1、第八章 水電站壓力管道作用：從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量。特點(diǎn)：坡度陡、內(nèi)水壓力大，承受動(dòng)水壓力，且靠近廠房，失事后果嚴(yán)重，所以必須安全可靠。第一節(jié) 壓力管道的類型按布置方式分按材料分明管：暴露在空氣中(無壓引水式電站)鋼管(大中型水電站)鋼筋混凝土管(小型電站)地下埋管（隧洞埋管) :埋入巖體。(有壓引水電站) 不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管、木管等混凝土壩身埋管： 依附于壩身(混凝土重力壩及重力拱壩)，包括：壩內(nèi)管道、 壩上游面管、壩下游面管 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)第一節(jié) 壓力管道的類型鋼管管節(jié) 鋼筋混凝土管第一節(jié) 壓力管道的類型聚酯材料管 木管第

2、二節(jié) 壓力管道的布置和供水方式一、壓力管道的布置壓力管道線路選擇應(yīng)結(jié)合其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。路線盡可能短、直。(經(jīng)濟(jì)，hf和H小)。地質(zhì)條件好。山體穩(wěn)定、地下水位低、避開山崩、雪崩地區(qū)。盡量減小起伏, 避免出現(xiàn)負(fù)壓; 轉(zhuǎn)彎半徑R3D。避開可能發(fā)生山崩或滑坡的地區(qū)以及山水集中的地區(qū)，可沿山脊布置。明鋼管首部設(shè)事故閘門，并考慮事故排水等二、壓力管道引進(jìn)廠房的方式正向引近：低水頭電站。水流平順、水頭損失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故時(shí)直接危機(jī)廠房安全。縱向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖廠房。斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。二、壓力管道引進(jìn)廠房的方式 (a)、(b

3、) 正向引進(jìn) (c)、(d) 縱向引進(jìn) (e) 斜向引進(jìn) 壓力水管引進(jìn)廠房的方式三、供水方式1單元供水：一管一機(jī)。不設(shè)下閥門。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單(無岔管)、工作可靠、靈活性好，易于制作，無岔管缺點(diǎn)：造價(jià)高適用：(1) 單機(jī)流量大、長度短的地下埋管或明管； (2) 混凝土壩內(nèi)管道和明管道三、供水方式2聯(lián)合供水： 一根主管，向多臺(tái)機(jī)組供水。設(shè)下閥門。優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（岔管）、靈活性差適用：機(jī)組少、單機(jī)流量小、引水道長的地下埋管和明管3. 分組供水： 設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺(tái)機(jī)組供水。設(shè)下閥門。適用：壓力水管較長，機(jī)組臺(tái)數(shù)多，單機(jī)流量較小的情況。地下埋管和明管. 三、供水方式單元供水 聯(lián)合供

4、水 分組供水 第三節(jié) 水力計(jì)算和經(jīng)濟(jì)直徑的確定一、水力計(jì)算恒定流計(jì)算：確定管道的水頭損失，包括沿程和局部兩部分。沿程損失：處于紊流，可按曼寧公式計(jì)算局部損失：進(jìn)口、門槽、漸變段、彎段、分岔等部位，按水力學(xué)公式計(jì)算。hw電能裝機(jī)容量管徑選擇非恒定流計(jì)算：水錘計(jì)算(N變Q變H變) ，確定管道中各點(diǎn)的動(dòng)水壓力和變化過程。 水擊壓強(qiáng)確定壓力管道荷載和管線(最高壓力線和最低壓力線) 二、壓力管道直徑的選擇動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較法：基本原理與渠道相同(要考慮流速、水擊壓力的影響)，擬定幾個(gè)直徑，進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算，比較確定最優(yōu)經(jīng)濟(jì)直徑。經(jīng)驗(yàn)公式法：簡化條件推導(dǎo)公式。精度較低，初步設(shè)計(jì)時(shí)采用 Qmax壓力管道設(shè)計(jì)流量，

5、H設(shè)計(jì)水頭經(jīng)濟(jì)流速法：壓力管道的經(jīng)濟(jì)流速一般為46m/s，最大不超過7m/s，Ae= Qmax/Ve第四節(jié) 鋼管的材料和管身構(gòu)造 一、鋼管的材料管道的受力構(gòu)件有管壁、加勁環(huán)、支承環(huán)、支座滾輪、支承板等常用的鋼材：經(jīng)過鎮(zhèn)靜熔煉的熱軋平爐低碳鋼或低合金鋼，如：A3、16Mn，或經(jīng)過正火的15MnV、15MnTi。滾輪可采用A3、A4、A5、16Mn或35、45等優(yōu)質(zhì)鋼材。 二、鋼材性能的要求(一) 壓力管道的工作特點(diǎn)與制作程序工作特點(diǎn)：內(nèi)水壓力大，并經(jīng)常承受沖擊荷載的作用；低溫狀態(tài)下工作(水溫在4左右)對(duì)鋼材的工作條件不利。制作過程：板裁：冷卷、輥壓成形；現(xiàn)場(chǎng)焊接(自動(dòng)焊、手焊)；檢查焊縫(射線、

6、超聲波) 二、鋼材性能的要求(二) 鋼材性能要求1、機(jī)械性能屈服強(qiáng)度s 、抗拉強(qiáng)度b ；塑性指標(biāo)：斷裂時(shí)的延伸率、斷面收縮率；沖擊韌性ak。要求強(qiáng)度高、塑性好(沖擊、低溫、加工)可焊性能好。A3鋼機(jī)械性能適用于壓力管道，但容許應(yīng)力低。當(dāng)HD600m2，=32mm40mm，不易加工。當(dāng)HD較高時(shí)采用16Mn，其強(qiáng)度高，但塑性差：強(qiáng)度越高，塑性越差。若采用高強(qiáng)鋼，要有充分的論證。一般A3、16Mn不需論證，可直接采用。二、鋼材性能的要求2、加工性能輥軋、冷彎、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性變形小，加工后無殘余應(yīng)力，焊縫和熱影響區(qū)不產(chǎn)生裂紋。3、化學(xué)成份影響鋼材的強(qiáng)度、焊接性能，含碳不要過

7、高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。三、容許應(yīng)力鋼材的容許應(yīng)力一般用屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)得到，即 =s/K不同的荷載、不同的部位采用不同的容許應(yīng)力，見表8-2。四、管身構(gòu)造1、無縫鋼管：無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體，強(qiáng)度高，造價(jià)高，施工困難。 國內(nèi)：D60cm；國外：D120cm。 適用高水頭小流量電站。2、焊接管：鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊接成管段。適用于各種直徑、水頭，造成價(jià)低。 (1) 縱縫：焊縫交錯(cuò)排列，避開兩個(gè)中心軸 (2) 相鄰管壁厚度差2mm，內(nèi)部光滑，外部成臺(tái)階狀。四、管身構(gòu)造四、管身構(gòu)造3、箍管：鋼管外加鋼箍。鋼管最小厚度：min(D/800+4)mm，或6mm防腐、防

8、銹措施： 涂料、噴鍍、化學(xué)保護(hù)。加防銹厚度2mm。第五節(jié) 明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備 一、敷設(shè)方式明鋼管一般敷設(shè)在一系列支墩上，離地面不小于60cm轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端。水管受力明確，在自重和水重作用下，相當(dāng)于一個(gè)多跨連續(xù)梁.一、敷設(shè)方式連續(xù)式布置： 管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設(shè)伸縮節(jié)。溫度應(yīng)力大，一般較少采用。分段式： 兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié) (在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè))。 溫度應(yīng)力小。 二、支墩(support)功用：承受水重和管重的法向分力。相當(dāng)于連續(xù)梁的滾動(dòng)支承，允許水管在軸向自由移動(dòng)(溫度變化時(shí))。布置：間距L=612m，D特別大時(shí)，L取3m。L小M、Q小支墩

9、造價(jià)高。類型：滑動(dòng)式、滾動(dòng)式、擺動(dòng)式。(1) 滑動(dòng)式支墩鞍式(saddle support)：包角：90120，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，摩擦力大，支承部位受力不均勻，適用于D1m。支承環(huán)式(slidding ring girder support)：在支墩處管身四周加剛性支承環(huán)。摩擦力小，支承部位受力較均勻，D2m。(3) 擺動(dòng)式(rocking ring girder support)在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動(dòng)短柱。摩擦系數(shù)f很小，適用于大直徑管道。 三、鎮(zhèn)墩(anchor block)功用：固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力。水管在此處不產(chǎn)生任何位移。布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超

10、過150m。類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。封閉式：應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼村，固定效果好。開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。 三、鎮(zhèn)墩(anchor block) 封閉式 開敞式 三、鎮(zhèn)墩(anchor block)4、設(shè)計(jì)荷載見表8-3，P126。根據(jù)管道的滿水、放空、溫升、溫降等情況，找出最不利的荷載組合。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括抗滑穩(wěn)定、地基應(yīng)力校核、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。 四、鋼管上的閘門、閥門和附件1、閘門及閥門壓力管道進(jìn)口設(shè)快速閘門(事故門)(在前池、調(diào)壓室、水庫等位置)。對(duì)于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機(jī)進(jìn)口前應(yīng)設(shè)快速閥門(事故閥)，其型式有

11、蝴蝶閥、球閥。小型水電站有時(shí)用平板閥。四、鋼管上的閘門、閥門和附件(1) 蝴蝶閥(Butterfly Valve)優(yōu)點(diǎn)：啟閉力小，操作方便迅速，體積小,重量輕，造價(jià)低。缺點(diǎn)：開啟狀態(tài)時(shí)，閥體對(duì)水流有擾動(dòng)，水頭損失較大；關(guān)閉狀態(tài)止水不嚴(yán)。動(dòng)水中關(guān)閉，在靜水中開啟 四、鋼管上的閘門、閥門和附件(2) 球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。優(yōu)點(diǎn)：開啟狀態(tài)時(shí)沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，能承受高壓。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸和重量大，造價(jià)高。適用：高水頭電站。世界上最大的球閥 四、鋼管上的閘門、閥門和附件2、伸縮節(jié)(expansion joint) 功用：消除溫度應(yīng)力，且適應(yīng)少量的不均勻沉陷 位置：常在上鎮(zhèn)墩

12、的下游側(cè) 伸縮節(jié)的型式較多，常見的幾種見下頁圖。伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié) (b)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(c)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (d)波紋管伸縮節(jié)伸縮節(jié)動(dòng)畫 四、鋼管上的閘門、閥門和附件 3、 通氣閥 作用：當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時(shí)，向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓；水管充水時(shí)，排出管中空氣 位置：閥門之后 4、 進(jìn)人孔 作用：檢修鋼管；位置：鋼管上方；直徑：50cm左右,間距100m 。 5、 旁通閥及排水設(shè)備 旁通閥：設(shè)在水輪機(jī)進(jìn)水閥門處；作用：閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。 排水管：水管的最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置；作用：在檢修水管時(shí)用于排出管中的積水和滲漏水第六節(jié) 明鋼管的管身應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況：持久狀況、短暫

13、狀況、偶然狀況三種設(shè)計(jì)狀況均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。持久狀況還應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，短暫狀況可根據(jù)需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。承載能力極限狀態(tài)：指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，或達(dá)到最大承載能力、或喪失彈性穩(wěn)定、或出現(xiàn)不適合于繼續(xù)承載的變形。正常使用極限狀態(tài)：鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。第六節(jié) 明鋼管的管身應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況三種。三種設(shè)計(jì)狀況均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。持久狀況還應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；短暫狀況可根據(jù)需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；偶然狀況可不進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。承載能力極限狀態(tài)，是指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，或達(dá)到最大承

14、載能力、或喪失彈性穩(wěn)定、或出現(xiàn)不適合于繼續(xù)承載的變形；正常使用極限狀態(tài)，是鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，明鋼管要求進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，其內(nèi)容包括：主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力計(jì)算，管壁和加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定計(jì)算。如有必要應(yīng)進(jìn)行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑及抗浮驗(yàn)算；如有抗震要求，還應(yīng)進(jìn)行抗震承載能力計(jì)算一、荷載計(jì)算及其分項(xiàng)系數(shù)按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力和法向力。 每種荷載都有其不同的作用分載系數(shù)，見表8-2。作用在明鋼管上的各種作用力計(jì)算公式及作用方向見表8-3，但風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等需查閱水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范。 二、荷載組合 鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

15、應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的要求，對(duì)不同設(shè)計(jì)狀況下可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，進(jìn)行相應(yīng)的作用效應(yīng)組合，對(duì)明鋼管要求的組合見表8-4。 表8-4 明鋼管按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的作用效應(yīng)組合與計(jì)算情況 第七節(jié) 管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鋼管管壁厚度估算鍋爐公式初擬管壁厚度根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)一般取為0.90.95，允許應(yīng)力取鋼管材料允許應(yīng)力的75% 85%。考慮鋼管運(yùn)行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差， 實(shí)際=+2mm（銹蝕厚度）在實(shí)際工程中，考慮到制造、運(yùn)輸、安裝等條件，必須保持一定的剛度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min一般取為D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm 一、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1

16、、四個(gè)基本斷面 一、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般情況下，最后一跨的應(yīng)力最大。根據(jù)受力特點(diǎn)常選四個(gè)斷面進(jìn)行應(yīng)力分析。跨中斷面11:只有彎距作用，且彎距最大,無局部應(yīng)力受力最簡單；支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面22：彎距和剪力共同作用，均按最大值計(jì)算，無局部應(yīng)力受力比較簡單；加勁環(huán)及其旁管壁，斷面33：由于加勁環(huán)的約束，存在局部應(yīng)力；支承環(huán)及其旁管壁，斷面44：應(yīng)力最復(fù)雜，存在彎距和剪力(支承反力)的作用，有局部應(yīng)力。(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應(yīng)力 跨中段面屬于膜應(yīng)力區(qū)，其特點(diǎn)是彎矩最大，剪力為零。 1徑向應(yīng)力 管壁內(nèi)表面: ， “-”表示壓應(yīng)力。 管壁外表面： (一) 跨中段面(1)-(

17、1)的管壁應(yīng)力2切向(環(huán)向)應(yīng)力 設(shè)壓力水管中心處的水頭為H，而水管軸線與水平面的夾角為，則在管壁中任意一點(diǎn)(該點(diǎn)半徑與管頂半徑的夾角為)的水頭為 壓力管道水壓力分布及管壁微圓弧的受力平衡圖推導(dǎo)出管壁中的切向拉力T 和切向應(yīng)力(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應(yīng)力(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應(yīng)力3軸向應(yīng)力 =法向力引起的軸向彎曲應(yīng)力 +軸向作用力引起的軸向應(yīng)力 法向力引起的彎矩和剪力 (一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應(yīng)力(1) 法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)力 M水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩；W連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)， (2) 軸向力引起的軸向應(yīng)力 在軸向力的合力A作

18、用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為，管壁的斷面積為F，則 (二) (2)-(2) 斷面的管壁應(yīng)力(2)-(2)斷面雖然靠近支承環(huán)，但在支承環(huán)的影響范圍之外，即不考慮支承環(huán)對(duì)管壁的約束作用。為了安全起見，認(rèn)為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等。跨中斷面和支承環(huán)斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，支承環(huán)處存在剪力V。所以在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應(yīng)力的計(jì)算公式為 (二) (2)-(2) 斷面的管壁應(yīng)力式中 V管重和水重的法向分力作用下連續(xù)梁的剪力； SR計(jì)算點(diǎn)以上管壁環(huán)形截面積對(duì)重心軸的靜矩， ； b受剪截面寬度， ； J截面慣性矩， 。當(dāng)=0(管道頂部)和=180(管道底部)時(shí)， =0；當(dāng)=90(管道

19、側(cè)面中點(diǎn))時(shí)，達(dá)到最大值 斷面(2)-(2)的其他正應(yīng)力r、和x均與斷面(1)-(1)相等，但符號(hào)不盡相同 2-2斷面圖形(三) 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面(3)-(3)的管壁應(yīng)力 (四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力 支承環(huán)由于承擔(dān)管重和水重法向力Q而在支墩處引起的支承反力R，從而在支承環(huán)內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力。 1支承環(huán)的支承方式 側(cè)支承和下支承兩種形式。圖中點(diǎn)劃線為支承環(huán)有效截面重心軸，它與圓心距離為半徑R，支墩支承點(diǎn)至支承環(huán)截面有效重心軸距離為b，支承反力為 。 當(dāng)采用側(cè)支承時(shí)，設(shè)支承反力離支承環(huán)重心軸距離為b。根據(jù)分析，在設(shè)計(jì)時(shí)取b=0.04R，可使環(huán)上最大正彎矩與最大負(fù)彎矩接近

20、相等，則鋼材性能得到最充分的發(fā)揮。(四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力支承環(huán)支承方式 (四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力 2 支承環(huán)所承受的荷載 (1)管重和水重法向分力產(chǎn)生的剪力； 管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應(yīng)力均為 ， 因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為 (2) 支墩兩側(cè)的反力0.5Q，鋼管一般都是傾斜布置，支承反力為 ； (3) 支承環(huán)自重，但相對(duì)較小，可以不計(jì)。(四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力3支承環(huán)內(nèi)力計(jì)算支承環(huán)的內(nèi)力計(jì)算常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性中心方法進(jìn)行。因?yàn)殇摴軘嗝媸且粋€(gè)對(duì)稱圓環(huán)，是一個(gè)三次超靜定結(jié)構(gòu)，可

21、用彈性中心法計(jì)算支承環(huán)上各點(diǎn)的內(nèi)力。要進(jìn)行支承環(huán)截面的內(nèi)力計(jì)算，實(shí)際上是要計(jì)算一個(gè)封閉圓環(huán)各斷面上的彎矩MR、剪力TR和軸力NR。 (四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力支承環(huán)計(jì)算簡圖 b=0.04R時(shí)支承環(huán)內(nèi)力圖圖中彎矩畫在受拉一邊，正的MR表示支承環(huán)外側(cè)受拉，正的NR表示拉力，正的TR方向如。(四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力計(jì)算出支承反力產(chǎn)生的彎矩MR、軸力NR和剪力TR后，它們所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為ZR計(jì)算點(diǎn)與重心軸的距離；JR支承環(huán)有效截面對(duì)重心軸的慣性矩；WR支承環(huán)有效截面對(duì)重心軸的面積矩；SR支承環(huán)有效截面上，計(jì)算點(diǎn)以外部分對(duì)重心軸的靜矩；a支承環(huán)腹板

22、厚度；F支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣 (四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力斷面(4)-(4)各應(yīng)力的方向和分布 二、管身應(yīng)力分析強(qiáng)度校核鋼管為三維受力狀態(tài)，計(jì)算出各個(gè)應(yīng)力分量后，應(yīng)按強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。如果不滿足強(qiáng)度要求，則重新調(diào)整管壁厚度和支墩間距，再重新計(jì)算，直到滿足強(qiáng)度條件。目前多采用第四強(qiáng)度理論目前電力行業(yè)規(guī)范采用極限強(qiáng)度理論驗(yàn)算鋼管的強(qiáng)度，各項(xiàng)荷載給出分項(xiàng)系數(shù)，驗(yàn)算承載能力極限狀態(tài) 二、管身應(yīng)力分析外壓穩(wěn)定校核1.明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象機(jī)組運(yùn)行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；管道放空時(shí)通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負(fù)壓

23、時(shí)，管壁在外部的大氣壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。外壓穩(wěn)定校核2.光滑管段的穩(wěn)定性當(dāng)外壓力P增加到臨界壓力Pcr時(shí)，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。臨界壓力Pcr為 為了安全起見，引入安全系數(shù)K，要求：PcrKP。 取K=2.0，P=0.1MPa，鋼材的彈性模量E=2105MPa, 略去2，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為 外壓穩(wěn)定校核3、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定如按上述要求，管徑太大時(shí)管壁太厚無法加工，因此可采用在管壁上增加加勁環(huán)以提高管壁剛度的措施。 (1) 加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性也可以用查圖表的方法求臨界壓力。 外壓穩(wěn)定校核(2) 加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定兩個(gè)要求加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)加勁環(huán)斷面的壓應(yīng)力小于

24、材料的允許值。 按光滑管的公式計(jì)算，但是等式右邊應(yīng)該除以加勁環(huán)的間距L，其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計(jì)算。 三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(一)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析鎮(zhèn)墩承受明管傳遞來的軸向力、剪力、彎矩等荷載，其中軸向力為主要外荷載。鎮(zhèn)墩必須以其自重來平衡外荷載，以滿足抗滑動(dòng)和抗傾覆穩(wěn)定和地基承載能力等要求。 1、作用力分析 求出作用于明鋼管而傳到鎮(zhèn)墩上的各種力，并按照溫升情況下鋼管充水運(yùn)行、鋼管放空和溫降情況下鋼管充水運(yùn)行、鋼管放空等進(jìn)行最不利的組合。三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2、求軸向力分量 設(shè) x軸水平順?biāo)较驗(yàn)檎軸垂直向下為正， 水管軸線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。 求出軸向力總和在x和 y軸下的分力：三、鎮(zhèn)墩和支

25、墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、擬定鎮(zhèn)墩尺寸鎮(zhèn)墩的尺寸應(yīng)能夠?qū)摴艿霓D(zhuǎn)彎段完全包住。鎮(zhèn)墩上游面為使鋼管受力均勻而垂直管軸，管道的外包混凝士厚度不宜小于管徑的0.40.8倍。為維護(hù)、檢修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在土基上的鎮(zhèn)墩，底面常做成水平。 鎮(zhèn)墩地基應(yīng)堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定、可靠。在嚴(yán)寒地區(qū)，鎮(zhèn)墩埋深應(yīng)在冰凍線以下1m，對(duì)巖基不少于0.5m。地震區(qū)應(yīng)將鎮(zhèn)墩較深地埋入地基中并適當(dāng)加大基礎(chǔ)面，同時(shí)減小鎮(zhèn)墩間距。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的要求擬定出尺寸后，求出鎮(zhèn)墩的重心位置及其重量G。 三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4、求合力作用點(diǎn)及偏心距 利用圖解法或數(shù)解法求G及A的合力作用點(diǎn)位置及偏心距e。應(yīng)保證e在鎮(zhèn)墩底寬的二分點(diǎn)以內(nèi)。 5、抗滑

26、穩(wěn)定校核 抗滑穩(wěn)定應(yīng)符合下式要求： 三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6、地基承載能力校核 要求地基上均為壓應(yīng)力，且最大值不超過地基的容許值R。可按偏心受壓公式計(jì)算地基應(yīng)力。 要求最大值maxR，最小值min0，不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值 (二) 支墩結(jié)構(gòu)分析 支墩承受管重和管內(nèi)水重的法向分力與鎮(zhèn)墩相似。主要內(nèi)容也是抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基承載力校核 四、地面壓力鋼管的設(shè)計(jì)步驟1、線路選擇：選擇幾個(gè)方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。2、管徑確定：通過動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較，確定經(jīng)濟(jì)直徑。3、管道布置及附件設(shè)計(jì)：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)、進(jìn)人孔、閥門4、水力計(jì)算： (1)恒定流：確定鋼管在不同流量下的水頭損失 (2)非恒定流：水電站在工況發(fā)生變化時(shí)

27、，鋼管的水擊壓力。四、地面壓力鋼管的設(shè)計(jì)步驟5、壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)初步擬定管壁厚度(考慮銹蝕厚度)；(2)根據(jù)管壁厚度用光滑管外壓穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行外壓穩(wěn)定校核，如果不穩(wěn)定設(shè)置加勁環(huán)(也可用支承環(huán)代替)，并選定其間距；(3)根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應(yīng)力小于允許值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；(4)進(jìn)行強(qiáng)度校核，如果不滿足要求則增加管壁厚度或縮小加勁環(huán)間距。在重復(fù)上面的步驟，直到滿足要求。6、校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應(yīng)力。第七節(jié) 分岔管okukiyotsu一、分岔管的功用、特點(diǎn)1、功用：作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時(shí)，需要設(shè)置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。2、特點(diǎn)水流條件較差，引起的水頭

28、損失較大；岔管由薄殼和剛度較大的加強(qiáng)構(gòu)件組成，管壁厚，構(gòu)件尺寸大，有時(shí)需鍛造，焊接工藝要求高，造價(jià)較高；受力條件差，所承受的靜動(dòng)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(jì)，即不考慮周圍巖體分擔(dān)荷載。二、岔管的布置形式卜形布置。縱向引近和斜向引進(jìn)的廠房常采用這種布置方式。對(duì)稱Y形布置。三岔形布置。 三、幾種常用的岔管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(bǔ)強(qiáng)板加固，補(bǔ)強(qiáng)板與管壁焊固形成一個(gè)整體。補(bǔ)強(qiáng)板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力由補(bǔ)強(qiáng)板和管壁共同承擔(dān)。常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。 三、幾種常用的岔管2、三梁岔管

29、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。 三、幾種常用的岔管3、月牙肋岔管用一個(gè)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。三、幾種常用的岔管4、球形岔管通過球面體進(jìn)行分岔，由球殼，圓柱形主、支管以及補(bǔ)強(qiáng)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。 三、幾種常用的岔管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

30、下兩個(gè)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(kuò)大的過渡段，構(gòu)成一個(gè)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(diǎn)。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(hù)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(jìn)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

31、上而下) 。平洞：作為過渡段使用。 盡量布置在堅(jiān)固完整的巖體中。二、地下埋管的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造二、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(yán)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(jìn)行處理，壓力不小于0.2MPa。對(duì)于不太完整的圍巖，需要進(jìn)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(shí)的強(qiáng)度計(jì)算假定：圍巖、混凝土、鋼管為彈性各向同性體。混凝土和鋼襯施工后無初始應(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。混凝土

32、墊層承受荷載開裂以后只傳遞徑向壓力，不承擔(dān)環(huán)向荷載。三、鋼襯承受內(nèi)壓時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算計(jì)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(jì)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(jì)算公式三、鋼襯承受內(nèi)壓時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算影響鋼襯應(yīng)力因素的分析圍巖的彈性模量。工程上常用單位抗力系數(shù)表示：Er=100(1+r)K0。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。對(duì)應(yīng)力影響很大，但不易確定。施工縫隙：由混凝土的收縮和施工質(zhì)量不良造成，要進(jìn)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。總縫隙

33、。0=(35) 10-4r 四、鋼管承受外壓時(shí)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。鋼襯所受地下水壓力值，可根據(jù)勘測(cè)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(huì)使設(shè)計(jì)值過高。同時(shí)要分析水庫蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等對(duì)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?xí)r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 兩種失穩(wěn)模式 (a) n個(gè)屈曲波 (b)三個(gè)半波外

34、壓鋼襯屈曲鋼襯變形達(dá)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(dá)到材料屈服值失穩(wěn)。(三) 光面鋼襯臨界壓力計(jì)算 1. Amstutz公式 (三) 光面鋼襯臨界壓力計(jì)算 2.經(jīng)驗(yàn)公式：根據(jù)38個(gè)模型試驗(yàn)資料用回歸分析的方法建立的。（四）加勁環(huán)式鋼管環(huán)間管壁：按明管穩(wěn)定公式計(jì)算。加勁環(huán)斷面：用Amstutz公式計(jì)算，但計(jì)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(yàn)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

35、灌漿時(shí)要注意鼓包問題，可采取臨時(shí)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(shí)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 壩體下游面管道一、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(duì)壩體應(yīng)力的不利影響。減少管道對(duì)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 一、壩內(nèi)埋管傾斜式布置見前面平斜式布置 豎直式布置一、壩內(nèi)埋管埋設(shè)方式：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，但工期較長一、壩內(nèi)埋管壩內(nèi)埋管的結(jié)構(gòu)計(jì)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。結(jié)構(gòu)型式壩下游面明鋼管。現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量小，進(jìn)度快，與壩體施工干擾小。壩下游面鋼襯鋼筋混凝土管。鋼襯與外包混凝土之間不設(shè)墊層，緊密結(jié)合，二者共同承受內(nèi)水壓力等荷載。 二、壩后背管本 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(shí)可采用鋼筋