凝土/钢管之间存在缝隙，需要用灌浆进钢管之间存在缝隙，需要用灌浆进 行处理，压力不小于

8、行处理，压力不小于0.2MPa。 v对于不太完整的围岩，需要进行固结灌浆处理，灌对于不太完整的围岩，需要进行固结灌浆处理，灌 浆压力浆压力0.51.0MPa，深度，深度24m。 v地下水位较高地区，可打排水洞地下水位较高地区，可打排水洞(效果好效果好)、设排水、设排水 管管(易堵塞易堵塞)，也可外设加劲环。，也可外设加劲环。 三、钢衬承受内压时的强度计算三、钢衬承受内压时的强度计算 假定：假定： v围岩、混凝土、钢管为弹性各向同性体。围岩、混凝土、钢管为弹性各向同性体。 v混凝土和钢衬施工后无初始应力。混凝土和钢衬施工后无初始应力。 v钢衬与混凝土垫层、混凝土垫层与围岩之间存在钢衬与混凝土垫层

9、、混凝土垫层与围岩之间存在 微小的缝隙。微小的缝隙。 v混凝土垫层承受荷载开裂以后只传递径向压力，混凝土垫层承受荷载开裂以后只传递径向压力， 不承担环向荷载。不承担环向荷载。 v计算内容：计算内容：(1) 在已知钢管厚度情况下，求钢衬应在已知钢管厚度情况下，求钢衬应 力力；(2) 在已知钢衬允许应力的情况下求解钢衬在已知钢衬允许应力的情况下求解钢衬 厚度。厚度。 v钢衬应力的计算公式：钢衬应力的计算公式： v给定允许应力和焊缝系数的情况下，求管壁厚度的给定允许应力和焊缝系数的情况下，求管壁厚度的 计算公式计算公式 ErK K /100 100Pr 10 01 E r K 1 0 1 100 P

10、r 上面两个公式中：上面两个公式中： P内水压力内水压力 E钢衬的弹性模量钢衬的弹性模量 钢衬的泊松比钢衬的泊松比 K围岩的弹性抗力系数围岩的弹性抗力系数 K0单位弹性抗力系数单位弹性抗力系数 钢衬钢衬/混凝土混凝土/围岩之间围岩之间 的缝隙宽度的缝隙宽度 E=E/(1- 2) 焊缝系数焊缝系数 影响钢衬应力因素的分析影响钢衬应力因素的分析 1. 围岩的弹性模量或抗力系数。围岩的弹性模量或抗力系数。Er=100(1+r)K0。 算例：算例：r1=2m，壁厚，壁厚1.2cm，P=2MPa，=0。则。则 K0=0时，时，=333MPa。而。而K0=40MPa/cm时，时， =85.5MPa。 应该

11、尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量。应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量。 途径：灌浆。途径：灌浆。 v 初始缝隙。初始缝隙。 算例：与上相同，取算例：与上相同，取K0=40MPa，当，当由由0变为变为 1mm时，时，由由85.5变为变为171MPa。可见缝隙。可见缝隙对应对应 力影响很大，但其确定非常困难。力影响很大，但其确定非常困难。 施工缝隙：由混凝土的收缩和施工质量不良造成，要施工缝隙：由混凝土的收缩和施工质量不良造成，要 进行接触灌浆。进行接触灌浆。 岩石的蠕变缝隙：由岩体的残余变形形成岩石的蠕变缝隙：由岩体的残余变形形成 温降缝隙：在初始缝隙中占比重较大。温降缝隙：在初始缝隙中占

12、比重较大。 总缝隙。总缝隙。0=(35) 10-4r 四、钢管承受外压时的稳定校核四、钢管承受外压时的稳定校核 下弯段钢管底部隆起下弯段钢管底部隆起 锚环焊缝开裂锚环焊缝开裂 响水水电站高压埋管失稳破坏响水水电站高压埋管失稳破坏 ( (一一) )钢衬的外压荷载钢衬的外压荷载 (1) 地下水压力。地下水压力。钢衬所受地下水压力值，可根据勘钢衬所受地下水压力值，可根据勘 测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压 力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分 析水库蓄水和引水系统渗漏等对地下水位的影响。析水库蓄水和引

13、水系统渗漏等对地下水位的影响。 地下水位线一般不应超过地面。地下水位线一般不应超过地面。 (2)钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。接缝灌浆压力接缝灌浆压力 一般为一般为0.2MPa。 (3)回填混凝土时流态混凝土的压力。回填混凝土时流态混凝土的压力。其值决定于混其值决定于混 凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容 重乘以浇筑高度。重乘以浇筑高度。 (二) 埋管钢衬在外压下失稳的特征 外压外压钢衬屈曲钢衬屈曲钢衬变形达到钢衬变形达到0外压继续增加外压继续增加 钢衬发生更多波形的屈曲钢衬发生更多波形的屈曲钢衬应力值钢衬应力值钢

14、衬钢衬 应力达到材料屈服值应力达到材料屈服值失稳。失稳。 埋管钢衬在外压下失稳的特征 v 钢村承受流态混凝土压力时，因钢衬尚无约束，类似明钢钢村承受流态混凝土压力时，因钢衬尚无约束，类似明钢 管承受外压。钢村在承受地下水压力和灌浆压力时，已经管承受外压。钢村在承受地下水压力和灌浆压力时，已经 受到混凝土垫层的约束。灌浆压力沿管周不是均布的，地受到混凝土垫层的约束。灌浆压力沿管周不是均布的，地 下水压力则可认为是均布的。下水压力则可认为是均布的。 v 埋管钢衬在周围岩石的约束下承受外压力产生变形时，如埋管钢衬在周围岩石的约束下承受外压力产生变形时，如 果外压值增加到一定值时，钢衬将发生塑性流动而

15、导致大果外压值增加到一定值时，钢衬将发生塑性流动而导致大 变形，部分钢衬脱离混凝土，而其余部分钢衬则与混凝土变形，部分钢衬脱离混凝土，而其余部分钢衬则与混凝土 紧密接触，此时钢衬已丧失其使用性能，其相应的外压力紧密接触，此时钢衬已丧失其使用性能，其相应的外压力 为临界压力。为临界压力。 v 埋管钢衬的临界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值直接埋管钢衬的临界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值直接 有关。这是埋管与明钢管外压下失稳的重要区别。有关。这是埋管与明钢管外压下失稳的重要区别。 (三三) 光面钢衬临界压力计算光面钢衬临界压力计算 v国内外实际工程的地下埋管失稳破坏和模型实验国内外实际工程的地下

16、埋管失稳破坏和模型实验 失稳破坏的实例说明，其破坏形态与失稳破坏的实例说明，其破坏形态与Amstutz公式公式 假设的变形形态相符，阿氏公式的计算结果比较假设的变形形态相符，阿氏公式的计算结果比较 接近模型试验值。接近模型试验值。 v我国钢管设计规范推荐使用阿氏公式。我国钢管设计规范推荐使用阿氏公式。 v阿氏假定，当外压超过钢衬的临界外压时，一部阿氏假定，当外压超过钢衬的临界外压时，一部 分的钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内，分的钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内， 两个向外。在被压屈部分，钢衬中的最大应力达两个向外。在被压屈部分，钢衬中的最大应力达 到了材料的屈服强度到了材料的屈服

17、强度s。 1. Amstutz公式公式 v 计算时由第计算时由第1式先用试算法求出式先用试算法求出N，再由第，再由第2式求式求Pcr。 v 如果采用高强度钢，若如果采用高强度钢，若s0.67b(b为钢材的极限强度为钢材的极限强度)，则，则 采用采用s=0.67b。 v 影响埋管外压稳定的因素很多，而且很多因素难于确定。影响埋管外压稳定的因素很多，而且很多因素难于确定。 因此理论公式的计算结果只能起参考作用。因此理论公式的计算结果只能起参考作用。 2/3 2 1 1 121 E r r E N N E rr Ns Ns 01 0 1 45. 01)(46. 3 E rr P Ns N cr )(

18、 35. 01 011 2. 经验公式：经验公式： v该公式是根据该公式是根据38个不同国家、不同试验者在不个不同国家、不同试验者在不 同时期得出的模型试验资料，用回归分析的方同时期得出的模型试验资料，用回归分析的方 法建立的，其相关性很好。法建立的，其相关性很好。 v计算时，计算时，Pcr和和s的单位均采用的单位均采用N/mm2。 25. 0 7 . 1 1 3440 scr r P (四四) 加劲环式钢管加劲环式钢管 v环间管壁：按明管稳定公式计算。即认为缝隙值很大，环间管壁：按明管稳定公式计算。即认为缝隙值很大， 这样偏于安全。这样偏于安全。 v加劲环断面：用加劲环断面：用Amstutz

19、公式计算，但计算几何参数公式计算，但计算几何参数 用等效截面用等效截面(长度长度1.56(r)0.5+a)。 锚筋式钢管锚筋式钢管 用经验公式校核：用经验公式校核： n-同一截面上的锚筋数，同一截面上的锚筋数，l-锚筋间距锚筋间距 43. 08 . 1 64. 04 . 0 2 1552 r nl r nP scr (五五) 防止钢衬受外压失稳的措施防止钢衬受外压失稳的措施 v降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法，降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法， 措施是排水廊道结合排水孔；措施是排水廊道结合排水孔； v精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减

20、小 缝隙，但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时缝隙，但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时 措施或限制灌浆压力；措施或限制灌浆压力； v流态混凝土的压力稳定可用临时支撑解决或限流态混凝土的压力稳定可用临时支撑解决或限 制浇筑高度。制浇筑高度。 第九节第九节 混凝土坝体压力管道混凝土坝体压力管道 v按布置方式可分为三种：按布置方式可分为三种：坝内埋管、坝体下游面坝内埋管、坝体下游面 管道、坝上游面管道管道、坝上游面管道。 坝内埋管坝内埋管 坝体下游面管道坝体下游面管道 坝上游面管道坝上游面管道 一、坝内埋管一、坝内埋管 v管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。 v布置

21、原则布置原则 尽量缩短管道的长度； 减少管道空腔对坝体应力的不利影响。 减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道安装和施 工。 v布置形式布置形式 倾斜式布置 平式和平斜式布置 竖直式布置 倾斜式布置倾斜式布置 平斜式布置平斜式布置 竖直式布置竖直式布置 平面上的布置形式平面上的布置形式 v在平面上，坝内埋管最好布置在坝段中央，管径在平面上，坝内埋管最好布置在坝段中央，管径 不宜大于坝段宽度的三分之一。这样，管外两侧不宜大于坝段宽度的三分之一。这样，管外两侧 混凝土较厚，且受力对称。通常在这种情况下，混凝土较厚，且受力对称。通常在这种情况下， 厂坝之间有纵缝，厂房机组段间横缝与坝段间的厂坝之间有纵

22、缝，厂房机组段间横缝与坝段间的 横缝相互错开。横缝相互错开。 v坝与厂房之间不设纵缝而厂坝连成整体时，由于坝与厂房之间不设纵缝而厂坝连成整体时，由于 二者横缝也必须在一条直线上，管道在平面上不二者横缝也必须在一条直线上，管道在平面上不 得不转向一侧布置，这时钢管两侧外包混凝土厚得不转向一侧布置，这时钢管两侧外包混凝土厚 度不同。度不同。 管道在坝内的平面布置管道在坝内的平面布置 v埋设方式：埋设方式： 用软垫层将管道与坝体分开受力明确； 管道与坝体结合为整体混凝土承受部分内水压 力 v施工方法：施工方法： 安装一段钢管，浇筑一层混凝土，可省去二期混凝 土，但施工干扰较大 预留钢管槽，钢管安装完

23、毕以后再用混凝土回填， 期施工干扰小，但工期较长 v坝内埋管的结构计算 n有限元方法有限元方法 n近似方法：见教材近似方法：见教材 二、坝后背管二、坝后背管 v大型坝后式水电站将钢管布置在混凝土坝的下游 坝面上，形成下游面管道，或称为坝后背管。 v优点：便于布置；减少管道空腔对坝体的削弱， 有利于坝体安全；坝体施工不受管道施工与安装 的干扰，可以提高坝体施工的质量，并加快进度 和提前发电；管道可以随机组的投产先后分期施 工，有利于合理安排施工进度，且减少投资积压， 机组台数较多时，效益更为显著。 坝后背管的结构型式坝后背管的结构型式 v坝下游面明钢管。现场安装工作量小，进 度快，与坝体施工干扰

24、小。但当钢管直径和 水头很大时，会引起钢管材料和工艺上的技术困 难。敷设在下游坝面上的明管一旦失事，水流直 冲厂房，后果严重。 v坝下游面钢衬钢筋混凝土管。管道是内衬钢 板外包钢筋混凝土的组合结构，用坝下游面的键 槽及锚筋与坝体固定。钢衬与外包混凝土之间不 设垫层，二者共同承受内水压力等荷载。 本本 章章 小小 结结 v压力管道功用和基本类型。压力管道功用和基本类型。中高水头电站一般采用中高水头电站一般采用 焊接钢管，低水头电站有时可采用钢筋混凝土管。焊接钢管，低水头电站有时可采用钢筋混凝土管。 v压力管道的线路选择原则、压力管道的供水方式和压力管道的线路选择原则、压力管道的供水方式和 管径确

25、定。管径确定。应根据电站的不同情况，结合电站的开应根据电站的不同情况，结合电站的开 发方式、水头、流量及管道的长短、地形、地质条发方式、水头、流量及管道的长短、地形、地质条 件确定压力管道的供水方式和引进方式。件确定压力管道的供水方式和引进方式。 v压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之 一。一。大型压力管道的经济直径是动能经济计算确定大型压力管道的经济直径是动能经济计算确定 的，初步设计时可采用经验公式和经济流速方法。的，初步设计时可采用经验公式和经济流速方法。 v明钢管的敷设方式和支承方式。明钢管的敷设方式和支承方式。为了减小温度应力，为了减小温度应力， 明钢管的敷设方式通常采用分段式。明钢管的敷设方式通常采用分段式。 v作用在压力管道上的荷载及其组合，明钢管的设计作用在压力管道上的荷载及其组合，明钢管的设计 计算。计算。要求掌握明钢管上的轴向力、法向力和径向要求掌握明钢管上的轴向力、法向力和径向 力的计算方法，明钢管跨中断面和跨端力的计算方法，明钢管跨中断面