第十三章 水电站的压力管道

第十三章水电站的压力管道

第七节分岔管

一、分岔管

压力管道的分岔方式有Y形［图8-22（a）］和y形［图822（b）］。二者对水流的分配均匀，缺

点是机组数较多时分岔段较长；后者的分岔管是一种由薄壳和刚度较大的加强梁组成的复杂

的空间组合结构，受力状态比较复杂，在计算力学和计算机这种计算工具应用于工程之前，

对这种结构只能简化成平面问题进行近似计算。岔管的加强梁有时需要锻造，卷板和焊接后

需作调整残余应力处理，因而制造工艺比较复杂。

图13-22管道分岔方式

岔管的另一特点是水头损失较大，在整个引水系统的水头损失重在重要地位。例如我国

某水电站，引水隧洞长1200m,根据模型试验，仅一处岔管的局部水头损失即超过引水隧洞

和进水口水头损失的总和。因此，如何降低水头损失是岔管设计的•个重要问题。较好的岔

管体型应具有较小的水头损失、较好的应力状态和较易于制造。

从水力学的角度看，岔管的体型设计应注意以下几点：

（1）使水流通过岔管各断面的平均流速相等，或使水流处于缓慢的加速状态。

（2）采用较小的分岔角a,如图13-23所示。但从结构上考虑，分岔角不宜太小，太小

会增加分岔段的长度，需要较大尺寸的加强梁，并会给制造带来困难。水电站岔管的分岔角

一般在30。-75。范围内，最常采用的范围是45。-60。。

（3）分弃管采用锥管过渡，避免用柱管直接连接。半锥和一般用5。-10。。

（4）采用较小的岔档角夕。岔档有分流的作用，较小的岔档角有利于分流。

（5）支管上游侧采用较小的顺流转角丫。

/

图13-23岔管体型示意图

以上各点有时难于同时满足，例如，增加支管锥角口有助于减小丫,但又不可避免地会加

大B，但前者对水流的影响较大。

岔管的水力要求和结构要求也存在矛盾，例如，较小的分岔角对水流有利，但对结构不

利，因为分岔角越小，管壁互相切割的破口越大，加强梁的尺寸也就越大，而且过小的夹角

会使岔档部位的焊接困难，又例如，支管用锥管过渡对水流有明显的好处，但不可避免地会

使主支间的破口加大；等等。这就要求在设计岔管体型时应最大限度地满足各方面的要求，

分清主次，抓住主要矛盾。一般说来，对于水头较低的电站，岔管的内压较小，而岔管的水

头损失占总水头的比重较大，此时多考虑一些水力方面的要求是正确的；反之，对于高水头

的电站，多考虑一些结构方面的要求是合理的。

在以后的讨论中我们将会知道，在分岔区，由于管壁的相互切割，在内水压力的作用下,

存在较大的不平衡力，需要另设加强构件承担。加强构件一般沿管壁的相贯线（管壁交线）

布置。在工程中，为了便于加固，希望相贯线是平面曲线。相贯线是平面曲线的必要和充分

条件是两个锥管有一个公切球（平面图像是公切圆），如图13-24所示。在平面图上，公切

圆。与锥管I相切于a、a,与锥管U相切于b,b,连接aa和bb,得交点D,AD和BD即为相

贯线的平面图像。在垂直纸面的沿AD和BD方向的两个平面上，相贯线是两个椭圆曲线。

若主支管的直径相差较大，两者公切于一个球有困难，则岔管的体型也可以不按这一要

求进行设计，此时相贯线是一个曲面上的封闭曲线，常用一个曲面圈梁加固。

图13-24两个锥管平面的公切圆

二、岔管的荷载和受力特点

在压力管道的分岔处，管壁因互相切割而不再是•个完整的圆形，在内水压力作用下，

原被切割等的管壁所承担的环拉力T便无法平衡，需另设加强构件来承担这个不平衡力，如

图13-25(b)所示。止匕外，在有些情况下管壁还存在轴向力，此轴向力在相贯处也不能平衡,

需由加强构件承担。

<<>

图13-25岔管的受力情况

1.管壁环向拉力引起的荷载

如图13-25(b)所示，在内压p作用下，沿锥管轴线单位长度管壁的环拉力

T=—(14—37)

cose

式中&-锥管的半锥顶角：

G-计算点处的锥管半径。

T沿LM方向单位长度的垂直分量为

epxcosa

V\=Tcos3cosa=-———(14—38)

cos5&

图13-25中的分力凡'分解为作用在相贯线平面内沿竖轴y表示的水平分量

式中a-支管轴线与主管轴线所夹之锐角；

y-相贯线垂直坐标，见图13-25(c)；

a、b-相贯线的半长轴和半短轴，其值为

„ay2sinacosa,、

H\=-p,/---------5——(14—39)

1/厄耳cos2^

其中R为主管半径。

上述匕和*1是一侧支管作用于相贯线LM上的荷载，对丫形分岔，乘以2得总荷载；

对于不对称的y形分岔，则应分别以两支管的参数代入式(13-38)和(13-39)求出相应的荷载。

匕和名沿u、y轴的分布如图13-25⑹。

2.管壁轴向力引起的荷载

管壁的轴向力有以下儿种情况：有闷头、有锥管、有伸缩节及埋管等。

对支管有闷头情况(如水压试验等)，单位周长管壁沿母线方向的轴力

T'=P'(14—40)

2cos6

对于埋管

7=理力一E8M(14—41)

cos6

式中"-钢材的泊松比；

弓-钢材的线膨胀系数；

5-钢材的弹性模量；

M-温差。

轴向力7'在相贯线上的垂直分量和水平分量

-u-b''

V2=7'sinesina1+--------tgdcosa(14—42)

一aE.R八.cos5cosa(u-bf}sinasin0……

H2=f!——fgesina----------------------------(14—43)

bsin5u也

式中u-相贯线椭圆曲线//a"+=1上计算点的横坐标值；

,,R

b=a-----------

sin(a+&)

其他符号同前。/和*2亦为一个支管引起的荷载，方向示于图13-25(c)中。

以上为相贯线LM上的荷载。相贯线CD和C'。上的荷载求法类似。

三、几种常用的岔管

根据岔管的体型和加固方式，水电站常用的岔管有以下几种。

(-)贴边岔管

贴边岔管在相贯线的两侧用补强板加固，如图13-26所示。补强板与管壁焊接，可加于

管外，也可同时加于管内和管外。我国早期建造的几个水电站多采用这种岔管。贴边岔管的

特点是补强板的刚度较小(与后面的加固梁比较)，不平衡区的内水压力由补强板和管壁共

同承担，适用于中、低水头的y型地下埋管，特别适用于支、主管直径之比(d/D)在0.5

以下的情况，此比值大于0.7时不宜采用贴边岔管。

图13-26贴边岔管

贴边岔管的应力状态比较复杂，除有限元法外，目前尚无他比较合理的分析方法，其壁厚可

近似的用下式确定

APR

(14—44)

[orh0cosd

式中R-计算管节的最大内径;

e-焊缝系数;

坞-系数，取1.2-1.5,d/D小者取小值；

〔Ei-膜应力区的容许应力，基本荷载时取，特殊荷载时取。

补强板可采用一层(置于管外)，d/D较大时可用两层(管内外各一层)，宽蝴(0.2-0.4)

d,厚度可与管壁厚度相同。

(-)三梁岔管

三梁岔管用三根首尾相连接的曲梁作为加固构件，如图13-27所示。U梁承受较大的不

平衡水压力，使梁系中的主要构件。腰梁1承受的不平衡力较小，腰梁2用来加固主管管壁。

同时，两根腰梁有协助U梁承受外力的功用。

图13-27三梁岔管

加固梁的刚度比邻近的管壁刚度要大得多，故在设计时，一般假定梁系承担全部不平衡

区的内水压力。梁的断面可计入°78而每侧宽度的管壁。

U形梁沿相贯线布置，一般加于管壳之外，内外缘均为椭圆曲线，如图13-28(a)所示。

U梁的荷载如图13-25(c)所示，在垂直和水平荷载V、H及腰梁反力P、Q、M的作用下,

U梁可近似作为固定于对称轴1-1的变截面悬臂梁进行分析计算。

U梁的横截面形式比较常用的有矩形和T形，图13-28(b)和(c)所示。采用T形截

面的目的是为了采用较薄的腹板获得较大惯性矩，但由于T形截面形心外移使U形梁的悬臂

加长，荷载V在1-1截面形成的弯矩将显著增加，从而使U梁内缘的拉应力加大，故宜采用

，形截面。矩形截面的U梁也应避免采用瘦高截面。

为了减小U梁的计算跨度，可将其部分嵌入管壳内，如图828(d)所示。嵌入的深度越大,

U梁的弯曲应力越小，逐步使U梁过渡为受拉构件。水工模型试验表明，嵌人的U梁对水流

的影响视岔管的分流情况而定。对于设计的分流情况，水流比较对称，嵌入的U梁对水流一

般无不良影响，甚至可熊有利；对于非设计情况（如一个支管为设计流量另一支管关闭），

则U梁两侧出现旋涡区，使水头损失加，在U梁两侧加导流板有一•定效果。

图13-18U形梁

三梁岔管的主要缺点是梁系中的应力主要是弯曲应力，材料的强度未得到充分利用，三

个曲梁（特别是U梁常常需要高大的截面，这不但浪费了材料，加大了岔管的轮廓尺寸。而

且可能需要锻造，焊接后还可能需要进行热处理。由于梁的刚度较大，对管壳有较强的约束,

使梁附近的管壳产生较大的局部应力。同时，在内压的作用下，由于相贯线的垂直变位较小,

用于埋管则不能充分利用围岩的抗力。因此，三梁岔管虽有长期的设计•、制造和运行的经验,

但由于存在上述缺点，不能认为是一种很理想的岔管。三梁岔管用于内压较高、直径不大的

明管道。

（三）月牙肋岔管

月牙肋岔管是三梁岔管的一种发展。前面已经指出，三梁岔管的U梁嵌入管壳能够改

善其应力状态。月牙肋岔管用一个完全嵌入管壳内的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁,

并按月牙肋主要承受轴向拉力的原则来确定月牙肋的尺寸。

月牙肋岔管的主管为倒锥管，两个支管为顺锥管，三者有一公切球，如图13-29所示。

主管采用倒锥管的目的有二：一是减小A点管壁的转角丫（一般不超过13。），以达到取消

AD方向的腰梁和改善流态的目的；二是适当的逐步扩大分岔区的过流面积，以减小流速，

从而降低水头损失。

图13-29月牙肋岔管

月牙肋岔管的分岔角常用55。-90。，公切球的半径取1.1-12倍主管半径。月牙肋岔管的

壁厚用式(13-44)和下式求出而取其大者

3K邮

[cr]2^cos0(14—45)

式(13-44)用于膜应力区，取1.0-1.1。式(13-45)用于局部应力区，坞按图13-30查取,

在基本荷载情况下取08弓，特殊荷载情况下取。

图13-30应力集中系数曲线

肋板的中央截面宽度'r可从图8-31(a)中的经验曲线初步确定，曲线用于试验工况,

曲线ni用于运行工况。确定后，肋板内缘尺寸可按图1361(b)中的胡*三点成一抛物

/=—(孙—x)

线按通确定。肋板的厚度

w——+c(14—46)

3rHh

式中V为中央截面的作用力，可按《水工设计手册》等文献中的公式求取。［51在基本荷载

情况下取特殊荷载情况下取c为锈蚀裕量。0大体为管壁厚度的2.0-2.5

倍。

60

50・光相贯线

40

30

图13-31决定月牙肋尺寸的经验曲线

由于月牙肋是按无矩要求设计的，荷载合力基本通过肋板截面形心，使肋板处于轴心受

拉状态；材料的强度得以充分发挥。由于肋板厚度不大，可用厚钢板制造，工艺较为简单。

肋板的轮廓尺寸与分岔角（心、&）和两顺锥管的半锥角（劣，“）有关，•般说来，

全岔角越小、锥角越大，要求的肋板宽度越大，因此，调整分岔角和锥角的大小可改变肋板

的宽度和厚度。

月牙肋岔管除沿CD向有肋板加固外，其他部位均无加固构件，由管壳承担全部内水压

力，故管壳的体型应力求平顺。结构模型试验表明，管壁转折处A点是一个薄弱环节，应控

制转折角Y勿使过大。

水工模型试验表明，在设计分流情况下，月牙肋岔管具有良好的流态，但在非对称水流

情况卜，插入的肋板对向一侧偏转的水流有阻碍作用，流态趋于恶化，肋板的方向对水流影

响较大，在设计岔管的体型时，应注意使肋板平面叮主流方向一致。

（四）球形岔管

球形岔管是由球壳、主支管、补强环和内部导流板组成，如图13-32所示。在内压作用

下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半，因此，球形岔管适用于高水头电站。

球壳的最小直径按用补强环加固后的各主、支管开孔的局部应力不致相互影响并有一定

的焊接空间决定。两相邻开孔间的最短弧长

/.>-'啊一=244^7(14-47)

R和力为球壳的半径和壁厚，R一般为1.3-1.6倍主管半径。为了减小球壳的半径，球形岔

管常采用较大的分岔角(60。-90。)，使主、支管能均布在球壳的周围。

图13-32球形岔管

球壳的荷载主要有内水压力、补强环的约束力和主、支管的轴向力。球壳的厚度与可按

内水压力确定，即

2+C(14—48)

2皿办

式中系数给取1.1-1.2；〔Ei在基本荷载情况下取,特殊荷我情况下取07b,：①

为焊缝系数，取0.9-0-95；C为锈蚀裕量，取2mm。

主、支管的轴向力对球壳应力有很大影响，在结构上应认真对待。对于垂直方向的支管

应加以锚定，若为具有伸缩节的自由端，则管壁不能传递轴向力，作用于球壳上的轴向水压

力将无法平衡。

补强环一般为锻件，其微面积F的选择应使补强环受力后的径向变形等于被切割的球壳

圆盘在同方向的变形，可近似地按下式确定

F=------------(ir+.057?2cosasina)(14—49)

式中外-补强环截面形心的半径；

为、补强环和球壳连接点的半径及与球心所夹之角；

b-补强环顺流向的宽度；

5°-球壳设计膜应力。

球形岔管突然扩大的球体对水流不利。为了改善水流条件，常在球壳内设导流板。导流

板上设平压孔，因此不承受内水压力，仅起导流作用。

(五)无梁岔管

无梁岔管是在球形岔管的基础上发展而成。球形岔管的补强环需要锻造，与管壳焊接时

要预热，球壳一般也要加热压制成形，有的球岔在制成后还进行整体退火，