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1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 电电 站站2007年7月第七节第七节 分岔管分岔管三梁岔管三梁岔管浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、三梁岔管、三梁岔管浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 逐
2、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。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 地下埋管地下埋管(buried penstock )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
3、下埋埋管管施施工工中中浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 。3.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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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ErKK/100100Pr1001 Er
4、K101100Pr浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 的缝隙宽度的缝隙宽度E=E/(1- 2)焊缝系数焊缝系数浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站
5、http:/ 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：在初始缝隙中占比重较大。 总缝隙。总缝隙。0=(35) 10-4r浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电
6、站http:/ 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浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (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
7、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。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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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
8、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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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
9、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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站htt
10、p:/ 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
11、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强度s。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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/
12、3211121ErrENNErrNsNs010145. 01)(46. 3ErrPNsNcr)(35. 01011浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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. 07 . 113440scrrP浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 加劲环式钢管加劲环
13、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 . 164. 04 . 021552rnlrnPscr浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 防止钢衬受外压失稳的措施防止钢衬受外压失稳的措施1.降低地下水
14、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；2.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；3.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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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
15、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浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 竖直式布置 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 竖直式布置竖直式布置浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家
16、精品课程水电站水电站http:/ 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
17、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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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，明钢管跨中断面和跨端(不计支承环不计支承环的影响的影响)的应力计算和强度校核
18、，在外压作用下管道的应力计算和强度校核，在外压作用下管道的稳定分析。的稳定分析。v地下埋管的工作原理。地下埋管的工作原理。要求掌握地下埋管的工作特要求掌握地下埋管的工作特点。点。 坝内压力管道的布置方式和工作原理。坝内压力管道的布置方式和工作原理。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 考考 题题1. 压力水管的功用、特点是什么压力水管的功用、特点是什么?压力水管的类型压力水管的类型有几种有几种?各适用什么条件各适用什么条件?2. 压力水管的线路选择布置原则是什么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、敷设方式有哪压力水管的供水方式、引进
19、方式、敷设方式有哪几种几种?各自的优缺点和适用条件是什么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作用在露天压力钢管上有哪些力?试分析正常运试分析正常运行、检修、温升、温降情况下力的组合和方向。行、检修、温升、温降情况下力的组合和方向。5. 镇墩、支墩的作用是什么镇墩、支墩的作用是什么?各有几种类型？其优各有几种类型？其优缺点是什么缺点是什么?简述镇墩、支墩的设计步骤。简述镇墩、支墩的设计步骤。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 影响地下埋管钢衬应力的因素有哪些？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
20、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？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？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，及简述混凝土坝内埋管的布置原则和布置方式，及其优缺点。其优缺点。12.坝后背管有哪几种结构形式，其优缺点如何？坝后背管有哪几种结构形式，其优缺点如何？浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 已知钢管直径已知钢管直径D=2m，末跨中心断面的计算水头末跨中心断面的计算水头(包括水击压力包括水击压力)为为56.25m，支座断面的计算水头为支座断面的计算水头为49.
21、08m，伸缩节断面的计算水头为伸缩节断面的计算水头为7.89m，支承环间支承环间距距16m，计算段上下镇墩间距计算段上下镇墩间距64m，钢管轴线与水平钢管轴线与水平面倾角为面倾角为44，伸缩节距上镇墩，伸缩节距上镇墩2m，伸缩节内止水填伸缩节内止水填料长度料长度b=30cm，填料与管壁摩擦系数为填料与管壁摩擦系数为0.3，支承环，支承环的摩擦系数为的摩擦系数为0.1，钢管采用，钢管采用A3钢。下镇墩的上游端管钢。下镇墩的上游端管中心的计算水头为中心的计算水头为63.4m，镇墩下游端和下游伸缩节镇墩下游端和下游伸缩节中心计算水头近似相等，取为中心计算水头近似相等，取为66.1m，镇墩下游端伸镇墩
22、下游端伸缩节的水平钢管长度为缩节的水平钢管长度为5.0m ，管内流速为管内流速为5m/s，镇墩镇墩为混凝土结构。为混凝土结构。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 确定压力管道厚度确定压力管道厚度(全长采用一个厚度全长采用一个厚度)，要求确定管壁，要求确定管壁计算厚度和结构厚度；计算厚度和结构厚度；2. 设计压力管道的刚性环的间距设计压力管道的刚性环的间距 (1) 校核光滑管的稳定性；校核光滑管的稳定性； (2) 设计刚性环的间距及尺寸；设计刚性环的间距及尺寸； (3) 设计支承环的尺寸；设计支承环的尺寸；3. 对最后一跨的四个断面进行结构分析对最后一跨的四个断面进行结构分析 (1) 受力分析：按正常运行情况的基本组合计算不同断面受力分析：按正常运行情况的基本组合计算不同断面径向力、法向力和轴向力；径向力、法向力和轴向力； (2) 应力计算及强度校核；应力计算及强度校核； (3) 抗外压稳定分析抗外压稳定分析(管壁和支承环抗外压稳定分析管壁和支承环抗外压稳定分析) ； 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/