4 压力钢管的设计

4 压力钢管的设计4.1 引水管道的布置：压力钢管的型式：采用坝内埋管的型式。

4.1.1管轴线布置：4.1.1.1进水口高程，根据前面坝体剖面设计中对上游坡折点的叙述，进水口高程＝死水位－临界淹没水深＝72.3米。

4.1.1.2钢管直径根据管中经济流速和发电设计流量确定，定为5.6米。

4.1.1.3钢管轴线沿主应力方向。

4.1.2进水口：4.1.2.1进口段设计为平底，上唇收缩曲线为四分之一椭圆，长轴取为5.0米，短轴取为2.0米。

4.1.2.2拦污栅鉴于本枢纽是坝后式水电站，拦污栅的立面布置采用垂直式。

平面布置采用弧形拦污栅。

栅条厚度取为10mm,宽度取为200mm,间距取为128mm。

4.1.2.3渐变段是由矩形闸门段到圆形管道的过渡段，采用圆角过渡，长度规范规定不少于一倍管径，取6米。

4.1.2.4上弯段及下弯段设计：上弯段及下弯段转弯半径不得小于2～3倍的管径，取为15米。

4.2闸门及启闭设备：4.2.1闸门由事故闸门和检修闸门组成，事故闸门和检修闸门处净过水断面为隧洞断面的1.1倍，坝式进水口为了适应坝体的结构要求，进水口长度要缩短，进口段与闸门段常合而为一。

坝式进水口一般都做成矩形喇叭口状，水头较高时，喇叭开口较小，以减小闸门尺寸以及孔口对坝体结构的影响；渗透较低时，孔口开口较大，以降低水头损失。

4.2.2启闭设备安放在坝顶，并满足设备及闸门的尺寸和重量4.3 压力钢管结构设计：4.3.1确定钢管厚度：拟定三个断面进行计算，分别为进水口中心线高程74.8米处；压力钢管中心线高程为50米处和压力钢管末端处高程35米。

计算公式为：Ra P W a a r H r t σϕγ)cos (+=(4-1)f dR ϕγγσ01=;KH H P = (4-2)式中:γ0——为结构重要性系数取为1.1 r a ——钢管内径为2.8米φ——设计状况系数，持久状况为1.0，短暂状况为0.9，偶然状况为0.8；γd ——结构系数，考虑钢管及混凝土联合受力和焊缝系数（0.95）取为1.3； f ——钢材强度设计值，采用Q235钢f ＝215mPa H ——为上游水位到钢管中心线高程的距离；K ——为考虑水锤作用以后的系数，三段分别为1.0、1.15和1.34.3.2承受内水压力的结构分析：4.3.2.1应力及传力计算：外包混凝土厚度拟定为5.0米>0.8D ，考虑混凝土和钢管联合受力。

钢管径向位移计算公式：)1(22aaa a a t E a p u μ-=式中：Pa ——钢管承受的内水压力；t a ——钢管厚度；E a ——钢材弹模，取为2.06×105N/mm 2; μa ——泊松比，取为0.3； a ——钢管半径；b ——外包混凝土外缘距离 混凝土径向位移计算公式:c c c c c p ab a b a E u ))1()1(2(12222-+-+=μμ（4-3） 式中：Pc ——混凝土承受的内水压力；E c ——混凝土弹模，外包砼标号C30，E c ＝3.0×104N/mm 2; μc ——泊松比，取为0.17根据位移协调条件和内水压力守恒条件可计算出各个截面混凝土所受到的内水压力Pc结果如下：（mPa ）表4-2根据拉梅公式可以计算处外包混凝土各点的应力，公式如下：c cp rb a b a )1(22222+-=θσ（4-4） 其中应力大于ζct 的那部分应力由外包混凝土所配的钢筋承担。

ζct 为判断混凝土开裂的拉应力值（N/mm 2）按素混凝土计算公式为：dctmc ct f γγγσ0=（4-5） 式中：гmc ——为截面抵抗矩塑性系数可按DL/T5057-1996规范采用，为1.55； αct ——为混凝土拉应力限制系数为0.7； ft ——为混凝土抗拉强度。

经计算ζct ＝1.06 mPa 计算简图如下：σ图4-1经计算三个断面最终的配筋情况为：表4-34.3.2.2混凝土开裂情况的判别：按照弹性力学厚壁圆筒多管法计算，钢管外包混凝土开裂情况分为未开裂、内圈部分开裂和裂穿三种情况。

a) 内水压力设计值P ≦P MAX1时，为混凝土未开裂情况，是坝内埋管允许的情况，P MAX1由下式计算。

γσϕσγϕσγδ232020022211max )(C ct S C ct C C ct S S E t E B t E C B E E p +++= (4-6)式中：P MAX1——混凝土未开裂时的情况，是坝内埋管所能承受的最大内水压力（N/mm 2）；δ1——钢管与混凝土间缝隙值（mm ）；E S2——平面应变问题的钢材弹性模量（N/mm 2） E S ——钢材的弹性模量（N/mm 2） υS ——钢材泊松比； г——钢管内半径（mm ）； B 0——参数，2201)1(CC C B ϕϕϕ+-=；(4-7) φC ——混凝土层相对开裂深度，取φC =54r r ，在混凝土未开裂的情况下，取5r r c =ϕr 4——混凝土开裂区半径（mm ）； r 5——混凝土圈外半径（mm ）； C0——参数，22201)1(C CC C υϕϕ+-+= (4-8) υC2——平面应变问题的混凝土泊松比，cc c υυυ-=12；υC ——混凝土泊松比；ζCt ——判别混凝土开裂的拉应力取值（mPa ），按素混凝土抗弯构件计算取dct mc ct fγγγσ0=，或按钢筋混凝土构件计算正截面抗裂验算取γσγσtk ct mc ct f =(4-9)可由设计者视具体情况而定，设计状况系数φ=1.0故未计入公式；гMC ——截面抵抗矩的塑性系数，f t ——混凝土轴心抗拉强度设计值（mPa ）； гdc ——素混凝土结构受拉破坏的结构系数 αct ——混凝土拉应力限制系数采用2.0 f tk ——混凝土轴心抗拉强度标准值（mPa ）；E C2——平面应变问题的混凝土弹性模量（N/mm 2）； E C ——混凝土弹性模量（N/mm 2）； t ——钢管管壁厚度（mm ）；t 3——混凝土内部钢筋折算层厚度（mm ），孔口实际配筋应由同时承受内水压力和坝体应力确定。

b) 内水压力设计值P MAX1≤P≤P MAX2时，为混凝土部分开裂情况，是坝内埋管允许的情况，P MAX2由下式计算。

221max 052max r tE r A r p s ct δσ+=(4-10) c) 内水压力设计值P MAX2≤P 时，为混凝土裂穿情况，是坝内埋管不允许的情况。

此时内水压力完全由钢管和钢筋承担。

发生这种情况就要校核钢管和钢筋的承载力是否满足强度要求。

经计算I-I 和II-II 截面属于混凝土未开裂的情况，III-III 截面属于混凝土部分开裂的情况，是坝内埋管所允许的。

4.3.2.3钢管抗外压稳定分析：由规范，经分析计算知，三个截面均需加劲环支持稳定。

加劲环的间距由下列公式计算：[]p t l a ÷=σ632.1 (4-11)式中：[ζ]——取为0.95ζs 为211.5mPa ；t a ——钢管厚度；P ——外水压力设计值结果如下表（单位：m ）表4-4由于上水平段的钢管实际并不存在，闸门段后就是渐变段，渐变段与转弯段向相结合，故结构很复杂，故加劲环间距取为4.5m。

5 施工组织设计5.1 导流标准：导流建筑物级别：根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》和《水利水电施工组织设计规范》，导流建筑物为临时建筑物，级别为Ⅳ级。

相应的洪水标准为：土石围堰的洪水重现期为20～10年，既洪水频率为5～10％取5％。

混凝土围堰的洪水重现期为10～5年，既洪水频率为10～20％，取10％。

5.2 导流方案的选择：本枢纽的基本情况为河床宽120米，多年平均流量为107M 3/S,工期较长为4年，相应于全断面导流法，采用分段面导流法进行导流。

5.2.1围堰的型式：上下游的横向围堰采用土石围堰，纵向围堰采用混凝土围堰，考虑后期纵向围堰作为坝体的一部分。

围堰不过水。

土石围堰的防渗措施，规范规定根据不同厚度地基的覆盖层采用不同的防渗措施。

本枢纽的覆盖层不大，最深处为7米，因此考虑斜墙的防渗措施。

5.2.2导流时段及导流设计流量:采用分段面导流可以划分为三个时段，既： Ⅰ：河水由束窄的河床通过，进行第一期基坑内的工程； Ⅱ：河水由导流底孔下泄，进行第二期基坑内的工程施工；Ⅲ：坝体全面升高，可先由导流底孔下泄，底孔封堵后，河水由永久泄水建筑下泄也可部分或完全拦蓄在水库中，直到工程完建。

导流时段的确定。

考虑第一台机组的发电日期定在第三年底，截流日期选在枯水期初，根据坝址以上流域的降雨情况，4～9月为洪水期，10～3月为枯水期，因此选择在10月初截流之前做好进行施工的准备。

导流流量的确定，由坝趾处的水文条件，截流选在10月初，导流设计流量为Q ＝1070M 3/S 。

5.3 围堰高程的确定：5.3.1一期围堰的堰顶高程)(21A A Q v c -=ε（5-1） 式中：VC ——束窄河床的平均流速； Q ——导流设计流量；ε——侧收缩系数，单侧收缩促0.95；A1——原河床的过水面积A2——围堰和基坑所占的过水面积gv g v z c 222022-=ϕ（5-2）式中：z ——水位壅高；φ——流速系数，围堰平面布置为矩形时，φ＝0.75～0.85，梯形时，φ＝0.8～0.85，有导流墙时，φ＝0.85～0.9 V O ——行进流速； g ——重力加速度上游横向围堰高程Hu 的计算公式：Hu=hd+z+ha+δ（5-3）下游横向围堰高程Hd 的计算公式：Hd=hd+ha+δ（5-4）纵向围堰的堰顶高程要与水面曲线相适应，顶面做成阶梯状和倾斜状，上游部分与上游围堰同高，下游部分与下游围堰同高。

经计算得Hu ＝43.1米；Hd=37.7米,取Hu=44.0m,Hd=38m 。

5.3.2二期围堰的堰顶高程a 、导流的设计流量：导流的设计流量仍然为相应时段内相应洪水重现期的最大流量，根据设计资料确定为4800m3/s 。

b 、预留底孔的泄流能力：取拦洪水位为45.0米，进行调洪演算得到导流底孔的最大泄洪能力为1940m3/s,并拟定导流底孔的直径为7.8米，管道的底高程35.0米高程处。

C 、确定堰顶高程：上游围堰高程 Hu=H 拦+Δh ＝46米 下游围堰高程Hd=H 下+Δh ＝39米5.4 截流日期：5.4.1截流日期:一期围堰截流顶定在工期的第一年的十月初，二期围堰定在工期第二年的十月初。

5.4.2截流方法:采用立堵法。

5.4.3截流流量:采用10％频率的十月平均流量，即110.6m3/s.6 总结及对下阶段工作的建议6.1 小结本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用效益。