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 m3/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 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=C1h； C 取 1.5 2.5； C1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 (1) 拟定池内水深 H; H=h+T T=（ 1/3 1/4） h； T 为进口渠底至沉沙池底的高差；取 0.8m； (2) 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； (3) 沉沙池长 L L（ 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： PCKQA 1265； 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； 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(=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)h T 0.5D0+ +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 DN1600mm，壁厚 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= gZ2 DL /1 =28CgC= Rn1 1/6 式中： Q倒虹吸设计流量（ m3/s）； 流量系数； =0.383 倒虹吸过水断面面积； =2.01 g重力加速度（ m/s2） Z上、下游水位差（ m） ； 0.777m 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 =0.2， 进口 =0.5， 拦栅 =0.5， 出口 =1， 弯头 = 90， 90=0.36 1#镇墩弯头为 14 59， =0.32， 弯头 1=0.32*0.36=0.115 2#镇墩弯头为 37 47 ， =0.63， 弯头 2=0.63*0.36=0.227 3#镇墩弯头为 44 4 ， =0.69， 弯头 3=0.69*0.36=0.248 4#镇墩弯头为 11 ， =0.25， 弯头 4=0.25*0.36=0.09 弯头 =0.68 =2.88 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=3.0 m3/s 大于加大流量 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=（ + L/D） V2/2g v 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 SL2812003规定，采用第四强度理论计算，其计算公式为： yzyZyZ 2221 3 zZZ 2222 3 yyy 2223 3 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； yz、 xz、 xy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 表 1： 允许应力表 钢材 钢板厚度 (mm) 屈服点 s (Mpa) 允许应力 （ Mpa） 膜应力区 局部应力区 基本组合 =0.55 s 特殊组合 =0.7 s 基本组合 =0.67 s 特殊组合 =0.8 s Q235 16 235 129 165 158 188 16 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 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 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 H0=107.7m； 支墩间距 L=5.4m； 管轴与水平线夹角 =37 47 ; 支承环5400112233180018001800图一加劲环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%, 75.02 0 HD=11.12mm 选用管壁计算厚度 选 =12mm，考虑 2mm 的防锈厚度，管壁的结构厚度取 =14mm。 2、管壁弹性稳定计算 计算壁厚 =12mm0.2 MPa，固本钢管光滑管部分不会失稳。 b、 加劲环管段 先按 公式 lJ3RR3EPcr1进行稳定 计算得 : 1800*8 1 1 . 2 5.517516*10*1.2*3P c r 1 35 =0.34 MPa0.2 MPa; 再按公式 lrFPcr2 Rs 进行强度校核得 180*80 328.33*235P c r2 =0.54 MPa0.2 MPa; 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 lJ3RR3EPcr1进行稳定计算得 : 1800*8 5 3 . 2 8 44.19120263*10*1.2*3P c r 1 35 =10.77MPa0.2 MPa; 再按公式 lrFPcr2 Rs 进行强度校核得 180*80 2.103*235P c r2 =1.68 MPa0.2 MPa; 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 上 =14mm； 1#镇墩上游管段管壁厚 下 =14mm； 镇墩材料采用 c15 钢筋砼，容重 24kN/m3，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 =0.35 0.8Mpa。 如图 4： 1#镇墩平面图 1:1001200160012001#镇墩墩纵剖面图 1:1001 3 5 5 3 6 4 514001600500200025002 5 0 0 2 5 0 01453. 4 7 55 0 0 0A1531w1w2w3w4w536962500w61 3 5 5 1 1 4 53227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 A1 上游侧 A1 =g 管 Lsin 1 此处 D=1.6m， g 管 = （ D+ ） r 钢 =5.46kN/m 计入附加增重 12%， 故 A1 =5.46 44 sin22 47 112%=104.2 kN 下游侧 A1 =g 管 Lsin 2 =5.46 57 sin37 47 112%=213.7 kN b、 镇墩上、下游内水压力 A3 上游端 A3 = r2* r 水 H=3.14*0.8*0.8*9.81*35.2 =693.94 kN 下 游端 A3 = r2* r 水 H=3.14*0.8*0.8*9.81*37.8 =745.2 kN c、 伸缩节管端水压力 A5 上游 伸缩节 A5 =（ /4） *（ D12-D22） r 水 H 上伸设 = =（ 3.14/4） *（ 1.6282-1.62） 9.81*20 =13.92 kN 下 游 伸缩节 A5 =（ /4） *（ D12-D22） r 水 H 下伸设 = =（ 3.14/4） *（ 1.6282-1.62） 9.81*71 =49.42 kN 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 =1.25 D1b2 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 D1b2 2r