導(dǎo)語：水電站鋼管設(shè)計(jì)分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

南澗縣板橋電站位于東經(jīng)100º22''''00"～100º23''''30"北緯34º46''''30"～24º46''''30"，電站裝機(jī)2×500kw,工程規(guī)模為小<一>型，工程等別為V等。電站壓力鋼管總體布置，如縱斷面圖所示，壓力管坡總長212米，正常蓄水位為1346.450米，鋼管閘閥末端軸線高程為1229.842米，水輪機(jī)導(dǎo)葉開啟閉時(shí)間Ts=5s,壓力鋼管用A3鋼板現(xiàn)場焊接。支座采用鞍式滑動式，間距為6米，伸縮節(jié)距上鎮(zhèn)墩2米。

板橋電站為在建山區(qū)小型水電站,設(shè)計(jì)正常工作水頭為110米,是典型的高水頭小型水電站,電站明鋼管（光滑管）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析在山區(qū)高水頭小型水電站壓力鋼管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中具有很好的代表性。

一、初擬壓力鋼管內(nèi)徑

已知Q設(shè)=1.4m3/s，取V經(jīng)為3.5m/s

即：D==0.713m

按《水利發(fā)電》中介紹的經(jīng)驗(yàn)公式：

D=7√（1.03Qmax/H）=0.816m

式中:Qmax設(shè)計(jì)正常引用流量

H毛水頭

為計(jì)算方便，取D=800mm作為試算內(nèi)徑。

板橋電站壓力鋼管縱斷面圖

二、水損計(jì)算

1）進(jìn)口水頭損失

h1=Σ·=0.024m

式中：Σ取0.05

V===3.11m/s

2）攔污柵水頭損失

h2=ζ·=0.066m

式中：ζ=KIβ·（）1.33+β2（）1.33Isin2=1.94

V===0.816

3）管道水損

管中流速：V==Q設(shè)/=2.78m/s

流速水頭：=0.394m

2#鎮(zhèn)墩彎管末端至前池鋼管起點(diǎn)：

=90L1=130.974m

C=R1/6=（）1/6=68.83m12/s

入==0.0165

hf1=入··=1.064m

hj1=(ζ1+ζ2+ζ3+ζ4)=0.276m

式中：ζΣ11#彎管水損系數(shù)為0.1

ζ22#彎管水損系數(shù)為0.1

ζ3平板門槽水損系數(shù)為0.4

ζ4前池彎管水損系數(shù)0.1

即：hw1=hf1+hj2=1.34m

2#鎮(zhèn)墩彎管末端至岔管軸線交點(diǎn)段：

L2=69.747m入=0.0165

hf2=入··=0.567m

hj2=(ζ1+ζ2)=0.335m

式中：ζ1岔管局部水損系數(shù)為0.75

ζ23#彎管局部水損系數(shù)為0.1

Hw2=hf2+hj2=0.902m

岔管軸線交點(diǎn)中心O點(diǎn)至支管漸變段

L3=1.5mD=800入=0.0165

V==1.39m/s

=0.0975

hf3=入··=0.003m

支管漸變段（D800—D500）

Ď=650mmŪ=2.48m/s

D1=800mmD2=500mmV1=1.39m/s

V2==3.57m/sC2=（）1/6=63.63m1/2/s

入==0.0193Q取50L4=1.715m

hf4=入··=0.04m

hj4=ζ.=0.004m

式中ζ=0.025/（8sim）=0.072

hw4=hf4+hj4=0.044m

漸變段末端至閘閥末端段

L5=4.675mD=500mmV2=3.57m/s入=0.0193

hf5=入··=0.117m

hj5=(ζΣ1+ζ2)=0.32m

式中：Σ1為1350彎管水損系數(shù)

（ζ1=I0.131+0.1632（）7/2I（））1/2=0.0936

取p=1.96/mR=2.0mQ=450)

水損系數(shù)ζ2=0.4

hw5=hf5+hj5=0.437m

即前池進(jìn)口至2#鎮(zhèn)墩灣管末端

H凈1=1346.45-1.34-1261.53=83.58m

岔管軸線交點(diǎn)O處

H凈2=1346.45-1.34-0.902-1229.985=114.263m

支管閘門未端

H凈3=1346.45-1.34-0.902-0.003-0.044-0.437-1229.842

=113.922m

工作凈水頭

H凈=123.922—1.5=112.422m

三、水擊壓力計(jì)算

1管壁厚度擬定

水電站（8-5）式；δ=γHD/2φ[σ]

H=123.922m

φ=0.85

[σ]=127.5*103*0.75KPa

取8mm計(jì)算厚度,再考慮銹蝕等原因,各管段壁厚取值如下:

Ⅰ#δ=10mmD=0.8mV=2.78m/s

L1=130.974m

Ⅱ#δ=12mmD=0.8mV=2.78m/s

L2=69.747m

Ⅲ#δ=12mmD=0.8mV=1.39m/s

L3=1.5m

Ⅳ#δ=12mmD=0.65mV=2.48m/s

L4=1.715m

Ⅴ#δ=12mmD=0.5mV=3.57m/s

L5=4.675m

1）判別水擊類型

取Ts=5sα0取1435m/s

a1==1070m/s

a2==1111m/s

a3==1111m/s

a4==1156m/s

a5==1206m/s

②ā=

=1087.12m/s

V最大==2.785m/s

ρ==1.247

Q==0.0956

水擊波的相tΥ==0.383

TΥ<Ts=5s故發(fā)生間接水擊

導(dǎo)葉由全開到全關(guān)時(shí)

I始=1pI始=1.247σ=0.0956

查圖表知，將產(chǎn)生末項(xiàng)正水擊

I始=0.5pI始=1.345×0.5=0.6725

即查表知，發(fā)生第一相水擊

3正水擊壓力升高值

Z間末==0.101

閘閥未端水擊壓力升高值

Δh1閘末=Z間末H0=0.101×123.922=12.516m

H01=123.922+12.516=136.438m

按直線分布規(guī)律：

岔管軸線交點(diǎn)O處

Δh岔0=×Δh閘末=20.732m

H02=114.263+12.042=126.305m

2#鎮(zhèn)墩彎管軸線交點(diǎn)處

Δh2#=×Δh閘末=7.83m

H03=83.58+7.85=91.411m

末跨1-1斷面

Δh1-1=×Δh閘末=11.69m

H1-1=111.705+11.69=123.395m

末跨2-2斷面

Δh2-2=×Δh閘末=11.514m

H2-2=110.305+11.514=121.819m

本計(jì)算只對鋼管作結(jié)構(gòu)計(jì)算，在進(jìn)行壓力鋼管、線路布置時(shí)已滿足規(guī)范規(guī)定管線高于最低壓力線的要求，故不需作負(fù)水擊值計(jì)算。

四、明鋼管（光滑管）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

1、鋼管穩(wěn)定校核

f=0.01－0.012m＞==0.0062

故鋼管穩(wěn)定，不需設(shè)置剛性環(huán)。

末跨鋼管布置圖

2、鋼管未跨跨中斷面受力分析（1—1）斷面

1）1—1斷面環(huán)向力計(jì)算

P=rH=9.8×123.395=1209.271(Kpa)

式中：r—水容重9.8KN/m3

H—包括水擊升高值在內(nèi)的凈水頭。

2）1—1斷面法向力計(jì)算

管身米重：g管=πDδγОγ=3.14×0.8×0.012×7.85×103×9.8

=2.31（kN/m）

每米長水重：g水=πD2γ=4.92（kN/m）

支墩承受的法向力η=（g管+g水）LcoS2

=(2.31+4.92)×6×coS28.001700

=38.3（kN）

3）軸向力計(jì)算

A1=gLSina=2.31×60.885×Sm28.0017=66.03（kN）

式中L為未段鋼管長度

溫度升高時(shí)，9個(gè)支墩對管壁的磨擦力為：

A3=（g管+g水）*L*9*fО*coSa

=（2.31+4.92）×6×9×0.5×coS28.00170

=172.357（kN）

伸縮節(jié)接頭管壁受的車向水壓力為：

A7=πDδ¹γH=3.14×0.8×0.012×9.8×93.101=27.503（kN）

式中δ¹—伸縮節(jié)處管壁厚度0.012m

H—伸縮節(jié)處水頭93.101m

溫度升高時(shí)，伸縮節(jié)接頭填料對管壁的磨擦力為：

A8=πDb1fγ¹H¹=3.14×0.8×0.1×0.3×9.8×93.101

=68.757（kN）

3、未跨中1—1斷面應(yīng)力校核

1）徑向內(nèi)水壓力在管壁中產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力：

σz1=γR/f(H-Rcos2cosφ)(Kpa)

式中：γ—水容重9.8KN/m3

R—鋼管內(nèi)半徑0.4m

H—1-1斷面中心水頭123.395m

φ—管壁某計(jì)算點(diǎn)半徑與垂直線的夾角

在管頂（φ=0）處

σz1=(123.395-0.4cos28.00170cos00)

=40193(Kpa)

在管水平軸線（φ=1800）處

σz1=(123.395-0.4cos28.00170cos1800)

=40424(Kpa)

2）法向力在管壁中產(chǎn)生的抽向力σX1

σX1=-cosφ=

=-

=-3811(Kpa)

=3811(Kpa)

式中：M—1-1斷面彎矩

W—鋼管橫斷面條數(shù)

3）軸向力在橫斷面上產(chǎn)生的軸向應(yīng)力σX2

∑А=А1+А3+А7+А8=66.03+172.357+27.503+68.757

σX2=-=-=-11101(Kpa)

4）內(nèi)水壓力在管壁產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力為

σY=-p=-rcA-rcosφ1=-9.8[123.395-0.4cos28.00170cos]

=(Kpa)

5）跨中斷面1-1的剪應(yīng)力ZX2

Q=0即ΤX2=0

6）跨中斷面1-1的復(fù)合應(yīng)力校核

總軸向應(yīng)力

σX=σX1+σX2=-11101=(Kpa)

總環(huán)向應(yīng)力

σZ=(Kpa)

總徑向應(yīng)力

σX=(Kpa)

各向剪應(yīng)力均為零

根據(jù)規(guī)范要求，采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。

σ=

≤φIQI=0.85×127.5×103=108375(Kpa)

φ=00處

σ=

=49690Kpa<108375Kpa符合規(guī)范要求

φ=1800處

σ=

=44984Kpa<108375Kpa符合規(guī)范要求

4、未跨支座附近2-2斷面應(yīng)力校核：

1）2-2斷面徑向內(nèi)水壓力生產(chǎn)的環(huán)向應(yīng)力為：

σz1=(H-rcosacosφ)

式中：H—2-2斷面中心水頭129.995m。其余符號同前。

在管頂（φ=00）處：

σz1=(129.995-0.4cos28.00170cos00)=42349(Kpa)

在管水平軸線（φ=900）處：

σz1=(129.995-0)=42465(Kpa)

在管底（φ=1800）處：

σz1=(129.995-0.4×cos28.00170cos1800)

=42580(Kpa)

2）軸向力在橫斷面上產(chǎn)生的軸向應(yīng)力（同跨中斷面）：

σx2=-11101(Kpa)

3）法向力在管壁中產(chǎn)生的抽向力

σX1=-cosφ=0(Kpa)（φ=900）

4）內(nèi)水壓力在管壁產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力為：

σY=-p=-9.8（129.96-0.4cos28.00170cosφ）=-1274(Kpa)（φ=900）

5）斷面2-2的剪應(yīng)力：

剪力

Q=（g管+g水）Icosa=19.15

剪應(yīng)力

Tx2=sinф=sinф=1270(Kpa)

6）支座斷面2-2的復(fù)合應(yīng)力校核：只需校核ф=900處的應(yīng)力即可，因ф=00、1800處應(yīng)力以跨中斷面（1-1斷面）控制。

總軸向應(yīng)力σX=σX1+σX2=-11101Kpa（ф=900）

總環(huán)向應(yīng)力

σz=42465Kpa（ф=900）

總徑向應(yīng)力

σY=-1274Kpa（ф=900）

剪應(yīng)力

Tx2=1270Kpa

TxY=0

Txz=0

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，校核2-2斷面復(fù)合應(yīng)力（ф=900）

σ=

=49391(Kpa)<φ[σ]=108375(Kpa)

符合規(guī)范要求。

五、結(jié)論

通過計(jì)算分析，電站明鋼管結(jié)構(gòu)是符合穩(wěn)定要求的。結(jié)合其它已建工程的設(shè)計(jì)工作，筆者主要有以下幾點(diǎn)體會：

1．對于無壓引水式高水頭小型水電站，工作水頭大于150米的明鋼管，導(dǎo)葉由全開到全關(guān)時(shí)發(fā)生第一相水擊；工作水頭大于150米的明鋼管，導(dǎo)葉由全開到全關(guān)時(shí)將產(chǎn)生末相正水擊。

2．對于山區(qū)小型水電站，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，《水工設(shè)計(jì)手冊》壓力鋼管內(nèi)徑擬定公式僅實(shí)用于單機(jī)組情況，對于供多機(jī)組的壓力鋼管按《水工設(shè)計(jì)手冊》公式擬定內(nèi)徑，實(shí)踐證明其計(jì)算值一般都有點(diǎn)偏小。

3．在進(jìn)行壓力鋼管、線路布置時(shí)已滿足規(guī)范規(guī)定管線高于最低壓力線的要求的，不需作負(fù)水擊值計(jì)算。

4．《水工設(shè)計(jì)手冊》壓力鋼管公式計(jì)算D<1.3m不需設(shè)置剛性環(huán),但從我縣多個(gè)電站建設(shè)實(shí)踐來看，山區(qū)小型水電站明鋼管D<1.0m不需設(shè)置剛性環(huán),D≥1.0時(shí)處于安全考慮一般應(yīng)設(shè)置剛性環(huán)。