2无压引水建筑物及地面压力管道

′ 除刚性环与环旁管壁应力分析结果 σ ′′′ x 和σ θ
′′ = σθ
M R zR JR
′′′ = σθ
NR FR
τθr =
QR S R JRa核部位 光滑管管壁：末跨跨中断面，管壁外缘顶点 刚性环及其旁管壁 ：末跨跨端断面，管壁外缘底 点 支承环及其旁管壁 ：末跨跨端断面，管壁外缘顶 点、底点；支承环腹板外缘水平点 ２． 强度理论 第四强度理论的应力强度
§2-3 地面压力管道的结构分析
３．１ 作用在钢管上的力
基本荷载 内水压力+重力（自重+水重）+其它轴向力 附加荷载 风、雪、水压试验、真空、水击、水管安装时所产 生的作用力 特殊荷载 地震力
5
３．２ 地面光滑管应力分析
模型：薄壁圆筒 + 梁 假定：弹性小变形（叠加原理） ３．２．１ 径向力及其产生的应力 内水压力 p =γ (H0+∆H)=γ H
3 10 10 10 5
单位：m α 1
1 5
题2-11图
14
2-14 什么叫加劲环和支撑环的影响长度？如 钢管D=1.1m，δ=10mm，µ=0.3，试求影响 长度t？既然t很小，为什么要考虑加劲环的 影响？ 2-16 试用公式法和查曲线两种方法校核钢管 的外压稳定性。钢管E=210GPa，µ=0.3，安 全系数K=2. （题2-11图）
σθ = pD 2δ
３．２．２ 轴向力及其产生的应力 设轴向力之和为∑A （p20表2-1），其产生的轴向 （x向）膜应力为
σ′ x =
∑A
πDδ
（锅炉公式） （内壁−p，外壁0）
σr 注：H0为设计水头， ∆H为水击水头
３．２．３ 法向力其产生的应力（图示） 模型：连续梁 轴向弯曲应力 环向剪应力
15
1
１．３ 沉沙池
原理 加宽过流断面，降低 v (0.25∼0.70m/s)，减小水流 挟沙能力，有一定长度，使沙沉到底。 排沙方法 （１） 水流冲沙（连续冲沙，定期冲沙） （２） 机械清沙
１．４ 无压引水渠道
１．４．１ 类型 (1) 自动调节渠道：无侧堰，不弃水，渠内水位 最高升到与水库相齐平。 特征：短，断面向下游逐渐增大，堤顶水平，无 侧堰。 (2) 非自动调节渠道：有侧堰，产生弃水，通过 调节渠首闸门减少进流量。 特征：长，堤顶与底坡近似相等，有侧堰。
∆3 = HD 2 4tEδ
刚性环断面F刚
刚性环有效断面FR 管壁相对位移 变形谐和条件 附加力之间关系
t
t
t
t
∆ 2 = ∆1 + ∆ 3
M =
1 Ht 2
３．４ 支承环与环旁管壁应力分析
M和H是附加的力矩和力，对中心取矩无q. 模型：薄壁圆筒 假设：小变形（叠加原理），Saint Venant原理 结果 远端条件 θ =0 M H θ =0 对称性条件 H M
１．６ 日调节池
对担任峰荷的电站宜采用日调节池。
§2-2 地面压力管道
２．１ 功用与特点
位置与布置原则：靠近前池或与前池结合。 作用：进行日调节。 注意：明确水流衔接关系，调节池上游之渠道可按 平均流量设计，此后渠道按Qmax设计。
功用 从引水道末端的前池，将水在有压状态下引入水轮 机蜗壳。 特点 ① 坡度陡 ② 承受水电站的最大水头，以及水击动水压力 ③ 靠近厂房
２．２．２ 按进厂方式划分 (1) 管线与厂房纵轴相垂直 水头损失小，厂内布置方便 (2) 管道与厂房纵轴平行或成一角度
２．２．３ 线路布置原则 (1) 地形地质条件 (2) 垂直等高线（线路短），走向沿山脊，避开山谷 (3) 转弯处设镇墩 (4) 利用挖方和驾空线
２．３ 构造
(1) 连续式（镇墩间无伸缩节） (2) 分段式（镇墩间有伸缩节）
２．４ 钢管材料
２．４．１ 材料 镇静钢和低合金钢，不用沸腾钢。 镇静钢— 脱氧完全— 结构紧密，韧性大； 沸腾钢— 脱氧不完全— 结构不紧密，韧性小，脆性 大，时效敏感，具有冷脆倾向。 ２．４．２ 对材料基本性能的要求 (1) 机械性能 (2) 加工性能 (3) 化学成份
２．５ 常见支墩形式
(1) 鞍形支墩：120°包角，焊加强板，在加强板与支墩 间设垫层，D <1m (2) 滑动支墩 ：有支撑环，钢管加载力提高， D=1∼3m， 支墩间距增大 (3) 滚动支墩：摩擦力小，适应大直径管 (4) 摇臂支墩（摆式支墩）：摩擦力小，适应大直径管
石门子工程岔管有限元分析模型
无压进水口示意图
沉沙池
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无压引水道断面形式
岔管布置形式
支墩类型 加劲钢管在内压作用下的变形
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加劲钢管外压失稳形态 地面压力管道
The junction of the headrace and tailrace tunnels with their throttle valves in the background (Juktan Power Station, Sweden)
σ i ≤ φ [σ ]
３．６ 抗外压稳定分析
薄壳结构，易失稳压扁 ３．６．１ 光滑管临界压力 2E pcr = (δ D)3 1− µ 2 ３．６．２ 刚性环中间管段临界压力
pcr = pcr ( E , µ ; D, δ ; l ; n) 2 Eδ 3 2n 2 − 1 − µ = + n −1 + 2 3 2 n2l 2 n 2l 2 12r (1 − µ ) 2 1 + r (n − 1) 1 + 2 2 π2 r 2 πr Eδ
3
２．２ 布置方式及适用性
２．２．１ 按供水方式划分 (1) 单管单机供水 (单元供水) 结构简单，灵活，适用于大流量电站。 (2) 单管多机供水 (联合供水) 一根管向所有机组供水，适用于Q不大，水头较高 的电站。 (3) 多管多机供水 (分组供水) 优缺点介于(1)、(2) 之间。 (4) 双管单机供水 减少管径。
岔管类型
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镇墩型式
压力管道供水方式示意图
光滑管受力简图
地面压力钢管布置图
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刚性环附近管壁局部应力、变位示意图
地面压力钢管强度校核部位
作 业
2-11 某电站引水钢管如图所示。设D=4m， v0=4m/s，α=30°. 在1-1断面处，管中心线上 水头为50m. 管厚δ=14mm，计算厚度取 12mm. 又因温度升高已使伸缩节处发生相 对滑动，设A7=200kN，支墩滚动摩擦系数 f=0.1. 钢管内糙率n=0.0135，钢的容重 γs=78.5kN/m3 ，[σ]=120MPa，焊缝系数 φ=0.9. 试校核钢管1-1断面顶部A点是否安全。
4
① 管身：无缝管、焊接管、箍管（焊接管应用最多） ②、③ 上镇墩、下镇墩：封闭式，开敞式 设在转弯处，抵抗轴向不平衡力 ④ 伸缩节：单套筒式，双套筒式 消除温度应力，减少不均匀沉陷 ⑤ 支墩：承重，减小跨度，抵抗弯曲变形 ⑥ 加劲环（刚性环）：抵抗外压失稳，防止安装变形 ⑦ 进人孔：检修 ⑧ 阀门：蝴蝶阀，球阀；通气阀 ⑨ 放空底孔（排水孔）
主要内容
第二章 水电站无压引水建筑物 及地面压力管道
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4
无压引水建筑物 地面压力管道 地面压力管道的结构分析 岔管
§2-1 无压引水建筑物
１．１ 无压引水建筑物的组成
(1) 进水口 (4) 压力前池 (2) 沉沙池 (5) 调节池 (3) 无压引水渠
１．２ 无压进水口
n = 2.74 r l 4 r δ
３．６．３ 外压作用下对刚性环的要求 (1) 不失稳屈曲
３．６．４ 抗外压失稳设计 (1) 根据光滑管D、δ，计算pcr (2) 如不满足稳定要求，可设刚性环，假定l，校核 环间光滑管 (3) 校核刚性环
pcr =
3EJ R R 3l
σ s FR rl
(2) 环向压应力小于材料允许值
１．４．２ 应满足的要求 (1) 足够的过水能力，适应Q的变化 (2) 水质（污物、排沙等）（渠首、渠尾） (3) 安全可靠 (a) 不冲不淤 (b) 不长草 (c) 渗漏小 (4) 经济合理。在满足(1)、(2)条件下，通过经济比较 选定渠道方案，也可按经济流速确定，=1.5∼2.0m/s
１．４．３ 水力设计 （1) 恒定流计算 确定Q、A、R、i、n之关系，确定水面线，使 得 Q设=Qmax (a) 水面线应是壅水曲线，避免Q引之少许增加 而大幅度降低水头 (b) 过水能力有余地，适应糙率变化 (2) 非恒定流计算 方法：圣维南方程，进行数值运算 (a) 确定水位，定堤高 (b) 确定低水位，定高压管道进口高程 (c) 计算波动过程，研究电站之工作状况
１．２．１ 应满足的要求 (1) 足够的进水能力（不同水位） (2) 满足水质要求（泥沙、污物、冰块等） (3) hW小（v小，体型合理，v栅≤1m/s，大型：v栅 ≤2m/s） (4) Q进口可控制 1. ２．２ 进口防沙的主要措施 （尤其是有拦河坝时） (1) 设置冲沙闸 (2) 底孔冲沙 (3) 凹岸取水
MD cos θ σ ′′ x = − 2J τ xθ = QS1 QS1 = Jb 2 J δ
３．３ 刚性环与环旁管壁应力分析（图示）
模型：薄壁圆筒 假定：小变形（叠加原理），Saint Venant原理 轴向应力（管壁内外缘）
2 σ ′′′ x = ± β 3 (1 − µ )
pD 2δ
其中：管断面惯性矩 J = πD 3δ 8 计算点以外部分对重心轴的静矩 S1 = D 2δ sin θ 2
2
１．５ 前池
（压力）前池， 为由无压引水道过渡 到压力管道的中间建 筑物，实际上是扩大 断面的渠道。
作用 (1) 稳定水位、调节流量 (2) 拦污、排沙 (3) 泄水 组成 (1) 池身及渐变段 (2) 进水口 (3) 排污、排沙、排冰设备 (4) 泄水建筑物 布置原则 (1) 尽量靠近厂房，缩短压力管道长度 (2) 布置在挖方地段，注意边坡稳定与渗漏问题