倒虹吸计算书.docx

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倒虹吸计算书

旧寨倒虹吸计算书

、基本资料

设计流量：

2.35m3/s

加大流量：

2.94m3/s

进口渠底高程：

1488.137m

进口渠宽：

2.0m

进口渠道设计水深：

1.31m

加大流量水深：

156m

出口渠底高程：

1487.220m

进口渠道设计水深：

1.43m

加大流量水深：

［,70m进出口渠道形矩形式：

"

进口管中心高

程：

1487.385m

出口管中心高

程：

1486.69m

管径DN:

■

二、设计采用的主要技术规范及书籍

1、《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99:

2、《水电站压力钢管设计规范》SL284—2003

3、《混凝土结构设计规范》SL/T191—96；

4＞《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-

1997；

5、《小型水电站机电设计手册-金属结构》；。

6、《水力计算手册》

7、《倒虹吸管》

三、进口段

1、渐变段尺寸确定

L=C（B1-B2）

或L=Cih；

C取1.5〜2.5；

Ci取3〜5:

h上游渠道水深；

经计算取L=4m；

2、进口沉沙池尺寸确定

⑴拟定池内水深H;

H=h+T

T=（1/3〜1/4）h；

0.8m；

T为进口渠底至沉沙池底的高差；

⑵沉沙池宽B

B=Q/（Hv）；

v池内平均流速0.25〜0.5m/s；

经计算取B=3.5m；

⑶沉沙池长L'

L'>（4~5）h

经计算取L=8m；

⑷通气孔

通气孔最小断面面积按下式计算：

KQ

1265C△P

A为通气管最小断面面积m2；Q为通气管进风量，近似取钢管内流量，m3/s；C为通气管流量系数；如采用通气阀、C取0.5；无阀的通气管，C取0.7；AP为钢管内外允许压力差，其值不大于0.1N/mrp2；K为安全系数，采用K=2.8。

经计算A=0.0294m2；计算管内径为0.194m，采用

D273（8=6mm的）螺旋钢管。

四、出口段

倒虹吸管出口消力池，池长L及池深T，按经验公式：

L=（3~4）h

T>O.5Do+S+0.3

经计算取L=6m，T=1.2m°

五、管身段

本倒虹吸管采用Q235B板钢管，经初步布置和拟定后量得钢管长约410m°根据地形在全线设4座镇墩，初定钢管内径DN1600itiiti，壁厚6为14和16mm°下面分别对倒虹吸进行水力计算、钢管和镇墩结构计算：

（一）水力计算

倒虹吸的过水能力及总水头损失按《灌溉与排水工程设计规

范》附录N所列公式计算:

1、倒虹吸的过水能力按下式计算

Q=（ICO2gZ

J

Z=8g2

c2

C=1R1/6

n

式中：

Q—倒虹吸设计流量（rrP/s）；卩一流量系数；=0.383co—倒虹吸过水断面面积；=2.01g—重力加速度（m/s2）Z—上、下游水位差（m）；0.777m心―局部水头损失系数的总和，包括进、出口拦污栅、闸门槽、伸缩节、进人孔、旁通管、转弯段、渐变段等损失系数；

§闸=0.29§进口=0.5，§拦栅=0.5,g出口=1，

§弯头=ag90，£90=0.36

1#镇墩弯头为14°59‘，a=0.32,w^i=0.32*0.36=0.115

2#镇墩弯头为37°47‘，a=0.63,£弯头2=0.63P.36=0.2273#镇墩弯头为44°4‘，a=0.69,§弯头3=0.630.36=0.2484#镇墩弯头为11。

，a=0.25,£弯头4=0.25*0.36=0.09&弯头=0.68

塑288

入—能量损失系数；=0.015338

L—倒虹吸总长度（m）；410

D—管内直径（m）；1.6m

C—谢才系数；=71.53

n—糙率；取0.012

经计算Q=3.0m3/s大于加大流量2.94m3/s；所以选择钢管内径为

1.6m是合适的。

2、倒虹吸总水头损失按下式计算

hw=（&+XL/D）V2/2g

v管道流速设计时为1.17m/s，加大流量时为1.46m/s°所以设计时hw=0.48m加大时hw=0.74m。

（二）钢管结构计算管壁应力计算，根据《水电站压力钢管设计规

SL281

2003）规定，采用第四强度理论计算，其计算公式为：

222

3y品

式中：

1、2、3—表示任意点作用有三个主应力；

Z—环向正应力；

X—轴向正应力；

y—径向正应力；Tyz、Txz'Txy—剪应力；

—焊缝系数，取=0.9；

[]—相应计算情况的允许应力；不同钢材、板厚，相应计算情况的允许应力见下表

钢材

钢板厚度

（mm）

屈服点

S

（Mpa）

允许应力[5]（Mpa）

膜应力区

局部应力区

基本组合

[]=0.55s

特殊组合

[]=0.7s

基本组合

[]=0.67s

特殊组合

[]=0.8s

Q235

<16

235

129

165

158

188

N16〜40

225

124

158

151

180

Q345

<16

345

190

242

231

276

〉16〜25

325

179

228

218

260

〉25〜36

315

173

221

211

252

表1:

允许应力表

由于本工程采用了鞍形支墩,设置支承环和刚性环，所

以选择以下断面核算应力：

断面1:

支墩间跨中断面；断面2：

加劲环的断面；断面3：

支承环的断面；钢管按满水、温升设计，作用在钢管上的主要力有：

1）内水压力；

2）管重和水重在法向上分力；

3）各种轴向力①水管自重的轴向分力；②温升时管壁沿支墩面的磨擦力；③温升时伸缩节内填料的磨擦力；其余各力均较小，忽略不计。

以1#至2#镇墩之间的钢管为例说明其计算过程，计算简图如图一':

①基本数据

2#镇墩中心至上游伸缩节接头距离L'=57m；

2#镇墩中心至下游伸缩节接头距离L〃=15m；

2#镇墩中心处钢管最大静水头Ho=107.7m

支墩间距L=5.4m；

管轴与水平线夹角=前°47；

加劲环

图一

1、管壁厚度拟定

管径D=1.6m，钢管采用Q235B钢板焊接而成，基本荷载

[]=129Mpa，考虑局部应力的基本荷载[]=158Mpa。

本倒虹吸水压试验压力按正常情况最高内水工作压力的1.25

倍计算，所以最大设计水头H设=1.25*107.7=134.6m°

初估管壁厚度采用降低允许应力至75%,

HDo

20.75[o]

=11.12mm

选用管壁计算厚度选8=12mm，考虑2mm的防锈厚度，管壁的结构厚度取6=14mm。

2、管壁弹性稳定计算

计算壁厚8=12mm

130130

3、加劲环断面及间距计算

a、加劲环对管壁影响范围：

t=0.78（rc*8）05=0.78（0.806*0.012）05=0.077m;本倒虹吸选择角钢L63x63x6作为加劲环；

b、加劲环有效断面面积为：

Fr=728.8+77*2*12+63*12

=3332.8mm2

c、加劲环有效断面重心轴距管中心距R:

7WW^1?

31?

2806R==811-2mm

注：

其中L63x63x6角钢的面积为728.8mm2；重心在距

离角钢外缘17.75mm处；惯性矩为233820mm4；

d、加劲环有效断面惯性距：

J=233820+728.8*18.552+（1/12）*217*123+2604*0.82

=517516.5mm4e、计算加劲环的间距：

=3053mm

3EJ32.1105517516.5

KPR320.1811.23

加劲环间距为1・8m4、管壁应力计算

a、径向内水压力产生的管壁径向压力

y=・P设=1.32MPa

b、径向内水压力产生的管壁环向应力

zi=（P设Po）/（2*8）

=88MPa

Z2很小，忽略不计

C、法向力产生的管壁弯曲轴向应力

4M

x1=±2d2

qL2M=

10

止匕处q=（g管+g水+g地震）cosa,D=1.614m，8=14mm,L=5.4m»考虑12%的附加重g水

=19.71*1.12=22.1kN/m~管=5.46*1.12=6.11kN/m，g地震=0.2*2.5*0.25*（22.1+6.11）=3.52kN/m，cos=cos37°47'=0.79

故M=92.52kN・M

X1=±叫=±3.83MPa

10D2

d、轴向力产生的管壁轴向应力

A

x2=

2r

水管自重产生的轴向力八：

考虑12%的附加重

Ai=g*L*sin=5.46*57*0.613*1.12=213.7kN伸缩接头处内

水压力A5：

A5=（Di2-D22）H上伸设・

4

=（3.14/4）*（1.628*1.628-1.6*1.6）*70*9.81*1.25=61kN

温度升高伸缩接头边缝间的磨擦力A6：

A6=7iDibfH上伸设・

此处b2约为0.1D这里取0.2，2=0.3

故Ae=7ix1.628X0.2X0.3X686.7x1,25=263kN

温度升高管壁沿支墩面的摩擦力A7：

考虑12%的附加重

A?

=f（g水+g管）L'cos1此处f=0.5

=0.5*（19.71+5.46）*1.12*57*0.79

=634.7kN

£A=213.7+61+263+634.7=1172.4kN

故X2=-11724=-19.3MPa

20.8060.012

e、应力校核：

按温升情况计算。

校核管顶应力时9X取负值（压应力），即

X=-3.83-19.3=-23.13MPa

Zyyz

=882（1.32）288（1.32）0

=88.7Mpa<0.9x129=116.1Mpa

-~2

2—Xzxzxz

=（23.13）2882（23.13）880

=101.56Mpa<0.9x129=116.1Mpa

_~2

3一xyxyxy

=（23.13）2（1.32）2（23.13）（1.32）0

=22.5Mpa<0.9x129=116.1Mpa

断面2（加劲环）的计算计

算简图如图2：

a、径向内水压力产生的管壁环向应力

Z2=（P』ro（1-p））/§

Fr'=7.288+1,2*6.3=14.848cm2

卩=F,Rad（管壁外缘断面与环计算断面比值）Fr2恪t

=0.22

Z2=68.64MPa（拉）横断面上的正应力x3=±1.816卩p»Do=±

35.2MPa（内缘受拉，外缘受压）

28

x2=-19.3MPa（压，同断面1）管壁外缘应力为：

x=-35.2-

19.3=54.5（外缘受压）横断面上剪压力很小可以省去。

径向应力：

y=-P设=-1.32MPa（压）存

在局部应力基本荷载[]=158Mpa。

22

1=z2y

73Zyyz

=69.3MPa<

0.9x158=142.2Mpa

=22z

2=x

3

Xzxz

=106.9<0.9x

158=142.2Mpa

2

汀x2y

3

xyxy

=53.9MPa<0.9x158=142.2Mpa

断面3（支承环）的计算

计算简图如图3：

支承环布置形式见支承环结构图，腹板肋板都采用5

=18mm的钢板。

其影响长度为0.077m。

a、确定支承环的有效断面积：

Fr=200*18+82*18*2+314*12=10320mm2

b、支承环有效断面重心轴距管中心距R:

=853.28mm

r__182009032821885331412806

H=182008218231412

C、支承环有效断面绕横轴惯性距:

Jr=（18823（1/12）+0.2828218）2+200183（1/12）

+18200502+314123（1/12）+12314472

=19120263.44mm4

支承环重心轴至环外缘*管壁外缘和管壁内缘距

离Zri、和ZR2、Zr3，各为58.72mm、41.28mm和

53.28mm。

d、计算由于支承环约束引起的环旁管壁局部轴向应力x3=±1.816卩P”.Do=±ioi.5Mpa

P=FZ’ess?

*

Fr2*6t10320

（卩管壁外缘断面与环计算断面比值）

将X3与前面算得的X1、X2（用断面1算得的应力）相加，得支承环旁管壁总X值。

见下表：

表2：

支承环旁管壁总x值表

轴向应力MPa

管壁何詈

X1

x2

x3

X

0=0°

外缘

3.83

-19.3

-101.5

-116.97

内缘

3.83

-19.3

101.5

86.03

0=180°

外缘

383

-19.3

-101.5

-124.63

内缘

-3.83

-19.3

101.5

78.37

e、计算内水压作用下支承环及其旁管壁的环向应力

z1=（P设％（1-p））/8=32.12Mpa

f、计算在Mr作用下支承环旁管壁内外缘环向应力b采用

0.04R，则Mr当0=0。

时，

MR=-0.0085GR=-0.9KN.m

L=5.4m，g水=19.71kN/m，g管=5.56kN/m，考虑附加重

0.12，g地^=0.2*1*0.25*（19.71+5.56）=1.26kN/m，cos=cos37°47=0.79

G=（g管+g水+g地震）*1.12*Lcosa=26.53*5.4*0.79*1.12

=126.76KN

可得管壁外缘环向应力

z2=-:

R2=1.95Mpa

JR

管壁内缘环向应力

MZDO

RR3=2.51Mpa

JR

同理当0=180。

时

z2=-1.95Mpa夕卜缘

z2=-2.51Mpa内缘

他与0=0。

时数值相同，但符号相反

支承环有效面积腹板外缘环向应力

=0°时

oMZ

z2=-:

R1=2.29Mpa

J

R

当0=180。

时

z2=-2.29Mpa

g、计算Nr作用下支承环旁管壁环向应力

当B=0。

时

Nr=dC0.79）=5.84kN"R

得环向应力

z3==0.57Mpa

rR

当0=180。

时

z3=-0.57Mpa

把以上算得的0、Z-戸相加，得总Z见下表:

环向应力MPa

管壁何詈

1Z

2Z

3Z

Z

0=0°

外缘

32.12

1.95

0.57

34.64

内缘

32.12

2.51

0.57

35.2

0=180°

外缘

32.12

-1.95

-0.57

29.6

内缘

32.12

-2.51

-0.57

29.04

表3:

总z值表

h、强度校核

因剪应力在B=0°、180°处可忽略，求合成应力2值。

从表

1、表2中可以明显看出，在0=0°、180°处，管壁夕卜缘合成应

力2值较大、起控制作用。

计算结果如下：

B=0°处，管壁外缘

2=x2z2xz3xz=（116.97）234.642（116.97）34.64

=137.6MPa<0.9x158=142.2Mpa

0=180。

处，管壁外缘

29.62（124.63）29.6

2=%nzxz3xz=（124.63）2

=141.8MPa<0.9x158=142.2Mpa

支承环腹板外缘的合成环

向拉应力在e=90

处的支承点下边为最大，即0=90°（下）处:

Mr=0.01GR=0.01*126.76*0.85328=1.08kN.m腹板外缘环向拉应

2皿RZR1

iW?

0.^872

=3.32Mpa

G126.76

Nr==

44=31.69kN

得环向应力

z3=Nb

Fr

31690o...

0.01032®Mpa

前边e中以计算

z1=32.12Mpa

将以上三个环向拉应力叠加，得腹板腹板外缘环向拉应力为：

z=z1+z2+z3=32.12+3.32+3.1=38.54MPa<0.9x158=142.2Mpa

以上计算结果设计内水压力都是以2#镇墩中心处钢管设计内水压力来计算的比实际略大些，偏于安全。

5、钢管抗外压稳定计算

支承环同时起着加劲环的作用，现校核管壁、加劲环和支承环的抗外压是否稳定。

a、钢管光滑管部分

首先求出

°8=0.444

1.8

0黑=66.67

1=2.25

r

n=2.74*（r）°5（r）02515

=5.19

n=6计算中

间段管壁稳定性

Per

E8

r（n21）（1

式中（1=0.3，

e§31（2

nl%52）3

）

当n=5时Pcr=2.47MPa

2n1）1

IT

22

f7l

当n=6时Pcr=2.74MPa

取Per最小值/即n=5时/得Pcr=2.47MPa>0.2MPa/固

本钢管光滑管部分不会失稳

b、加劲环管段

先按公式Perl3EJ3R进行稳定计算得：

r3i

3*2.1*105*517516.5

Perl3=0.34MPa>0.2MPa;

811.23*1800

再按公式Pcr2®Fr进行强度校核得

rl

235*33.328

Pcr2=0.54MPa>0.2MPa;

80*180

计算结果表明加劲环稳定和强度都满足要求

C、支承环段

按公式Pen3EJ3R进行稳定计算得：

r3i

*3*2.J*105*19120263.44

Perl3乜十10）19120263.44=1077MPa>02MPa；853.283*1800

再按公式Pcr2®FR进行强度校核得

rl

235*103.2

Pcr2235*103-2=1.68MPa>0.2MPa;

80*180

计算结果表明支承环稳定和强度都满足要求

从以上的计算结果表明所选管壁厚度、支座间距、加劲环及支承环满足运行工况下温升条件的强度要求。

三）镇墩结构计算

根据工程的地质情况和镇墩所处位置的设计内水压力，选择1#和2#镇墩作为代表进行计算：

1、1#镇墩

1#镇墩中心至上游伸缩节接头距离L"=44m；1#镇墩中心至下游伸缩节接头距离L〃=57m；1#镇墩中心处钢管工作水头Hg=36.22m；1#镇墩上游伸缩接头处工作水头H上伸设=20m；1#镇墩下游伸缩接头处设计水头H上伸设=71m；1#镇墩上游管段倾角1=22°47'；1#镇墩下游管段倾角2=37°47'；1#镇

墩上游管段管壁厚5±=14mm；1#镇墩上游管段管壁厚6下=14mm；镇墩材料采用c15钢筋磴，容重24kN/m3，镇墩地基为粉砂质板岩，腔与地基的磨擦系数f=035，地基承载力[]=0.35〜0.8Mpa。

如图4：

1#镇墩平面图1:

100

5000

13553645

1#镇墩墩纵剖面图1:

100

25

图四

1）运行条件下作用在镇墩上的基本荷载

a、钢管自重的轴向分力Ai

上游侧A「=g管Lsin1

此处D=1.6m，g管=兀（D+8）x8xr钢=5.46kN/m计入附力[[增重12%，

故Ai'=5.46x44xsin22°47x112%=104.2kN

下游侧A1//=g管Lsin2

=5.46x57xsin37°47"x112%=213.7kN

b、镇墩上、下游内水压力As

上游端As'=7ir2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*35.2

=693.94kN

下游端As//=71r2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*37.8

=745.2kN

*（Di2-D22）r水H上伸设

1.6282-1.62）9.81*20

*（Di2-D22）r水H下伸设

1.6282-1.62）9.81*71

C、伸缩节管端水压力As上游伸缩节A5‘=（兀/4）

=（3.14/4）*

=13.92kN

下游伸缩节A5〃=（71/4）

=（3.14/4）*

=49.42kN

d、温度变化时，伸缩节止水盘根对管壁摩擦力A6，考虑在进行水压试验时不应产生漏水现象，盘根压缩力取为计算水压力的1.25倍。

上游伸缩节a6'=1.257iDib2|i2r水H上伸设

=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*20*1.25

=75.22kN下游伸缩节A6//=1.257iDib2（i2r水H下伸设

=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*71*1.25=267kN

此处匕约为0.1D这里取0.2，（12=0.3

e、温度变化时，支墩对管壁的摩擦力A7上游方向

A7‘=（g管+g水）Icos1

计入附加增重12%，

A?

=（5.46+19.71）*5.4*0.5*cos22°47'*1.12=70kN

总共有7个支墩

YA?

=70*7=490kN

下游方向

A?

//=（5.46+19.71）*5.4*0.5*cos37°47"*1.12=60kN

总共有9个支墩

YA?

//=60*9=540kN

f、镇墩中弯管水流离心力As

As"=A8//=（v2/g）*（3.14/4）午水Do2=（1.5*1.5/9.81）*

（3.14/4）*9.81*1.6*1.6=4.52kN

g、镇墩前、后钢管对镇墩的法向力

镇墩前、后钢管自重及水重形成对镇墩的法向分力。

计算时，镇墩上游侧只计入半个支墩跨段，镇墩下游侧则计算至伸缩节，如果伸缩节布置在镇墩中间也计入半个支墩跨段。

《小型水电站机电设计手册■金属结构》P419页。

镇