第十三章 水电站的压力管道第七节 分岔管一、分岔管压力管道的分岔方式有Y形［图8-22(a)］和y形［图8-22(b)］二者对水流的分配均匀，缺 点是机组数较多时分岔段较长；后者的分岔管是一种由薄壳和刚度较大的加强梁组成的复杂 的空间组合结构，受力状态比较复杂，在计算力学和计算机这种计算工具应用于工程之前， 对这种结构只能简化成平面问题进行近似计算岔管的加强梁有时需要锻造，卷板和焊接后 需作调整残余应力处理，因而制造工艺比较复杂图 13-22 管道分岔方式岔管的另一特点是水头损失较大，在整个引水系统的水头损失重在重要地位例如我国 某水电站，引水隧洞长1200m，根据模型试验，仅一处岔管的局部水头损失即超过引水隧洞 和进水口水头损失的总和因此，如何降低水头损失是岔管设计的一个重要问题较好的岔 管体型应具有较小的水头损失、较好的应力状态和较易于制造从水力学的角度看，岔管的体型设计应注意以下几点：(1) 使水流通过岔管各断面的平均流速相等，或使水流处于缓慢的加速状态2) 采用较小的分岔角a,如图13-23所示但从结构上考虑，分岔角不宜太小，太小 会增加分岔段的长度，需要较大尺寸的加强梁，并会给制造带来困难。
水电站岔管的分岔角 一般在 30°-75°范围内，最常采用的范围是45°-60°3) 分弃管采用锥管过渡，避免用柱管直接连接半锥和一般用5°-10°4) 采用较小的岔档角夕岔档有分流的作用，较小的岔档角有利于分流5) 支管上游侧采用较小的顺流转角Y以上各点有时难于同时满足，例如，增加支管锥角灵有助于减小y,但又不可避免地会加 大B，但前者对水流的影响较大岔管的水力要求和结构要求也存在矛盾，例如，较小的分岔角对水流有利，但对结构不 利，因为分岔角越小，管壁互相切割的破口越大，加强梁的尺寸也就越大，而且过小的夹角 会使岔档部位的焊接困难，又例如，支管用锥管过渡对水流有明显的好处，但不可避免地会 使主支间的破口加大；等等这就要求在设计岔管体型时应最大限度地满足各方面的要求， 分清主次，抓住主要矛盾一般说来，对于水头较低的电站，岔管的内压较小，而岔管的水 头损失占总水头的比重较大，此时多考虑一些水力方面的要求是正确的；反之，对于高水头 的电站，多考虑一些结构方面的要求是合理的在以后的讨论中我们将会知道，在分岔区，由于管壁的相互切割，在内水压力的作用下 存在较大的不平衡力，需要另设加强构件承担加强构件一般沿管壁的相贯线（管壁交线） 布置。
在工程中，为了便于加固，希望相贯线是平面曲线相贯线是平面曲线的必要和充分 条件是两个锥管有一个公切球（平面图像是公切圆），如图13-24 所示在平面图上，公切 圆0与锥管I相切于a、a,与锥管II相切于b, b,连接aa和bb,得交点D, AD和BD即为相 贯线的平面图像在垂直纸面的沿AD和BD方向的两个平面上，相贯线是两个椭圆曲线若主支管的直径相差较大，两者公切于一个球有困难，则岔管的体型也可以不按这一要 求进行设计，此时相贯线是一个曲面上的封闭曲线，常用一个曲面圈梁加固图 13-24 两个锥管平面的公切圆二、岔管的荷载和受力特点 在压力管道的分岔处，管壁因互相切割而不再是一个完整的圆形，在内水压力作用下， 原被切割等的管壁所承担的环拉力T便无法平衡，需另设加强构件来承担这个不平衡力，如 图13-25 (b)所示此外，在有些情况下管壁还存在轴向力，此轴向力在相贯处也不能平衡, 需由加强构件承担n - n Cc>图 13-25 岔管的受力情况1.管壁环向拉力引起的荷载如图13-25 (b)所示，在内压p作用下，沿锥管轴线单位长度管壁的环拉力I = - -4■- ( 14—37)cos 8式中 一锥管的半锥顶角；-计算点处的锥管半径。
T沿LM方向单位长度的垂直分量为= Feoscos a =cos2 6(14—38?图13-25中的分力日’分解为作用在相贯线平面内沿竖轴y表示的水平分量 式中a-支管轴线与主管轴线所夹之锐角;y-相贯线垂直坐标，见图13-25 (c)；a、b-相贯线的半长轴和半短轴，其值为其中 R 为主管半径上述久和丹1是一侧支管作用于相贯线LM上的荷载，对Y形分岔，乘以2得总荷载;对于不对称的y形分岔，贝I」应分别以两支管的参数代入式(13-38)和(13-39)求出相应的荷载和駕沿u、y轴的分布如图13-25 (c)2.管壁轴向力引起的荷载管壁的轴向力有以下几种情况：有闷头、有锥管、有伸缩节及埋管等对支管有闷头情况(如水压试验等)，单位周长管壁沿母线方向的轴力对于埋管式中-钢材的泊松比;碣-钢材的线膨胀系数;丑-钢材的弹性模量;轴向力在相贯线上的垂直分量和水平分量式中j相贯线椭圆曲线w+n上计算点的横坐标值;b( = a-——-—— 曲1〔 U +冈其他符号同前'和丹2亦为一个支管引起的荷载，方向示于图13-25（C）中以上为相贯线LM上的荷载相贯线CD和UQ上的荷载求法类似三、几种常用的岔管 根据岔管的体型和加固方式，水电站常用的岔管有以下几种。
一）贴边岔管贴边岔管在相贯线的两侧用补强板加固，如图13-26所示补强板与管壁焊接，可加于 管外，也可同时加于管内和管外我国早期建造的几个水电站多采用这种岔管贴边岔管的 特点是补强板的刚度较小（与后面的加固梁比较），不平衡区的内水压力由补强板和管壁共 同承担，适用于中、低水头的y型地下埋管，特别适用于支、主管直径之比（d/D）在0.5 以下的情况，此比值大于0.7 时不宜采用贴边岔管图 13-26 贴边岔管贴边岔管的应力状态比较复杂，除有限元法外，目前尚无他比较合理的分析方法，其壁厚可近似的用下式确定式中R-计算管节的最大内径;焊缝系数;疋1 -系数，取1.2-1.5, d/D小者取小值；[a]i-膜应力区的容许应力，基本荷载时取，特殊荷载时取补强板可采用一层（置于管外）， d/D 较大时可用两层（管内外各一层），宽度用（0.2-0.4） d,厚度可与管壁厚度相同二）三梁岔管三梁岔管用三根首尾相连接的曲梁作为加固构件，如图13-27所示U梁承受较大的不 平衡水压力，使梁系中的主要构件腰梁1 承受的不平衡力较小，腰梁2用来加固主管管壁 同时，两根腰梁有协助U梁承受外力的功用加固梁的刚度比邻近的管壁刚度要大得多，故在设计时，一般假定梁系承担全部不平衡 区的内水压力。
梁的断面可计入皿品每侧宽度的管壁U形梁沿相贯线布置，一般加于管壳之外，内外缘均为椭圆曲线，如图13-28 （a）所示U梁的荷载如图13-25（c）所示，在垂直和水平荷载V、H及腰梁反力P、Q、M的作用下, U梁可近似作为固定于对称轴1-1的变截面悬臂梁进行分析计算U梁的横截面形式比较常用的有矩形和T形，图13-28 （b）和（c）所示采用T形截 面的目的是为了采用较薄的腹板获得较大惯性矩，但由于T形截面形心外移使U形梁的悬臂 加长，荷载V在1-1截面形成的弯矩将显著增加，从而使U梁内缘的拉应力加大，故宜采用 丄形截面矩形截面的U梁也应避免采用瘦高截面为了减小U梁的计算跨度，可将其部分嵌入管壳内，如图8-28（d）所示嵌入的深度越大, U梁的弯曲应力越小，逐步使U梁过渡为受拉构件水工模型试验表明，嵌人的U梁对水流的影响视岔管的分流情况而定对于设计的分流情况，水流比较对称，嵌入的U梁对水流一般无不良影响，甚至可熊有利；对于非设计情况（如一个支管为设计流量另一支管关闭），则U梁两侧出现旋涡区，使水头损失加，在U梁两侧加导流板有一定效果图 13-18 U 形梁三梁岔管的主要缺点是梁系中的应力主要是弯曲应力，材料的强度未得到充分利用，三 个曲梁（特别是U梁常常需要高大的截面，这不但浪费了材料，加大了岔管的轮廓尺寸。
而 且可能需要锻造，焊接后还可能需要进行热处理由于梁的刚度较大，对管壳有较强的约束， 使梁附近的管壳产生较大的局部应力同时，在内压的作用下，由于相贯线的垂直变位较小， 用于埋管则不能充分利用围岩的抗力因此，三梁岔管虽有长期的设计、制造和运行的经验， 但由于存在上述缺点，不能认为是一种很理想的岔管三梁岔管用于内压较高、直径不大的 明管道三）月牙肋岔管月牙肋岔管是三梁岔管的一种发展前面已经指出，三梁岔管的U梁嵌人管壳能够改 善其应力状态月牙肋岔管用一个完全嵌入管壳内的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁， 并按月牙肋主要承受轴向拉力的原则来确定月牙肋的尺寸月牙肋岔管的主管为倒锥管，两个支管为顺锥管，三者有一公切球，如图13-29 所示主管采用倒锥管的目的有二：一是减小A点管壁的转角Y （—般不超过13以达到取消 AD 方向的腰梁和改善流态的目的；二是适当的逐步扩大分岔区的过流面积，以减小流速， 从而降低水头损失图 13-29 月牙肋岔管月牙肋岔管的分岔角常用55°-90°，公切球的半径取1.1-1.2 倍主管半径月牙肋岔管的壁厚用式(13-44)和下式求出而取其大者式(13-44)用于膜应力区，疋1取1.0-1.1。
式(13-45)用于局部应力区，瓦按图13-30查取, ［在基本荷载情况下取°电込，特殊荷载情况下取 肋板的中央截面宽度可从图8-31 (a)中的经验曲线初步确定，曲线-用于试验工况, 曲线口匚用于运行工况坊'确定后，肋板内缘尺寸可按图13-31(b)中的朋刊三点成一抛物线按 确定肋板的厚度K = 十 t? C14—46）式中V为中央截面的作用力，可按《水工设计手册》等文献中的公式求取bh在基本荷载 情况下取込，特殊荷载情况下取°帀C为锈蚀裕量5大体为管壁厚度的2.0-2.5 倍图 13-31 决定月牙肋尺寸的经验曲线由于月牙肋是按无矩要求设计的，荷载合力基本通过肋板截面形心，使肋板处于轴心受拉状态；材料的强度得以充分发挥由于肋板厚度不大，可用厚钢板制造，工艺较为简单肋板的轮廓尺寸与分岔角『彳、勺）和两顺锥管的半锥角（気,）有关，一般说来， 全岔角越小、锥角越大，要求的肋板宽度越大，因此，调整分岔角和锥角的大小可改变肋板 的宽度和厚度月牙肋岔管除沿CD向有肋板加固外，其他部位均无加固构件，由管壳承担全部内水压 力，故管壳的体型应力求平顺结构模型试验表明，管壁转折处A点是一个薄弱环节，应控 制转折角 Y 勿使过大。
水工模型试验表明，在设计分流情况下，月牙肋岔管具有良好的流态，但在非对称水流 情况下，插入的肋板对向一侧偏转的水流有阻碍作用，流态趋于恶化，肋板的方向对水流影 响较大，在设计岔管的体型时，应注意使肋板平面与主流方向一致四）球形岔管球形岔管是由球壳、主支管、补强环和内部导流板组成，如图13-32所示在内压作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半，因此，球形岔管适用于高水头电站的焊接空间决定两相邻开孔间的最短弧长R和 为球壳的半径和壁厚，R 一般为1.3-1.6倍主管半径为了减小球壳的半径，球形岔球壳的最小直径按用补强环加固后的各主、支管开孔的局部应力不致相互影响并有一定球壳管常采用较大的分岔角(60°-90°)，使主、支管能均布在球壳的周围补强环导流板图13-32球形岔管球壳的荷载主要有内水压力、补强环的约束力和主、支管的轴向力球壳的厚度可按 内水压力确定，即J =敖 W + C- (14—48)邛［口］ 1式中系。