一种新型水平底钢岔管设计理论的研究与应用.docx

水利学报2014年1月SHUILIXUEBAO第45卷第1期文章编号：0559-9350（2014）01-0096-07一种新型水平底钢岔管设计理论的研究与应用汪洋1，伍鹤皋1，杜芳琴1，2（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072； 2.上海友为工程设计有限公司，上海200333）摘要：本文提出了一种新型对称水平底钢岔管，并研究了相应的设计理论和方法。该岔管在保持传统钢岔管优点 的基础上，保证各管节的管底在同一高程，使其在高压管道检修时可以自流排水，不需要采用水泵抽水或在钢岔 管上留孔并接专用排水系统，可大大缩短排水时间，增加检修的有效工时。结合某工程实例，通过有限元方法与 月牙肋钢岔管进行对比分析，结果表明，新型水平底钢岔管体形匀称，加工简单，水力特性良好，受力合理，采 用地下埋管布置时开挖断面较小，经济性好，可以在实际工程中推广应用。 关键词：水电站；新型水平底钢岔管；体形设计理论；有限元分析中图分类号：TV314文献标识码：Adoi：10.13243/ki.slxb.2014.01.0131研究背景目前，一大批大型水电站正在我国西南兴建或处于规划当中，水电站的HD值（H为工作水头，D 为蜗壳最大直径）越来越大，工程地质条件越来越复杂，这对我国水电建设的科技水平提出了新的要求。钢岔管是水电站的重要组成部分之一，常见的岔管形式主要有贴边岔管、三梁岔管、月牙肋岔管、球形岔管和无梁岔管等［1-4］。在设计合理且制作安装达到相关规范要求的情况下，现有的钢岔管能很好地分配水流，且结构安全稳定，当前较为常用的月牙肋钢岔管更是具有较小的水头损失和较好的应力状态［1-3］。但是在实际工程中，由于钢岔管分岔后支管直径变小的原因［4］，上述钢岔管形式均很难满足钢管下平段在检修维护过程中自流排水的要求，钢管放空检修维护时，只能采用水泵临时抽水或者岔管管壳部位留孔接排水管等方式进行排水。由于水泵临时抽水时间长、效率低，岔管底部设置排水管容易堵塞，且高强钢制作的钢岔管管壁开孔对受力和施工均不利。因此，引水发电 系统中钢管自流排水问题迫切需要解决。针对这一问题，本文在传统钢岔管设计原则的基础上，设计一种使岔管各管节的管底在同一高程上的新型钢岔管形式，称之为水平底钢岔管。该岔管能在保证结构安全、水力条件良好和施工方 便的同时，满足自流排水的要求，从而简化维护步骤，节约检修时间。2设计理论和方法2.1体形及参数设置水平底钢岔管由管身段和加强梁两部分组成，其中管身段包括主管、支锥和 支管，加强梁包括腰梁和U梁。本文主要研究对称布置形式的水平底钢岔管，如图1所示。图1所示的水平底钢岔管中，对于管身段，各管节的管底高程相同，使支锥的轴线倾斜；而在主管与支锥、支锥与支管相交的部位均保证管与管间的公切球半径相同，使得所有相贯线均为平面曲收稿日期：2013-04-18基金项目：国家自然科学基金资助项目作者简介：汪洋（1989-），男，湖北武汉人，博士生，主要从事水电站压力管道和地下工程研究。E-mail：oceans@通讯作者：伍鹤皋（1964-），男，江西宜丰人，教授，主要从事水电站压力管道和地下工程研究。E-mail：wbf1988@线。这样既保持了传统形式钢岔管的许多优点，也对加强梁的制作安装以及结构的受力有利。 对于加强梁，主管与支锥相交处截面半径较大，不平衡力也较大，因此设置腰梁约束局部应力；而支锥与支管相交处不平衡力较小，不设置加强梁。两支锥相交处由于相贯线较长，相切截面较大， 不平衡力很大，因此设置U梁以承担不平衡力，同时在此处借鉴月牙肋岔管的体形设计，将U梁部分 内伸，形成“内加强肋板”的形式。这样可以尽可能发挥加强梁的作用，提高岔管整体稳定性［5］。2φ对于对称水平底钢岔管，能唯一确定其体形的基本参数有9个：水平分岔角2φ、主管半径R、支 管半径r、支锥半锥顶角α、主管长L1、支管长L2、腰梁外伸高度YL、U梁外伸宽度UL和内伸最大宽 度NL［5-6］。岔管的体形及参数设置如图1所示。图1对称水平底钢岔管体形及参数设置2.2坐标系设置本文定义基准空间直角坐标系OXYZ：原点O在主管与支锥的公切球球心上，且平 面XOY平行于水平面，以下简称基坐标系，如图1所示。通过本文推导的几何方程，可以将各管段几 何方程最后统一转换到基坐标系，岔管体形便可以唯一确定。和常规钢岔管的管轴线在同一水平面不同，水平底钢岔管的各段管轴线高程不一，虽然管节间相贯线仍然是平面曲线，但不以基坐标系的XOY平面为对称面，因而几何方程比较复杂。为方便推导主管以外的各管段几何方程，本文另建立了3个局部坐标系，分别用O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2和 O3X3Y3Z3表示，这样可以相对简洁地在局部坐标系下表示出如支管、腰梁等几何方程，