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深沟大跨度倒虹吸压力管道设计.docx

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    •           深沟大跨度倒虹吸压力管道设计                    摘要:小河塘1#倒虹吸横跨马树河河谷,两岸地形陡峭,山高谷深,地质情况复杂在设计中就倒虹吸稳定、水头损失、应力分析、结构及基础处理等进行了深入研究关键词:小海子水库; 灌区工程; 倒虹吸;管道设计 1、前言小海子水库位于云南省昭通市南部的巧家县马树镇的马树河上游,水库总库容3156.9万m3,工程区至巧家县城142km是一座解决农村人畜饮水和农业灌溉供水的中型水利工程,可解决巧家县马树、老店、包谷垴和崇溪四个乡镇的马树河、牛栏江干热河谷3.26万人和2.28万头牲畜的饮水困难,同时工程设计灌溉面积5.6万亩工程区属构造侵蚀、剥蚀中山地貌类型,灌区山高谷深,倒虹吸是该引水工程中数量较多的一种建筑物小河塘1#倒虹吸位于渠系工程前部,其最大工作水头为117.748m,设计引水流量3.0m3/s,是灌区建筑物中难度较大的工程该工程修建成败是关系到灌区灌溉得到保证与否、以及整个工程投资效益具体实现的关键2、倒虹吸的总体布置小河塘1#倒虹吸位于灌区总干渠里程6+505~7+003.966段,横跨以礼河一级支流马树河,两岸地形陡峭。

      轴线选择原则:在地形、地质条件允许的情况下,倒虹吸的轴线尽可能与主河床正交,以减少建筑物的长度,降低投资为此初拟了两条轴线及长度,通过水力演算得到各种长度对应的上、下游水位值,并计算各种方案的工程量,通过方案比选和论证,选择出以下布置方案,其工程投资较省2.1、地形、地质条件倒虹吸河谷呈“V”型,左右岸基本对称,坡面起伏不大进出口自然坡度10°~45°,岸坡稳定坡面零星分布第四系粉质粘土夹碎石,较松散~稍密实,钻孔揭露厚0.5~4m两岸基岩为二迭系峨眉山致密块状玄武岩夹紫红色凝灰岩,坡脚及河床强风化杏仁状玄武岩出露,岩石强风化带深1~16m岩层产状:走向北50~60°东,倾向南东,倾角23º~25º2.2、管身布置根据地形、地质情况,两岸管身采用明管布置,坡度为10°~45.5°管道底面高出管槽底部表面0.6 m,跨河水平段在不影响河道安全渲泄洪水情况下,采用高支墩铺设管道过河,管道高于10年一遇洪水位2.5m,结合两岸交通要求, 管道与公路相交处埋于公路以下2.3辅助工程设置问题倒虹吸工程水源为小海子水库库水,泥沙含量虽少,但为尽量减轻泥沙对倒虹吸管的冲刷,在建筑物进口仍设置沉沙池及退水冲沙设施。

      压力管道进口前设置工作闸门及拦污栅,以控制水流及防止飘浮物进入压力管道严防关闸断流或拦污栅被飘浮物堵塞时造成上游渠水漫溢,冲垮山坡,危急建筑物安全,在进口段设置溢流堰及泄水槽同时倒虹吸出口也需设消能池,以调整出口水流的流速分布使之比较均匀而平稳地流入下游渠道对于倒虹吸来说,设置通气孔也是一个重要措施一般倒虹吸通气孔主要用于稳压水流,防止气蚀,这些问题对于小河塘1#倒虹吸工程这种高水头、小流量的倒虹吸工程来说进口发生水跃尤其严重,所以倒虹吸更需设置通气孔倒虹吸管身较长,为了满足运行期间管理维护需要,沿管道设置管槽、人行梯和排水沟,并在管身设置进人孔,能进人检修并保证管内不淤,在跨河最低管段设置冲沙放水孔3、建筑物的选型倒虹吸由进口段、管身段和出口段三部分组成3.1、进、出口建筑物进口设长10m、宽3m的沉沙池,池底高程2314.238m,前用4m长八字形渐变段与渠道连接,在池身边墙高程2317.148m设10m长侧向WES型溢流堰,堰后为泄水陡槽在沉沙池设冲沙管引入泄水陡槽进水室前设拦污栅,栅后(压力管道进口前)设置工作闸门出口设长6.5m、宽2.5m的消力池,池底高程2307.89m,后用5.7m长八字形渐变段与下游渠道连接。

      3.2、工作闸工作闸设在进水室,为1.2×1.5m平板定轮钢闸门配快速启闭机,闸门的启闭轨道为垂直上下,闸室段长4.7m,底高程2314.738m其作用是为了检修、清淤和临时停水;为较好地适应明渠与管身之间的过渡,采用闸底板高程与压力管道进口底齐平闸室均采用开敞式平底结构型式3.3、管身倒虹吸管身常用的断面型式有:圆形、箱形和直墙正反拱形等圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比,其湿周小,水流摩阻力小,水流条件好,过水能力大,施工及焊接较为容易经综合分析,小河塘1#倒虹吸均采用圆形断面钢管露天铺设根据倒虹吸两岸坡地形及地质情况,压力钢管采用斜管布置为不影响马树河宣泄洪水,并结合两岸群众交通需求,跨河采用钢筋混凝土高支墩渡管管身具体布置角度及长度见表1:表1 倒虹吸管布置特性表部 位进口岸坡段跨河段出口岸坡段合计水平夹角(°)0.032.040.033.00.045.524.010.00.0管长(m)2.03250.70954.54391.08373.74487.66955.873115.3811.327532.361在与进出口建筑物及管身角度变化处采用3倍管径的转弯半径弯管与之相连。

      倒虹吸钢管总长532.361m管身共设10个伸缩节由于管线长、高差大,压力管道沿途设置了3个进人孔并在最低处设置φ500mm冲沙阀及冲沙放水管3.4、镇、支墩设计受地形影响,管轴线在纵断面上呈折线状,并在转折处设置封闭式镇墩,直管段每间隔60~80m设一镇墩倒虹吸管沿线共布置11个镇墩在两镇墩之间每隔4~6m设一刚性鞍型支墩,支墩包角120°管身与支座间铺设6mm厚钢垫4、水力设计4.1管径设计水力设计是倒虹吸设计的基础,也是倒虹吸设计是否经济合理的关键合理选择水力设计的计算公式、各种设计参数及各项水头损失系数,是水力设计准确的关键倒虹吸最大工作水头117.748m,设计流量3.0m3/s,最大流量3.75m3/s,最小流量1.2m3/s按最经济的管径近似公式及经济流速公式计算:及 式中: —最大流量;—设计流量;—设计水头;—经济流速,取2.5~4m/s通过分析,计算管径为0.98~1.34m,倒虹吸管内径采用1.2m4.2、水头损失4.2.1、沿程水头损失沿程水头损失根据以下公式计算式中: ;;—设计管内径;—糙率,取0.012;—管道长度;—水力半径;—平均流速4. 2.2、局部水头损失局部水头损失根据以下公式计算:式中: —局部水头损失系数;—相应断面平均流速。

      根据规范及工程类比,进、出口局部水头损失系数分别取0.1和0.4,渐变段水头损失系数取0.05,管身弯管水头损失系数 ,拦污栅水头损失系数取0.5,闸门槽水头损失系数取0.24.2.3总水头损失经水力计算,倒虹吸总水头损失见表2:表2 倒虹吸水头损失计算表流量Q(m3/s)流速υ(m/s)沿程损失hf(m)局部损失hj(m)总损失△h∑(m)3.753.3164.6001.1365.7363.02.6532.9440.7273.6711.21.0610.4710.1160.587扣除沿程及局部水头损失后,倒虹吸相应进出口水位见表3:表3 倒虹吸进出口水位特性表位 置进 口出 口最高水位(m)2317.3982311.400设计水位(m)2314.7712311.100最低水位(m)2311.0292310.4424.2.4、通气孔设计根据水力计算,倒虹吸进口最高水位与最低水位相差6.369m,为满足管身进口过小流量时有一定淹没水深,不形成真空,减小管身震动,需设置一深大于6.369m的进水池而根据当地的地形及地质条件,施工较困难,且工程造价高为了做到设计的安全可靠并节约投资,设计采用在倒虹吸管最低水位以上设通气管,以稳压水流,减小震动和气蚀。

      通气管最小有效断面积按以下公式计算:式中 —通气管进风量,近似取管内流量,m3/s;—通气管流量系数,取0.5;—钢管内外允许气压差,取0.08N/mm2;—安全系数,取2.8经计算,为安全考虑,通气管管径取20cm5、结构设计5.1、管壁厚度倒虹吸最大工作水头117.748m,压力钢管中上部选用Q235钢制做采用以下公式计算管壁厚度:式中 —设计水头;—设计管径;—结构材料的容许应力,为0.55,其中: 屈服强度 =235N/mm2;—焊接系数,取0.9经分段计算,管壁厚度结果为:Q235钢压力管计算壁厚=6~8mm考虑到管壁受泥沙磨损、钢管锈蚀、制造不精确等因素,在计算壁厚 的基础上再加附加值,即压力钢管结构壁厚为 10~12mm最小管壁厚度 =5.5mm,也大于规范要求5.2、应力分析钢管的应力状态是三元的,采用以下结构力学方法公式按空间结构对管壁进行应力分析式中: 、 、 —轴向、环向、径向正应力,N/mm2,以拉为正;、 、 —各方向剪应力,N/mm2经应力分析、各计算点在基本荷载组合和特殊荷载组合情况下,其应力均< 5.3、抗外压稳定校核:除按强度和构造确定管壁厚度外,还需进行外压稳定校核。

      倒虹吸为露天明管布置,在计算时选择管身只是承受均匀径向力作用下的抗外压稳定问题管身无钢性环,沿轴向可以自由伸缩,则管壁的临界外压采用公式:分段计算临界外压力当外部大气压为 1kg/cm2,安全系数 =2,弹性模量 =2.1×106 kg/cm2,泊松比 =0.25,则压力管道无钢性环的管壁能保持稳定的最小厚度为:通过校核计算,管壁能保持稳定的最小厚度为 9.2(mm)设计管壁厚度大于抗外压最小厚度,倒虹吸钢管不需设置钢性加劲环,在结构方面是稳定的6、结语目前工程正在施工,预计2022年3月完工,目前其运行正常参考文献:[1]王致祥,梁志钊,孙国模,文启鼎《管道应力分析与计算》,水利电力出版社(1983),67-81;[2]《倒虹吸管》(灌区水工建筑物丛书),水利电力出版社(1983),253-256;[3]《水电站建筑物》(水工设计手册7),水利电力出版社(1989),181-191;[4]《水利水电工程压力钢管设计规范》(SL/T281-2020)  -全文完-。

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