10——压力管道(二)

《水电站》2009年11月第七节分岔管三梁岔管一、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水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。2、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。二、岔管的布置形式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。对称Y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1、贴边式岔管贴边式岔管是在卜形布置的主、支管相贯线两侧用补强板加固，补强板与管壁焊固形成一个整体。补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。常用于中、低水头卜型布置的地下埋管。由相贯线上的两根腰梁和一根U梁构成三梁岔U梁承受较大的不平衡水压力，其受力非常复杂。适用：内压较高、直径不大的明管道。2、三梁岔管三梁岔管3、月牙肋岔管用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。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。适用：大中型电站。4、球形岔管通过球面体进行分岔，由球壳，圆柱形主、支管以及补强环和导流板等组成。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。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。5、无梁岔管用直径较大的锥管和球壳沿切线方向衔接，使球壳只剩下上下两个面积不大的三角形，并在主、支管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、无太大不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管。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。第八节地下埋管(buriedpenstock)施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）→安装钢管→回填混凝土→接处灌浆。大型水电站中应用较多。地下埋管施工中一、地下埋管的布置形式类型：斜井、竖井、平洞。1.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，一般都自下而上进行。2.斜井：适用于地面和地下厂房，采用得最多。为了施工出渣方便，倾角大于45˚(自下而上开挖)或不小于35˚(自上而下)。3.平洞：作为过渡段使用。尽量布置在坚固完整的岩体中。二、地下埋管的结构和构造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，尤其是平洞的顶部。在围岩/混凝土/钢管之间存在缝隙，需要用灌浆进行处理，压力不小于0.2MPa。对于不太完整的围岩，需要进行固结灌浆处理，灌浆压力0.5~1.0MPa，深度2~4m。地下水位较高地区，可打排水洞(效果好)、设排水管(易堵塞)，也可外设加劲环。三、钢衬承受内压时的强度计算假定：围岩、混凝土、钢管为弹性各向同性体。混凝土和钢衬施工后无初始应力。钢衬与混凝土垫层、混凝土垫层与围岩之间存在微小的缝隙。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。计算内容：(1)在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力σθ；(2)在已知钢衬允许应力的情况下求解钢衬厚度。钢衬应力的计算公式：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ErKK/100100Pr1001ErK101100Pr上面两个公式中：P—内水压力E—钢衬的弹性模量μ—钢衬的泊松比K—围岩的弹性抗力系数K0—单位弹性抗力系数Δ—钢衬/混凝土/围岩之间的缝隙宽度E'=E/(1-μ2)φ—焊缝系数影响钢衬应力因素的分析1.围岩的弹性模量或抗力系数。Er=100(1+μr)K0。算例：r1=2m，壁厚1.2cm，P=2MPa，Δ=0。则K0=0时，σ=333MPa。而K0=40MPa/cm时，σ=85.5MPa。应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量。途径：灌浆。2.初始缝隙。算例：与上相同，取K0=40MPa，当Δ由0变为1mm时，σ由85.5变为171MPa。可见缝隙对应力影响很大，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，要进行接触灌浆。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。总缝隙。Δ0=(3~5)×10-4r四、钢管承受外压时的稳定校核下弯段钢管底部隆起锚环焊缝开裂响水水电站高压埋管失稳破坏(一)钢衬的外压荷载(1)地下水压力。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。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。接缝灌浆压力一般为0.2MPa。(3)回填混凝土时流态混凝土的压力。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重乘以浇筑高度。(二)埋管钢衬在外压下失稳的特征外压↑→钢衬屈曲→钢衬变形达到Δ0→外压继续增加→钢衬发生更多波形的屈曲→钢衬应力值↑→钢衬应力达到材料屈服值→失稳。埋管钢衬在外压下失稳的特征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。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。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。(三)光面钢衬临界压力计算国内外实际工程的地下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Amstutz公式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。我国钢管设计规范推荐使用阿氏公式。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，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σs。1.Amstutz公式计算时由第1式先用试算法求出σN，再由第2式求Pcr。如果采用高强度钢，若σs0.67σb(σb为钢材的极限强度)，则采用σs=0.67σb。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。2/3211121ErrENNErrNsNs010145.01)(46.3ErrPNsNcr)(35.010112.经验公式：该公式是根据38个不同国家、不同试验者在不同时期得出的模型试验资料，用回归分析的方法建立的，其相关性很好。计算时，Pcr和σs的单位均采用N/mm2。25.07.113440scrrP(四)加劲环式钢管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。加劲环断面：用Amstutz公式计算，但计算几何参数用等效截面(长度1.56(rδ)0.5+a)。锚筋式钢管用经验公式校核：n-同一截面上的锚筋数，l-锚筋间距43.08.164.04.021552rnlrnPscr(五)防止钢衬受外压失稳的措施1.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；2.精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小缝隙，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；3.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。第九节混凝土坝体压力管道按布置方式可分为三种：坝内埋管、坝体下游面管道、坝上游面管道。坝内埋管坝体下游面管道坝上游面管道一、坝内埋管管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。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。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平斜式布置竖直式布置平面上的布置形式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横缝相互错开。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，管道在平面上不得不转向一侧布置，这时钢管两侧外包混凝土厚度不同。管道在坝内的平面布置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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，钢管安装完毕以后再用混凝土回填，期施工干扰小，但工期较长坝内埋管的结构计算有限元方法近似方法：见教材二、坝后背管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。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坝下游面明钢管。现场安装工作量小，进度快，与坝体施工干扰小。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。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。本章小结压力管道功用和基本类型。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。压力管道的线路选择原则、压力管道的供水方式和管径确定。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、地质条件确定压力管道的供水方式和引进方式。压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之一。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。明钢管的敷设方式和支承方式。为了减小温度应力，明钢管的敷设方式通常采用分段式。作用在压力管道上的荷载及其组合，明钢管的设计计算。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(不计支承环的影响)的应力计算和强度校核，在外压作用下管道的稳定分析。地下埋管的工作原理。要求掌握地下埋管的工作特点。坝内压力管道的布置方式和工作原理。思考题1.压力水管的功用、特点是什么?压力水管的类型有几种?各适用什么条件?2.压力水管的线路选择布置原则是什么?3.压力水管的供水方式、引进方式、敷设方式有哪几种?各自的优缺点和适用条件是什么?4.作用在露天压力钢管上有哪些力?试分析正常运行、检修、温升、温降情况下力的组合和方向。5.镇墩、支墩的作用是什么?各有几种类型？其优缺点是什么?简述镇墩、支墩的设计步骤。6.简述露天压力钢管应力分析的方法与步骤。7.为什么要进行钢管弹性稳定分析?如何进行?8.影响地下埋管钢衬应力的因素有哪些？9.地下埋管钢衬为什么要校核外压稳定？承受的外压荷载有哪些？外压失稳的特征？10.如何防止地下埋管钢衬外压失稳？11.简述混凝土坝内埋管的布置原则和布置方式，及其优缺点。12.坝后背管有哪几种结构形式，其优缺点如何？压力管道作业某水电站地面压力管道布置型式如图所示。已知钢管直径D=2m，末跨中心断面的计算水头(包括水击压力)为56.25m，支座断面的计算水头为49.08m，伸缩节断面的计算水头为7.89m，支承环间距16m，计算段上下镇墩间距64m，钢管轴线与水平面倾角