倒虹吸计算书.doc

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1、旧寨倒虹吸计算书一、 基本资料 设计流量： 2.35 m3/s 加大流量： 2.94 m 3/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： 1.56m 出口渠底高程： 1487.220m 进口渠道设计水深 :1.43m 加大流量水深： 1.70m 进出口渠道形式：矩形 进口管中心高程： 1487.385m 出口管中心高程： 1486.69m 管径 DN ：1.6m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 20033、混凝土结构设计规范 SL/T191 96

2、；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(B 1-B2)或 L=C 1h；C 取 1.52.5;Ci取35:h 上游渠道水深;经计算取 L=4m ; 2、进口沉沙池尺寸确定(1) 拟定池内水深 H;H=h+TT=( 1/3 1/4) h;0.8m;T 为进口渠底至沉沙池底的高差;(2) 沉沙池宽 BB=Q/(Hv) ;v 池内平均流速 0.250.5m/s;经计算取 B=3.5m;(3) 沉沙池长 LL(45) h经计算取 L =8m;(4) 通气孔通气孔最小断面面积按下式计算

3、:KQ1265C , PA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； P为钢管内外允许压力差，其值不大于0.1N/mm2 ； K为安全系数，采用 K=2.8。经计算 A=0.0294 m2 ；计算管内径为0.194m，采用D273( S =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=(34)hT0.5Do+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、4座镇墩，初定钢管内径 DN1600mm, 壁厚S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= a 3 2gZ1P =一.ZZ L/D丄=8g入=FC=1R1/6n式中：Q倒虹吸设计流量（m3/s）;a 流量系数；=0.3833 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刀Z-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；E 闸=0.2,

5、 E 进口 =0.5, E 拦栅=0.5, E 出口 =1,E 90=0.361#镇墩弯头为1459,a =0.32,E 弯头 1=0.32*0.36=0.1152#镇墩弯头为3747,a =0.63,E 弯头 2=0.63*0.36=0.2273#镇墩弯头为444,a =0.69,E 弯头 3=0.69*0.36=0.2484#镇墩弯头为11,a =0.25, E 弯头 4=0.25*0.36=0.09刀E弯头=0.68入能量损失系数；=0.015338L 倒虹吸总长度（m）; 410D 管内直径（m） ; 1.6mC 谢才系数；=71.53n 糙率；取0.012经计算Q=3.0 m3/s大

6、于加大流量 2.94 m3/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=（刀 E + 入 L/D ） V2/2gv管道流速设计时为1.17m/s，加大流量时为 1.46 m/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范SL281 2003规定，采用第四强度理论计算，其计算公式为：；1_y 3 2yz -二2-2筒Z 3 2 z 1-_ Iy3= Jct決2亠芒柑绸兰申k 式中：二1、二2、二3 表示任意点作用有三个主应力；环向正应力；匚x 轴向正应力；、二y 径向正应力；T yz、 T xz、

7、 T xy 剪应力；焊缝系数，取=0.9 ；二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表1 :允许应力表钢材钢板厚度（mm）屈服点CT s(Mpa)允许应力S ( Mpa)膜应力区局部应力区基本组合r =0.55cf s特殊组合r =0.7cf s基本组合cr =0.67ct s特殊组合CT =0.8b sQ235 1640225124158151180Q345 16 25325179228218260 25 36315173221211252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；

8、 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 水管自重的轴向分力； 温升时管壁沿支墩面的磨擦力； 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：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H=107.7m ;支墩间距L=5.4m ;管轴与水平线夹角:=37 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

9、；=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%,X HD。2 0.75门=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8 =14mm。2、管壁弹性稳定计算计算壁厚8 =12mm = 1600=12.3mm ,需设置加劲环。1301303、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 ) 0.5=0.78 (0.806*0.012 ) 0.5 =0.07

10、7m ;本倒虹吸选择角钢L63X 63X6作为加劲环；b、加劲环有效断面面积为：Fr= 728.8+77*2*12+63*12=3332.8mmc、加劲环有效断面重心轴距管中心距R:728.8 829.75 217 12 806 R=811.2mm728.8 + 77x12x2+63X2注：其中L63X 63X6角钢的面积为7288mm 2 ;重心在距离角钢外缘1775mm 处；惯性矩为233820mm 4;d、加劲环有效断面惯性距:J=233820+728.8*18.552+ ( 1/12 ) *217*123+2604*0.8=517516.5mm e、计算加劲环的间距:3EJKPR3=3

11、053mm3 2.1 105 517516.52 0.1 811.23加劲环间距为1.8m4、管壁应力计算断面1的计算a、径向内水压力产生的管壁径向压力c y =-P 设=1.32MPab、径向内水压力产生的管壁环向应力CZ1 = (P 设 *D 0)/(2* 5 )=88 MPa二Z2很小，忽略不计C、法向力产生的管壁弯曲轴向应力4M二 D2、M=qL210此处 q= (g 管 +g 水 + g 地震)cos a , D=1.614m ,5 =14mm ,L=5.4m ,考虑 12% 的附加重 g 水=19.71*1.12=22.1kN/m, g 管=5.46*1.12 =6.11kN/m,

12、 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.M2Cxi = 4qL2 = 士 3.83MPa10 二D2、.d、轴向力产生的管壁轴向应力_ IA二 x2 =2町6水管自重产生的轴向力Ai : 考虑12%的附加重A1= g 管 *L*sin ： =5.46*57*0.613*1.12=213.7kN伸缩接头处内水压力A5 :A5二（D12-D 22） 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

13、磨擦力A6:A6= n D1bfH 上伸设此处b2约为0.1D这里取0.2 ,卩2=0.3故 A 6二 n X 1.628 X 0.2 X 0.3 X 686.7 x 1.25=263kN温度升高管壁沿支墩面的摩擦力A7:考虑12%的附加重A7=f ( g 水 +g 管)L cos ：宀此处 f=0.5=0.5* ( 19.71+5.46 ) *1.12*57*0.79=634.7kN刀 A=213.7+61+263+634.7=1172.4kN1172.42 二 0.806 0.012=-19.3MPae、应力校核：按温升情况计算。校核管顶应力时,取负值（压应力），即二 x=-3.83-19

14、.3二-23.13MPa=,882 （-1.32）88 （-1.32） 0=88.7Mpa v 0.9 x 129=116.1Mpa2=_JxIz +3可xz=J-23.13）2882 -（-23.13） 88 0=101.56Mpa v 0.9 x 129=116.1Mpa二 3 = . ；X . ；y _ ；X二 y 3 xy=.（二23.13）2（二1.32）2二（二23.13）（二1.32）0=22.5Mpa v 0.9 x 129=116.1Mpa断面2 （加劲环）的计算计算简图如图2 :6彳度厚算计r_a、径向内水压力产生的管壁环向应力 Z2 = （ P 设 *r 0 （ 1- B

15、）/ 8Fr 7.288+1.2*6.3=14.848cm2B二（管壁外缘断面与环计算断面比值）Fr 2* 8 t=0.22；z2=68.64MPa（拉）横断面上的正应力-x3 = 士 1.816 B 设巳=士 35.2 MPa （内缘受拉，外缘受压）28-x2 =-19.3MPa（压，同断面 1）管壁外缘应力为：二 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：二y=-P设=-1.32MPa（压）存在局部应力基本荷载匚=158Mpa。匚 1=下；V3 yz=69.3 MPa v 0.9 x 158=142.2Mpa2二_TxTz +3xz=106.90

16、.2 MPa ，固 本钢管光滑管部分不会失稳。b、加劲环管段先按公式Pcr1二3EJ R进行稳定计算得：R l3* 2.1* 105 * 517516.5 c.c c 厂Pcr13=0.34 MPa0.2 MPa;811.23 *1800再按公式Per 2泄进行强度校核得rl235* 33.328 门厂/一厂 c c 一厂Pcr2 二=0.54 MPa0.2 MPa;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Pcr1二3EJr进行稳定计算得：R l53* 2 1* 105 *19120263 44Pcr1 二 3 2.1 10 !9120263.44=10.77MP

17、a0.2 MPa;853.28 * 1800再按公式Per 2泌进行强度校核得rl235 * 103 2Pcr2=3 =1.68 MPa0.2 MPa;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=20

18、m ;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8上=14mm ;1#镇墩上游管段管壁厚8下=14mm ;镇墩材料采用c15钢筋砼，容重24kN/m 3,镇墩地基为 粉砂质板岩，砼与地基的磨擦系数f=035 ,地基承载力 匚=0.35 0.8Mpa。如图4 :1#镇墩平面图1：100500013553645723集芝尋1#镇墩墩纵剖面图 1:100250025001453.475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Ai =g管Lsin :- i此处

19、 D=1.6m , g 管二 n ( D+ 8 ) X 8 X r 钢=5.46kN/m计入附加增重12% ,故 A1 =5.46 X 44 X sin2247 X 112%=104.2 kN下游侧A1 ” =g管Lsin :- 2=5.46 X 57 X sin37 47 X 112%=213.7 kNb、镇墩上、下游内水压力A3 上游端 A3 = n r2* r 水 H=3.14*0.8*0.8*9.81*35.2=693.94 kN下游端 A3 = n r2* r 水 H=3.14*0.8*0.8*9.81*37.8=745.2 kNc、伸缩节管端水压力A5上游伸缩节A5 = ( n /

20、4)22(D1 -D 2 ) r水H上伸设=(3.14/4 ) * ( 1.628 2-1.6 2) 9.81*20=13.92 kN下游伸缩节A5“ = ( n /4)22(D1 -D 2 ) r水H下伸设=(3.14/4 ) * ( 1.628 2-1.6 2) 9.81*71=49.42 kNd、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 =1.25 n D1b2卩2r水H上伸设=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*20*1.25=75.22 kN下游伸缩节A6” =1.25 n

21、Dib2卩2r水H下伸设=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*71*1.25=267kN此处b2约为0.1D这里取0.2 ,卩2=0.3e、温度变化时，支墩对管壁的摩擦力A上游方向A7 = ( g管+ g水)Icos :- 1计入附加增重12% ,*1.12*1.12A7 = ( 5.46+ 19.71 ) *5.4*0.5*cos2247 =70 kN总共有7个支墩刀 A7 =70*7=490 kN下游方向A7 = ( 5.46+ 19.71 ) *5.4*0.5*cos3747 =60 kN总共有9个支墩刀 A 7 =60*9=540 kNf、镇墩中弯管水流离心力A8A8 =

22、A 8 = ( v2/g ) * ( 3.14/4 ) *r 水 D。2=(1.5*1.5/9.81) * (3.14/4 ) *9.81*1.6*1.6=4.52 kNg、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。镇墩前半跨管的法向力Q=刀（g 管 + g 水）l/2*cos ? 1=28.2*6.1/2*0.92=79.1 kN镇墩后钢管的法向力Q=刀（g 管 + g 水）* l/2*cos : 2=2

23、8.2*5.4/2*0.79=60.15kN2）检修条件下镇墩的基本荷载a、钢管自重的轴向分力A1上游侧 A1 =5.46 X 44 x sin2247 x 112%=104.2 kN下游侧A1 ” =g管Lsin :- 2=5.46 x 57 x sin37 47 x 112%=213.7 kNb、温度变化时，伸缩节止水盘根对管壁摩擦力A6上游伸缩节A6 =75.22 kN kN下游伸缩节A6 =267kNc、温度变化时，支墩对管壁的摩擦力A7上游侧 A7 =5.46*5.4*0.5*cos2247 *1.12*7= 106.6 kN下 游侧刀 A7 =5.46*5.4*0.4*cos374

24、7 *1.12*9= 117.4 kNd、镇墩前、后钢管对镇墩的法向力Q = g 管 l/2*cos ? 1=6.11*6.1/2*0.92 = 17.14 kN镇墩后钢管的法向力Q = g 管 L *cos :- 2=6.11*5.4/2*0.79= 13kN3）校核情况下，作用于镇墩的基本荷载水压试验的压力按正常情况设计压力的1.25倍。a、钢管自重的轴向分力A1上游侧 A1 =5.46 X 44 x sin2247 x 112%=104.2 kN下游侧A1 =g管Lsin : 2=5.46 x 57 x sin37 47 x 112%=213.7 kNb、镇墩上、下游内水压力A3上游端

25、A3 =693.94 *1.25=867.43kN上游端 A3 = 745.2*1.25=931.5 kNc、伸缩节管端水压力A5上游 伸缩节 A5 =13.92*1.25=17.4 kN下游伸缩节 A5 =49.42*1.25=61.78 kN镇墩前、后钢管对镇墩的法向力Q =79.1 kN镇墩后钢管的法向力Q =60.15kN4）荷载组合后的水平、垂直分力（1）运行工况升温时a、自上游方向指向镇墩刀 A = A 1 + A 3 + A 5 + A 6 + A + A 8= 104.2+693.94+13.92+75.22+490+4.52= 1381.8 kN水 平方向 分力刀 A cos

26、 ： =1381.8*0.92=1271.3 kN （右）垂直方向分力刀 A si n ： 1=1381.8*0.387=534.8kN（下）b、自下游方向指向镇墩刀 A = A3 + A5 + A6 + A7 + A8 - A/=745.2+49.42+267+540+4.52-213.7= 1392.44kN水平方向分力刀 A cos ： 2=1392.44*0.79=1100kN（左）垂直方向分力刀 A si n ： 2=1285.4*0.612=852kN（ 上 ）c、法向力Q的水平分力Qsin ： 1=79.1*0.387=30.61 kN（左）Q的垂直分力Qcos： 1=79.1*

27、0.92=72.772 kN（下）Q的水平分力Qsin ： 2=60.15*0.612=36.82kN（左）Q 的垂直分力 Q cos 2=60.15*0.79=47.5 kN （下）所以升温时总的水平推力和垂直力分别为：（右）刀 x=1271.3-1100-30.61-36.82=103.87kN刀y=534.8-852+72.77+47.5=-196.93 kN （ 上 ）降温时a、自上游方向指向镇墩刀 A = Ai + A3 + A5 - A 6-A 7+ A*= 104.2+693.94+13.92-75.22-490+4.52=251.36kN水 平方向 分力刀 A cos ： 1=

28、251.36*0.92=231.25 kN （右）垂直方向分力刀 A si n ： 1=251.36*0.387=97.3kN（下）b、自下游方向指向镇墩刀 A = A3 + A5 - A6 - A7 + A8 - A1 =745.2+49.42-267-540+4.52-213.7=-221.56 kN水平方向分力刀 A cos ： 2=221.56*0.79=175 kN（右）垂直方向分力刀A sin ： 2=221.56*0.612=135.6kN（下）c、法向力Q的水平分力Qsin : 1=79.1*0.387=30.61 kN（左）Q的垂直分力Qcos ： 1=79.1*0.92=7

29、2.772 kN（下）Q的水平分力Qsin ： 2=60.15*0.612=36.82kN（左）Q 的垂直分力 Q cos 2=60.15*0.79=47.5 kN （下）所以降温时总的水平推力和垂直力分别为：刀 x=231.25+175-30.61-36.82=338.82 kN （右）刀y=97.3+135.6+47.5+72.77=353.17kN（下）（2）检修状况升温时a、自上游方向指向镇墩刀A = AJ + A6+ A7= 104.2+75.22+106.6=286.02 kN （右）水平方向分力刀 A cos=286*0.92=263.1kN（右）垂直方向分力刀A si n ：（

30、下）b、 自下游方向指向镇墩刀 A =A6 + A7 - A1 =267+117.2-213.7= 170.5 kN水 平方向 分力刀 A cos ： 2=170.5*0.79=137.7kN（左）垂直方向分力刀A sin- 2=170.5*0.612=104.3kN（上）c、法向力Q的水平分力QQ的垂直分力QQ的水平分力QQ的垂直分力Qsin : 1=17.14*0.387=6.64 kNcos： 1=17.14*0.92=15.77 kNsin ： 2=13*0.612=8kN（左）（左）（下）cos ： 2=13*0.79=10.27 kN （下）所以升温时总的水平推力和垂直力分别为：刀

31、 x=263.1-137.7-6.64-8=110.76kN（右）刀 y=110.7-104.3+15.77+10.27=32.44 kN（下）降温时a、自上游方向指向镇墩刀 A = Ai - A 6 -A 7f= 104.2-75.22-106.6=-77.62kN（左）水平方向分力刀 A cos： 1=77.62*0.92=71.41 kN （左）垂直方向分力刀 A si n ： 1=77.62*0.387=30kN（ 上 ）b、自下游方向指向镇墩刀A =A1 + A6 + A7=213.7+267+117.2=597.9 kN水 平方向 分力刀 A cos ： 2=597.9*0.79=

32、472.34 kN（右）垂直方向分力刀A sin ： 2=597.9*0.612=365.79kN（下）d、法向力Q的水平分力Qsin : 1=17.14*0.387=6.64 kN（左）Q的垂直分力Qcos： 1=17.14*0.92=15.77 kN（下）Q的水平分力Qsin ： 2=13*0.612=8kN（左）Q 的垂直分力 Q cos 2=13*0.79=10.27 kN （下）所以降温时总的水平推力和垂直力分别为:刀 x=-71.41+472.34-6.64-8=386.29 kN （右）刀 y=-30+365.79+15.77+10.27=361.83 kN （下）（3）校核状况

33、（水压实验）a、自上游方向指向镇墩刀A = Ai +A3 +A5= 104.2+867.43+17.4=989.03kN（右）水平方向分力刀 A cos： 1=989.03*0.92=909.91 kN（右）垂 直方向 分力刀 A sin ： 1 =989.03*0.387=382.75kN（下）b、自下游方向指向镇墩刀 A =A3 +A5-A1=931.5+61.78-213.7=779.58 kN （左）水 平方向 分力刀 A cos ： 2=779.58*0.79=615.87 kN （左）垂直方向分力刀A sin ： 2=779.58*0.612=477.1kN（上）d、法向力Q的水平分力Qsin ： =79.1*0.387=30.61 kN（左）Q的垂直分力Qcos： 1=79.1*0.92=72.772 kN（下）Q的水平分力Qsin ： 2=60.15*0.612=36.82kN（左）Q 的垂直分力 Q cos 2=60.15*0.79=47.5 kN （下）所以总的水平推力和垂直直力分别为：刀 x=909.91-615.87-30.61-36.82=226.61kN（右）（下）刀 y=382.75-477.1+72.77+47.5=25.92 kN计算成果列于下表,