第八章水電站壓力管道

第八章水電站壓力管道

壓力管道的工作特點(diǎn)、類型及總體布置，壓力管道的尺寸擬定，設(shè)計(jì)方法和步驟。

第一節(jié)壓力管道的功用和類型

一、功用及特點(diǎn)

（-）功用

壓力管道是從水庫、壓力前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的水管。

（二）特點(diǎn)

（1）坡度陡

（2）內(nèi)水壓力大，且承受動水壓力的沖擊（水擊壓力）

（3）靠近廠房。嚴(yán)重威脅廠房的安全。

壓力管道的主要荷載為內(nèi)水壓力，HD值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參數(shù)值。

當(dāng)V=5?7m/s時，HD^（0.15-0.18）N&H

當(dāng)M相同時，H愈大,HD愈大。目前最大達(dá)5000/。

目前最大直徑的鋼管是巴基斯坦的塔貝拉水電站第三期擴(kuò)建工程的隧洞內(nèi)明鋼管，直徑為13.26m。

二、分類

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）

不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、

地下埋管（隧洞埋管）：埋入巖體。（有壓引水電站）

鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管

混凝土壩身埋管：依附于壩身（混凝土重力壩及重鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼襯鋼筋混

力拱壩），包括：壩內(nèi)管道、壩上游面管、壩下游面管凝土結(jié)構(gòu)

第二節(jié)壓力管道的線路選擇及尺寸擬定

一、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

2.聯(lián)合供水：一根主管，向多臺機(jī)組供水。設(shè)下閥門。

優(yōu)點(diǎn)：造價低

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（岔管）、靈活性差

適用：、（1）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)臺機(jī)組供水。設(shè)下閥門。

適用：壓力水管較長，機(jī)組臺數(shù)多，單機(jī)流量較小的情況。地卜埋管和明管

二、明管布置

管道與主廠房的關(guān)系:

1.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)生事故時直接危機(jī)

廠房安全。

2.縱向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖廠房。

3.斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。

(a)、(b)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、線路選擇

壓力管道的線路選擇應(yīng)結(jié)合引水系統(tǒng)中的其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。

1.路線盡可能短、直。(經(jīng)濟(jì)、水頭損失小、水擊壓力小)一般設(shè)在陡峻的山脊上。

2.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)。

3.盡量減小上下起伏，避免出現(xiàn)負(fù)壓；轉(zhuǎn)彎半徑R》3D。

四、壓力管道直徑的選擇

壓力管道經(jīng)濟(jì)直徑確定是壓力管道的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。

1.動能經(jīng)濟(jì)比較法：基本原理與渠道相同(壓力管道要考慮流速、水擊壓力的影響)，擬定幾個直徑,

進(jìn)行動能經(jīng)濟(jì)計(jì)算，比較確定最優(yōu)經(jīng)濟(jì)直徑。

2.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)時采用

tax?壓力管道設(shè)計(jì)流量，，一設(shè)計(jì)水頭

3.經(jīng)濟(jì)流速法：壓力管道的經(jīng)濟(jì)流速一般為a6m/s,最大不超過7m/s,De=QmayVe

注：確定壓力鋼管直徑的公式有很多。經(jīng)驗(yàn)公式法或經(jīng)濟(jì)流速方法的設(shè)計(jì)結(jié)果可作為參考。

第三節(jié)明鋼管的敷設(shè)方式及附件

一、明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式

明鋼管一般敷設(shè)在一系列支墩上，離地面不小于60cm(便于維護(hù)和檢修)。水管受力明確，在自重和

水重作用下，水管在支墩上相當(dāng)于?個多跨連續(xù)梁；每隔120?150m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處(包括平面轉(zhuǎn)彎和立

面轉(zhuǎn)彎)設(shè)置鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端。

明鋼管的敷設(shè)

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)墩間設(shè)伸縮節(jié)(上鎮(zhèn)墩的下游側(cè))。溫度應(yīng)力小。

(-)鎮(zhèn)墩

1.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)生任何方向的位移。

2.布置：水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。

3.類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。

(1)封閉式：應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼材，固定效果好。

(2)開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。

（一）閘門及閥門

1.快速平板閘門（事故門）——壓力管道進(jìn)口（前池、調(diào)壓室、水庫）。

作用：在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。

2.快速閥門（事故閥或下閥門）——水輪機(jī)進(jìn)口前（聯(lián)合供水或分組供水），

作用：為避免一臺機(jī)組檢修影響其他機(jī)組的正常運(yùn)行，或在調(diào)速器、導(dǎo)水葉發(fā)生故障時，為緊急切斷水

流，防止機(jī)組產(chǎn)生飛逸。

類型：平板閥、蝴蝶閥、球閥

（1）平板閥：框架+板面構(gòu)成。閥體在門槽中的滑動方式與一般的平板閘門相似。平板閥一般用電動或液

壓操作。這種閥門止水嚴(yán)密，運(yùn)行可靠，但需要很大的啟閉力，動作緩慢，易產(chǎn)生汽蝕，常用于直徑較小的

水管。

（2）蝶閥：由閥殼+閥體組成。閥殼為-短圓筒，閥體形似圓盤，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。閥門關(guān)

閉時，閥體平面與水流方向垂直；開啟時.，閥體平面與水流方向一致。

蝶閥關(guān)蝶閥開

優(yōu)點(diǎn)：啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價較低；

缺點(diǎn)：在開啟狀態(tài)時由于閥門板對水流的擾動，造成附加水頭損失和閥門內(nèi)汽蝕現(xiàn)象；在關(guān)閉狀態(tài)時,

止水不嚴(yán)密，不能部分開啟。

適用：大直徑、水頭不很高的情況。

目前蝴蝶閥應(yīng)用最廣，最大直徑可達(dá)8m以上，最大水頭達(dá)200m。蝴蝶閥要求在動水中關(guān)閉,靜水中開

啟。

（3）球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。

閥體圓筒的軸線與水管軸線一致時，閥門處于開啟狀態(tài)，若將閥體旋轉(zhuǎn)90°,使圓筒一側(cè)的球面封板擋

住水流通路，則閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn)：在開啟狀態(tài)時實(shí)際上沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；

缺點(diǎn)：是尺寸和重量大，造價高。

適用：高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。

球閥是在動水中關(guān)閉，在靜水中開啟。

2.鋼管結(jié)構(gòu)自重；

3.鋼管內(nèi)的滿水重；

4.鋼管充水，放水過程中，管內(nèi)部分水重；

5.由溫度變化引起的力，對分段敷設(shè)的明鋼管，即伸縮節(jié)和支墩的摩擦力；

6.管道直徑變化處，轉(zhuǎn)彎處及作用在悶頭，閘閥，伸縮節(jié)上的水壓力；

7.鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉陷引起的力；

8.風(fēng)荷載；

9.雪荷載；

10.施工荷載；

11.地震荷載；

12.管道放空時通氣設(shè)備造成的氣壓差；

要注意荷載的作用方向及作用的時間，在某些情況下有的荷載不可能出現(xiàn)。

（-）荷載種類

按力的作用方向可以將上述作用力歸納為軸向力、徑向力和法向力。

1.軸向力：水重+管重的軸向分力，摩擦力，管徑變化處、轉(zhuǎn)彎處、悶頭、閥門、伸縮節(jié)上的水壓力。

2.徑向力：內(nèi)水壓力

3.法向力：水重+管重的法向分力

第五節(jié)明鋼管的結(jié)構(gòu)分析

一、鋼管管壁厚度估算

在進(jìn)行鋼管應(yīng)力分析時，需要先設(shè)定管壁厚度。由于內(nèi)水壓力在管壁上產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力是其主要應(yīng)力。

因此用鍋爐公式來初擬管壁厚度，以鋼材的允許應(yīng)力［。］代替。

cPDyHD

20口［2［口］

根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)0一般取為0.9?0.95,允許應(yīng)力口］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，8炳=8+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

bmin。^min一般取為￡>/800+4（mm）,且不宜小于6mm

二、管身的應(yīng)力分析

鋼管支承在系列支墩的直線管段在法向力的作用下，相當(dāng)于一根連續(xù)梁。支墩處設(shè)有支承環(huán)，由于抗

外壓需要，支承環(huán)之間有時還加有剛性環(huán)（加勁環(huán)）。

一般情況卜，最后一跨的應(yīng)力最大。根據(jù)受力特點(diǎn)常選四個斷面進(jìn)行應(yīng)力分析。

(1)跨中斷面1-1:只有彎距作用，且彎距最大，無局部應(yīng)力——受力最簡單；

(2)支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面2—2：彎距和剪力共同作用，均按最大值計(jì)算，無局部應(yīng)力一

受力比較簡單；

(3)加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3—3：由于加勁環(huán)的約束，存在局部應(yīng)力；

(4)支承環(huán)及其旁管壁，斷面4-4：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.

分析方法：結(jié)構(gòu)力學(xué)法。坐標(biāo)：軸向X、徑向r、環(huán)向。

(-)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：4=-刈，表示壓應(yīng)力。

管壁外表面：巴=°

由于徑向應(yīng)力的數(shù)值比較小，所以應(yīng)力計(jì)算中可以忽略。

2.切向(環(huán)向)應(yīng)力0■網(wǎng)

設(shè)壓力水管中心處的水頭為“，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rcosacos。。

推導(dǎo)出管壁中的切向拉力7和切向應(yīng)力0'小為：

T=yr(H-rcoscrcos^)

ri

jp丁

(yQX=----=—(//-rcosacos0)=—r(l----cosacos6)

Jx138H

管頂y(n-rcosay

管底Py(“+rcosa)

管壁上內(nèi)水壓力的分布管壁微圓弧的受力平衡

式中P——內(nèi)水壓強(qiáng)；

6——管壁計(jì)算厚度；

H——計(jì)算水頭；

a——管軸線傾角；

0——管壁中任意一點(diǎn)半徑與管頂半徑的夾角;

水管半徑。

3.軸向應(yīng)力內(nèi)

軸向應(yīng)力巴=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0

(1)法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)力b"

將水重和管重的法向分力視為均布荷載，則鋼管的受力與多跨連續(xù)梁類似，其變形以彎曲為主，并在管

壁上產(chǎn)生彎曲正應(yīng)力與剪應(yīng)力。

在相鄰兩鎮(zhèn)墩之間的壓力鋼管放置于支墩之上，支墩相當(dāng)于連續(xù)梁的中間短軸支座，最下端的鎮(zhèn)墩相當(dāng)

于固定端，上端伸縮節(jié)處可近似認(rèn)為是自由端。

在均布荷載作用下，連續(xù)梁的彎矩和剪力如圖所示，二者的正負(fù)最大值近似認(rèn)為相等，其值已在圖中標(biāo)

示出來。這樣管壁橫斷面上任意一點(diǎn)的軸向應(yīng)力為

McMc

a=----cos6/=----7—cos6/

xlW7TT5

式中M—水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩，正負(fù)號和大小如圖所示;

w一連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)，W=m'8。

如果同時計(jì)入地震作用，則軸向應(yīng)力為

crvl=~cos6+此sin8)

式中%——地震力作用下連續(xù)梁的彎矩，'cosa.

KH——水平地震荷載系數(shù)。

(2)軸向力引起的軸向應(yīng)力

在軸向力的合力2A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為b，2,管壁的斷面積為片貝IJ：

F=成>6*2FnD8

表示壓應(yīng)力。一般情況下，EA為壓力，即為壓應(yīng)力，。為管道直徑。

4.剪應(yīng)力7m

由于跨中斷面的剪力為0,所以該斷面的盯。=0。

跨中斷面應(yīng)力：徑向應(yīng)力？、切向(環(huán)向)應(yīng)力0即、軸向應(yīng)力4=<JH+%2

(-)支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣⑵-(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

支承環(huán)斷面和跨中斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，但支承環(huán)處存在剪力幾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：

VSKVsin0

“~~hT~7ir8

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)形截面積對重心軸的靜矩，SR=2'2sin6

B——受剪截面寬度，b=2"

J——截面慣性矩，」=就拓恨=。

當(dāng)夕=0。(管道頂部)和8=180°(管道底部)時，〃=0；

當(dāng)0=90。(管道側(cè)面中點(diǎn))時，%=2丫廳，達(dá)到最大值。

如果同時計(jì)入地震力的作用，則剪應(yīng)力為

_Vsin6-Vecos0

式中K一—地震力作用下連續(xù)梁的剪力，'cosa

斷面(2)-⑵的正應(yīng)力6、Ce和＜7',均與斷面(1)-⑴相等，但符號不盡相同

支承環(huán)旁管壁應(yīng)力分布和方向

三、強(qiáng)度校核

鋼管為三維受力狀態(tài)，計(jì)算出各個應(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。

(-)容許應(yīng)力

水電站壓力鋼管一般要求在各種荷載組合作用下，鋼管的最大應(yīng)力不超過材料的允許應(yīng)力。常用

鋼材屈服強(qiáng)度區(qū)的百分比表示。壓力鋼管的容許應(yīng)力見下表。

鋼管容許應(yīng)力

應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)

荷載組合基本特殊基本特殊

內(nèi)力性質(zhì)軸力物力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩

容許明鋼管0.55os0.7。、0.67%0.85。s0.8。s1.0。S

應(yīng)力地下埋管0.67%0.9

壩內(nèi)埋管0.670.8os

0.9Os

(-)強(qiáng)度校核

鋼管強(qiáng)度校核我國及多數(shù)國家一般采用第四強(qiáng)度理論(畸變能理論)，即各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)應(yīng)滿足F式

+。；+司一--(TQe+3(匕+。+3”雙司

式中心、5、％—鋼管的環(huán)向、徑向和軸向應(yīng)力；

%、"%一管壁中各方向的剪應(yīng)力；

”——焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)，一般取0.90?0.95。

由于水電站壓力鋼管的無、7、，和工。比較小,在強(qiáng)度校核時可以忽略，上式可以簡化為：

加；+另一+5+34<加］

第六節(jié)明鋼管的抗外壓穩(wěn)定

一、明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象

(1)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；

(2)管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。

管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負(fù)壓時.，管壁在外部的大氣壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。

二、光滑管段的穩(wěn)定性

當(dāng)外壓力戶增加到臨界壓力P”時，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。臨界壓力尸”為

八3E832E⑻3

-7X-----------；-=--------z—X—

Per=「12(1-/?)(1-〃2)切

為了安全起見，引入安全系數(shù)K,要求：P/KP。

取K=2.0,P=0.1MPa,鋼材的彈性模量E=2X105MPa,略去廣，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為

三、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定

s>—

按130求出的管壁厚度太大，如果D=650cm,則要求：6250mm,加工困難，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，從而提高管壁抗外壓穩(wěn)定性，這樣會比增加管壁厚度更經(jīng)濟(jì)。

1.加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性

兩個加勁環(huán)的中間光滑部分的臨界外壓力為:

式中

L——為加勁環(huán)間距。

首先求出屈曲波數(shù)〃，并取整，然后用〃，n-1,n+l三個數(shù)分別帶入上面的公式中，求出的最小值就是

臨界荷載。

2.加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定

設(shè)置加勁環(huán)的鋼管，加勁環(huán)斷面必須滿足兩個要求：(1)加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)；(2)加勁環(huán)斷面的壓應(yīng)

力小于材料的允許值。

加勁環(huán)兩側(cè)附近的管壁與加勁環(huán)一起變形，這一部分的長度為/'=°-78J石，加勁環(huán)有效斷面所示。

加勁環(huán)有效斷面

加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定計(jì)算公式，可按照光滑管的公式計(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。

式中J一計(jì)算斷面對自身中和軸的慣性矩;

Rk——加勁環(huán)有效斷面中心半徑；

K——安全系數(shù)，取K=2。

明鋼管的設(shè)計(jì)步驟

(1)首先根據(jù)鍋爐公式并考慮銹蝕厚度初步擬定管壁厚度，但在應(yīng)力和穩(wěn)定計(jì)算中，不計(jì)銹蝕厚度；

(2)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)置可加勁環(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。重復(fù)上面的步驟，直到滿足要

求。

第七節(jié)分岔管

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，需要設(shè)置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。

2.特點(diǎn)

(1)岔管的水流條件較差，引起的水頭損失較大；

(2)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，有時需鍛造，焊接工藝要求高，造

價也比較高；

(3)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(jì)，即不考慮周圍巖體分擔(dān)荷載。

二、岔管的布置形式

(1)卜形布置?？v向引近和斜向引進(jìn)的廠房常采用這種布置方式。

(2)對稱Y形布置。用于主管分成二個相同的支管，如一管二機(jī)。

(3)三岔形布置。用于主管直接分成三個相同的支管。

三、岔管的結(jié)構(gòu)形式

1.三梁岔管

三梁岔管由相貫線上的兩根腰梁和一根U梁而得名。沿兩支管的相貫線用U梁加強(qiáng)，沿主管和支管的相

貫線則用腰梁加強(qiáng)，U梁承受較大的不平衡水壓力，是梁系中的主要構(gòu)件。將U梁和腰梁端部聯(lián)結(jié)點(diǎn)做成剛

性聯(lián)結(jié)，形成一個薄殼和空間梁系的組合結(jié)構(gòu)，其受力非常復(fù)雜。

適用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。

2.內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管

月牙肋岔管是用一個嵌入管體內(nèi)的月牙形肋板來代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。

內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管是國內(nèi)外近年來在三梁岔管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新式岔管，目前在我國已基本取代了

三梁岔管。應(yīng)用于大中型電站。

3.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整體。補(bǔ)強(qiáng)

板可以焊固于管道外壁或內(nèi)壁，或內(nèi)外壁均有補(bǔ)強(qiáng)板。與加固梁相比，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)。

適用：常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。地卜埋藏式岔管，能把大部分不平衡水壓力傳給圍巖。

4.球形岔管

球形岔管是通過球面體進(jìn)行分岔，它是由球殼，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。球形岔管是國外采用比較多的一種成熟管型，目前國內(nèi)應(yīng)用尚少。

5.無梁岔管

無梁岔管是在球形岔管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。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(kuò)大的過渡段，構(gòu)成?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。

無梁岔管是一種有發(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

一、地下埋管的布置與工作特點(diǎn)

施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支護(hù)等）―安裝鋼管一回填混凝土一接處灌漿

類型：斜井、豎井。大型水電站中應(yīng)用最多。

（-）工作特點(diǎn)及適用條件

地下埋管是我國大中型水電站建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的一種引水管道型式。

優(yōu)點(diǎn)：

1.布置靈活方便

地下埋管由于在山體內(nèi)部，管線位置選擇較自由，可選擇地質(zhì)條件好的線路，地質(zhì)條件優(yōu)于地表，可縮

短管道長度。地下廠房般全部或部分采用地下埋管。

巖石力學(xué)和地卜工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的迅速發(fā)展，修建壓力堅(jiān)井和斜井的技術(shù)已經(jīng)很成熱，施工條件和

費(fèi)用在有的國家已開始優(yōu)于地面管道。

2.鋼管與圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力（聯(lián)合承載），減小鋼襯厚度。

圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力的比例取決于巖石的性質(zhì)。當(dāng)巖石堅(jiān)硬、完整時，圍巖承擔(dān)較大的內(nèi)水壓力，甚至承

擔(dān)全部內(nèi)水壓力，鋼板只起防滲作用；特大容量、高水頭的管道，HD值很大，采用明管技術(shù)難于實(shí)現(xiàn)，地

下埋管就可能得以解決。當(dāng)上覆巖石較薄(<3。)，巖石質(zhì)量不好時，設(shè)計(jì)中往往不考慮巖石的承載能力，通常

情況下是提高鋼襯的允許應(yīng)力。

《規(guī)范》規(guī)定：基本組合：⑹=0.676s；特殊組合：[6]=0.96s

3.運(yùn)行安全

地下埋管的運(yùn)行不受外界條件影響，維護(hù)簡單，圍巖的極限承我能力一般很高，鋼材又有良好的塑性，

因此管道的超載能力很大。

缺點(diǎn)：

1.構(gòu)造比較復(fù)雜，施工安裝工序多，工藝要求較高，施工條件較差，會增加造價；

2.外壓穩(wěn)定問題突出。國內(nèi)外地下埋管破壞多數(shù)為外壓失穩(wěn)。

(-)布置

地形、地質(zhì)條件優(yōu)越，并與調(diào)壓室和廠房有良好的總體布置。

供水方式：多采用聯(lián)合供水

地質(zhì)條件：應(yīng)布置在堅(jiān)固完整、地下水位低的巖層中。

地形條件：保證上覆巖層的穩(wěn)定，留有足夠的巖石厚度。當(dāng)同時要求開挖幾條隧洞時，要有足夠的間

距，防止出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

布置方式：豎井、斜井、平洞。

二、地下埋管的抗外壓失穩(wěn)

地下埋管的外壓失穩(wěn)問題比內(nèi)壓問題更重要。國內(nèi)外地下埋管發(fā)生的事故中，鋼襯破壞大多是由于受外

壓失穩(wěn)造成的。

地下埋管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，承受內(nèi)壓的潛在能力相當(dāng)高，而其抵抗外壓的能力較低，但管道放空時所受

外壓力的值可能遠(yuǎn)高于大氣壓力。

(-)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(jì)值過高。同時要分析水庫蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等因素對地下水位的影響。地卜一水

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?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?次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重

乘以一次澆筑高度。

(二)埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征

埋管鋼襯在周圍巖石的約束下承受外壓力產(chǎn)生變形時，與地面鋼管有很大不同。

埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要區(qū)別：埋管鋼襯的臨界壓力與材料的屈服強(qiáng)度和初始縫隙值直接有關(guān)“

（三）光面鋼襯臨界壓力計(jì)算

我國鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范排薦阿氏公式作為主要計(jì)算公式：

對于光面管，阿氏公式為：

[/+%]1+12件[義智=3.46^（av0-<7,v）[1-0.45^^^

[rt）EbLBE

ON

匕=一

ZL1+0.35迪亞

S8E'

其中：ON——鋼襯屈曲部分由外壓直接引起的環(huán)向應(yīng)力；

Jo=cr,/+/E'=EJQ-求）

計(jì)算時先求出0N，再求Per。求ON時需要試算。為了方便，已將阿氏公式制成曲線，根據(jù)鋼襯的。s值和

鋼襯的主要參數(shù)r,/5和A/ri,即可直接由圖查出Pcro

初步計(jì)算時也可用下列經(jīng)驗(yàn)公式：

z\1.7

=3440-靖25

（四）加勁環(huán)式鋼襯臨界壓力計(jì)算

地F埋管常常采用增加加勁環(huán)的方法來提高穩(wěn)定性和在運(yùn)輸和施工時增加鋼襯的剛度。

有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：加勁環(huán)間管壁的穩(wěn)定計(jì)算和加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定計(jì)算。

1.加勁環(huán)的穩(wěn)定分析

加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定分析可以用光面管公式進(jìn)行，但按加勁環(huán)的有效截面進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)變形時約束大，一般可以不考慮加勁環(huán)的外壓穩(wěn)定性問題，而按

強(qiáng)度條件控制，即：

式中：F—加勁環(huán)有效截面；

I—加勁環(huán)間距。

2.加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定

目前沒有合理的計(jì)算方法，可以套用帶有加勁環(huán)的明管的外壓穩(wěn)定計(jì)算公式。即認(rèn)為縫隙值很大。這樣

偏于安全。

(五)防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施

工程上一般可以采用下面的幾種措施來提高鋼襯的抗外壓穩(wěn)定性：

(1)降低地下水水壓力是防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法方法是排水廊道結(jié)合排水孔：

(2)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)混凝土的外壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或限制澆筑高度。

(3)地下埋管常常采用增加加勁環(huán)的方法來提高穩(wěn)定性和在運(yùn)輸和施工時增加鋼襯的剛度。

第九節(jié)混凝土壩體壓力管道

一、混凝土壩體壓力管道的特點(diǎn)、類型和布置

混凝土壩體壓力管道是依附于混凝土壩身，即埋設(shè)在壩體內(nèi)或固定在壩面上，并與壩體成為一體的壓力

輸水管道。

特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)緊湊簡單，引水長度最短，水頭損失小，機(jī)組調(diào)節(jié)保證條件好，造價低，運(yùn)行管理集中方便；缺點(diǎn)

是管道安裝會干擾壩體施工，壩內(nèi)埋管空腔削弱壩體，使壩體應(yīng)力惡化。

適用：混凝土壩壩式水電站。

布置方式：壩內(nèi)埋管、壩體上游面鋼管、壩體下游面鋼管。

二、壩內(nèi)埋管

壩內(nèi)埋管的特點(diǎn)是管道穿過混凝土壩體，全部埋在壩體內(nèi)。

(-)壩內(nèi)埋管的布置

1.布置原則

(1)盡量縮短管道的長度；

(2)減少管道空腔對壩體應(yīng)力的不利影響。

(3)減少管道對壩體施工的干擾并有利于管道本身的安裝和施工.