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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
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