山区小型水电站设计明钢管（光滑管）结构稳定性分析实例.doc

'山区小型水电站设计明钢管（光滑管）结构稳定性分析实例摘要：板桥电站为在建山区小型水电站,设计正常工作水头为110米,是典型的高水头小型水电站,电站明钢管（光滑管）结构稳定性分析在山区高水头小型水电站压力钢管结构稳定性分析中具有很好的代表性。笔者从初拟压力钢管内径、水损计算、水击压力计算和明钢管（光滑管）结构稳定分析对实例进行了分析，并结合以往设计工作经验，阐述几点山区小水电站明钢管（光滑管）结构稳定性分析的体会。关键词：小型水电站设计明钢管结构稳定性分析实例南涧县板桥电站位于东经100º22"00"～100º23"30"北纬34º46"30"～24º46"30"，电站装机2×500kw,工程规模为小<一>型，工程等别为V等。电站压力钢管总体布置，如纵断面图所示，压力管坡总长212米，正常蓄水位为1346.450米，钢管闸阀末端轴线高程为1229.842米，水轮机导叶开启闭时间Ts=5s,压力钢管用A3钢板现场焊接。支座采用鞍式滑动式，间距为6米，伸缩节距上镇墩2米。板桥电站为在建山区小型水电站,设计正常工作水头为110米,是典型的高水头小型水电站,电站明钢管（光滑管）结构稳定性分析在山区高水头小型水电站压力钢管结构稳定性分析中具有很好的代表性。一、初拟压力钢管内径已知Q设=1.4m3/s，取V经为3.5m/s即：D==0.713m按《水利发电》中介绍的经验公式：D=7√（1.03Qmax/H）=0.816m式中:Qmax设计正常引用流量H毛水头为计算方便，取D=800mm作为试算内径。板桥电站压力钢管纵断面图二、水损计算1）进口水头损失h1=Σ·=0.024m11 式中：Σ取0.05V===3.11m/s2）拦污栅水头损失h2=ζ·=0.066m式中：ζ=KIβ·（）1.33+β2（）1.33Isin2=1.94V===0.8163）管道水损管中流速：V==Q设/=2.78m/s流速水头：=0.394m2#镇墩弯管末端至前池钢管起点：=90L1=130.974mC=R1/6=（）1/6=68.83m12/s入==0.0165hf1=入··=1.064mhj1=(ζ1+ζ2+ζ3+ζ4)=0.276m式中：ζΣ11#弯管水损系数为0.1ζ22#弯管水损系数为0.1ζ3平板门槽水损系数为0.4ζ4前池弯管水损系数0.1即：hw1=hf1+hj2=1.34m2#镇墩弯管末端至岔管轴线交点段：L2=69.747m入=0.016511 hf2=入··=0.567mhj2=(ζ1+ζ2)=0.335m式中：ζ1岔管局部水损系数为0.75ζ23#弯管局部水损系数为0.1Hw2=hf2+hj2=0.902m岔管轴线交点中心O点至支管渐变段L3=1.5mD=800入=0.0165V==1.39m/s=0.0975hf3=入··=0.003m支管渐变段（D800—D500）Ď=650mmŪ=2.48m/sD1=800mmD2=500mmV1=1.39m/sV2==3.57m/sC2=（）1/6=63.63m1/2/s入==0.0193Q取50L4=1.715mhf4=入··=0.04mhj4=ζ.=0.004m式中ζ=0.025/（8sim）=0.072hw4=hf4+hj4=0.044m渐变段末端至闸阀末端段L5=4.675mD=500mmV2=3.57m/s入=0.0193hf5=入··=0.117m11 hj5=(ζΣ1+ζ2)=0.32m式中：Σ1为1350弯管水损系数（ζ1=I0.131+0.1632（）7/2I（））1/2=0.0936取p=1.96/mR=2.0mQ=450)水损系数ζ2=0.4hw5=hf5+hj5=0.437m即前池进口至2#镇墩湾管末端H净1=1346.45-1.34-1261.53=83.58m岔管轴线交点O处H净2=1346.45-1.34-0.902-1229.985=114.263m支管闸门未端H净3=1346.45-1.34-0.902-0.003-0.044-0.437-1229.842=113.922m工作净水头H净=123.922—1.5=112.422m三、水击压力计算1管壁厚度拟定水电站（8-5）式；δ=γHD/2φ[σ]H=123.922mφ=0.85[σ]=127.5*103*0.75KPa取8mm计算厚度,再考虑锈蚀等原因,各管段壁厚取值如下:Ⅰ#δ=10mmD=0.8mV=2.78m/sL1=130.974mⅡ#δ=12mmD=0.8mV=2.78m/sL2=69.747m11 Ⅲ#δ=12mmD=0.8mV=1.39m/sL3=1.5mⅣ#δ=12mmD=0.65mV=2.48m/sL4=1.715mⅤ#δ=12mmD=0.5mV=3.57m/sL5=4.675m1）判别水击类型取Ts=5sα0取1435m/sa1==1070m/sa2==1111m/sa3==1111m/sa4==1156m/sa5==1206m/s②ā==1087.12m/sV最大==2.785m/sρ==1.247Q==0.0956水击波的相tΥ==0.383TΥ<Ts=5s故发生间接水击导叶由全开到全关时11 I始=1pI始=1.247σ=0.0956查图表知，将产生末项正水击I始=0.5pI始=1.345×0.5=0.6725即查表知，发生第一相水击3正水击压力升高值Z间末==0.101闸阀未端水击压力升高值Δh1闸末=Z间末H0=0.101×123.922=12.516mH01=123.922+12.516=136.438m按直线分布规律：岔管轴线交点O处Δh岔0=×Δh闸末=20.732mH02=114.263+12.042=126.305m2#镇墩弯管轴线交点处Δh2#=×Δh闸末=7.83mH03=83.58+7.85=91.411m末跨1-1断面Δh1-1=×Δh闸末=11.69mH1-1=111.705+11.69=123.395m末跨2-2断面Δh2-2=×Δh闸末=11.514mH2-2=110.305+11.514=121.819m本计算只对钢管作结构计算，在进行压力钢管、线路布置时已满足规范规定管线高于最低压力线的要求，故不需作负水击值计算。四、明钢管（光滑管）结构稳定分析11 1、钢管稳定校核f=0.01－0.012m＞==0.0062故钢管稳定，不需设置刚性环。末跨钢管布置图2、钢管未跨跨中断面受力分析（1—1）断面1）1—1断面环向力计算P=rH=9.8×123.395=1209.271(Kpa)式中：r—水容重9.8KN/m3H—包括水击升高值在内的净水头。2）1—1断面法向力计算管身米重：g管=πDδγОγ=3.14×0.8×0.012×7.85×103×9.8=2.31（kN/m）每米长水重：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）轴向力计算A1=gLSina=2.31×60.885×Sm28.0017=66.03（kN）式中L为未段钢管长度温度升高时，9个支墩对管壁的磨擦力为：A3=（g管+g水）*L*9*fО*coSa=（2.31+4.92）×6×9×0.5×coS28.00170=172.357（kN）伸缩节接头管壁受的车向水压力为：A7=πDδ¹γH=3.14×0.8×0.012×9.8×93.101=27.503（kN）式中δ¹—伸缩节处管壁厚度0.012m11 H—伸缩节处水头93.101m温度升高时，伸缩节接头填料对管壁的磨擦力为：A8=πDb1fγ¹H¹=3.14×0.8×0.1×0.3×9.8×93.101=68.757（kN）3、未跨中1—1断面应力校核1）径向内水压力在管壁中产生的环向应力：σz1=γR/f(H-Rcos2cosφ)(Kpa)式中：γ—水容重9.8KN/m3R—钢管内半径0.4mH—1-1断面中心水头123.395mφ—管壁某计算点半径与垂直线的夹角在管顶（φ=0）处σz1=(123.395-0.4cos28.00170cos00)=40193(Kpa)在管水平轴线（φ=1800）处σz1=(123.395-0.4cos28.00170cos1800)=40424(Kpa)2）法向力在管壁中产生的抽向力σX1σX1=-cosφ==-=-3811(Kpa)=3811(Kpa)式中：M—1-1断面弯矩W—钢管横断面条数3）轴向力在横断面上产生的轴向应力σX2∑А=А1+А3+А7+А8=66.03+172.357+27.503+68.757σX2=-=-=-11101(Kpa)11 4）内水压力在管壁产生的径向压应力为σY=-p=-rcA-rcosφ1=-9.8[123.395-0.4cos28.00170cos]=(Kpa)5）跨中断面1-1的剪应力ZX2Q=0即ΤX2=06）跨中断面1-1的复合应力校核总轴向应力σX=σX1+σX2=-11101=(Kpa)总环向应力σZ=(Kpa)总径向应力σX=(Kpa)各向剪应力均为零根据规范要求，采用第四强度理论进行强度校核。σ=≤φIQI=0.85×127.5×103=108375(Kpa)φ=00处σ==49690Kpa<108375Kpa符合规范要求φ=1800处σ==44984Kpa<108375Kpa符合规范要求11 4、未跨支座附近2-2断面应力校核：1）2-2断面径向内水压力生产的环向应力为：σz1=(H-rcosacosφ)式中：H—2-2断面中心水头129.995m。其余符号同前。在管顶（φ=00）处：σz1=(129.995-0.4cos28.00170cos00)=42349(Kpa)在管水平轴线（φ=900）处：σz1=(129.995-0)=42465(Kpa)在管底（φ=1800）处：σz1=(129.995-0.4×cos28.00170cos1800)=42580(Kpa)2）轴向力在横断面上产生的轴向应力（同跨中断面）：σx2=-11101(Kpa)3）法向力在管壁中产生的抽向力σX1=-cosφ=0(Kpa)（φ=900）4）内水压力在管壁产生的径向压应力为：σY=-p=-9.8（129.96-0.4cos28.00170cosφ）=-1274(Kpa)（φ=900）5）断面2-2的剪应力：剪力Q=（g管+g水）Icosa=19.15剪应力Tx2=sinф=sinф=1270(Kpa)6）支座断面2-2的复合应力校核：只需校核ф=900处的应力即可，因ф=00、1800处应力以跨中断面（1-1断面）控制。11 总轴向应力σX=σX1+σX2=-11101Kpa（ф=900）总环向应力σz=42465Kpa（ф=900）总径向应力σY=-1274Kpa（ф=900）剪应力Tx2=1270KpaTxY=0Txz=0根据第四强度理论，校核2-2断面复合应力（ф=900）σ==49391(Kpa)<φ[σ]=108375(Kpa)符合规范要求。五、结论通过计算分析，电站明钢管结构是符合稳定要求的。结合其它已建工程的设计工作，笔者主要有以下几点体会：1．对于无压引水式高水头小型水电站，工作水头大于150米的明钢管，导叶由全开到全关时发生第一相水击；工作水头大于150米的明钢管，导叶由全开到全关时将产生末相正水击。2．对于山区小型水电站，根据实际设计工作经验，《水工设计手册》压力钢管内径拟定公式仅实用于单机组情况，对于供多机组的压力钢管按《水工设计手册》公式拟定内径，实践证明其计算值一般都有点偏小。3．在进行压力钢管、线路布置时已满足规范规定管线高于最低压力线的要求的，不需作负水击值计算。4．《水工设计手册》压力钢管公式计算D<1.3m不需设置刚性环,但从我县多个电站建设实践来看，山区小型水电站明钢管D<1.0m不需设置刚性环,D≥1.0时处于安全考虑一般应设置刚性环。11'