第五节 明钢管的敷设方式

第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备 一、钢管的敷设方式 明钢管一般敷设在一系列的支墩上，底面高出地表不小于0.6m,这样使管道受力明确，管身离开地面也易于维护和检修。在自重和水重的作用下，支墩上的管道相当于一个多跨连续梁。在管道的转弯处设镇墩，将管道固定，不使有任何位移，相当于梁的固定端。 明钢管宜做成分段式，在两镇墩之间设伸缩节，如图13-3所示。由于伸缩节的存在，在温度变化时，管身在轴向可以自由伸缩，由温度变化引起的轴向力仅为管壁和支墩间的摩擦力和伸缩节的摩擦力。为了减小伸缩节的内水压力和便于安装钢管，伸缩节一般布置在管段的上端，靠近上镇墩处。这样布置也常常有利于镇墩的稳定。伸缩节的位置可以根据具体情况进行调整。若直管段的长度超过150m，可在其间加设镇墩；若其坡度较缓，也可不加镇墩，而将伸缩节置于该管段的中部。 图13-3 明钢管的敷设方式 二、明钢管的支墩和镇墩 （一）支墩 支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相当于梁的滚动支承，允许管道在轴向自由移动。减小支墩间距可以减小管道的弯矩和剪力，但支墩数增加，故支墩的间距应通过结构 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和经济比较确定，一般在6～12m之间。大直径的钢管可采用较小的支墩间距。 按管身与墩座间相对位移的特征，可将支墩分成滑动式、滚动式和摆动式三种。 1.滑动式支墩 滑动式支墩的特征是管道伸缩时沿支墩顶部滑动，可分为鞍式和支承环式两种． 鞍式支墩如图13-4（a）所示。钢管直接安放在一个鞍形的混凝土支座上，鞍座的包角在120°左右。为了减小管壁与鞍座间的摩擦力，在鞍座上常设有金属支承面，并敷以润滑剂。鞍式支墩的优点是结构简单，造价较低，缺点是摩阻力大，支承部分管身受力不钧匀，适用于直径在1OOcm以下的管道。 支承环式滑动支墩是在支墩处的管身外围加刚性的支承环，用两点支承在支墩上，这样可改善支座处的管壁应力状态，减小滑动摩阻，并可防止滑动时摩损管壁，如图13-4(b）所示。但与滚动式支座相比，摩阻系数仍然较大，适用于直径200cm以下的管道。 图13-4 滑动式支墩 2.滚动式支墩 滚动式支墩与上述支承环式滑动支墩不同之处，在于支承环与墩座之间有辊轴，如图13-5所示，改滑动为滚动，从而使摩擦系数降为0.1左右，一适用于直径200cm以上的管道。由于辊轴直径不可能做得很大，所以辊轴与上下承板的接触面积较小，不能承受较大的垂直荷载，使这种支墩的使用受到限制。 图13-5 滚动式支墩 3.摆动式支墩 摆动式支墩的特征是在支承环与墩座之间设一摆动短柱，如图13-6所示。图中摆柱的下端与墩座铰接，上端以圆弧面与支承环的承板接触，管道伸缩时，短柱以铰为中心前后摆动。这种支墩摩阻力很小，能承受较大的垂直荷载，适用于大直径管道。 图13-6 摆动式支墩 （二）镇墩 镇墩一般布置在管道的转弯处，以承受因管道改变方向而产生的不平衡力，将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移，如图13-3所示。在管道的直线段，若长度超过150m,在直线段的中间也应设置镇墩，此时伸缩节可布置在中间镇墩两侧的等距离处，以减小镇墩所受的不平衡力。 1.镇墩的型式 镇墩靠自身重量保持稳定，一般用混凝土浇制。按管道在镇墩上的固定方式，镇墩可分为封闭式（图13-7)和开敞式（图13-8)两种。前者结构简单，节省钢材，对管道的固定好，应用较多；后者易检修，但镇墩处管壁受力不够均匀，用于作用力不太大的情况。 图13-7 封闭式支墩 图13-8 开敞式支墩 2.镇墩的设计 镇墩是管道的固定端，它承受着管道的轴向力、法向力和弯矩，其中以轴向力为主。镇墩的强度一般易于满足，其体积常取决于稳定需要。 管道作用于镇墩上的轴向力见表13-3。镇墩除承受表中所列的轴向力外，还承受部分管重和水重产生的垂直管轴方向的法向力。 管重产生的法向力Qp可近似地表达为 式中 , --镇墩上、下游管段单位管长的管重； 、 —镇墩上、下游管段的倾角； , --镇墩与上、下游相邻支墩间管道长度之半。 水重产生的法向力Qw可近似地表达为 式中 , 为镇墩上、下游管段单位管长的水重，其他符号的意义同式(13-5)。 镇墩的设计应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出各力的最不利组合，求出镇墩所需的形状和尺寸。图13-9标出了分段式（有伸缩节的）管道在满水、温升情况下作用于镇墩上各轴向力的方向。 图13-9 满水温升时管道轴向力 在上述各力作用下，镇墩依靠本身重量维持稳定。镇墩的设计包括抗滑稳定、地基应力校核及镇墩的细部结构设计。 求出上述各力的水平合力∑X和垂直合力∑Y，设镇墩自重（包括镇墩范围内的管重和水重）为G，镇墩与地基间的摩擦系数为fc,则镇墩的抗滑安全系数Kc=fc(∑Y+G)/ ∑X (13-7)，Kc一般不小于1.5，从而可求出镇墩的必须重量G=Kc∑X/fc-∑Y （13-8）。 根据所需的重量可初步拟定镇墩的轮廓尺寸。对初拟的轮廓尺寸进行地基应力校核，以保证总的合力作用点在镇墩底宽的三分点之内，避免镇墩底面出现拉应力；软基上镇墩的地基反力应力求均匀，以减小不均匀沉陷，其值不应超过地基的容许承载力。 软基上镇墩的底面必须在冰冻线以下；对有软弱夹层的地基，还应验算通过地基内部发生深层滑动的可能。 在岩基上，为了减小镇墩的尺寸，可将底面做成倾斜的台阶形，使倾斜面与合力接近垂直，抗滑稳定计算可沿倾斜面进行，但这样做必须以地基充分可靠、滑动面不会通过地基内部为前提。 封闭式混凝土镇墩的表层应配置温度钢筋，以防混凝土开裂而丧失锚固作用；对于管道弯曲段向上凸起处的镇墩（图13-7)，轴向力的合力向上，仅靠管道上部混凝土的重量不足以平衡此合力，尚需设置锚筋以固定管道。 开敞式镇墩需用锚定环将管道固定在混凝土底座上，如图13-8所示；锚定环附近的管身应力不易精确计算，容许应力应降低10％。 三、明钢管上的闸、阀门和附件 （一）闸门及阀门 压力管道的进口处常设置平面钢闸门，以便在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。平面钢闸门价格便宜，便于制造，应用较广。平面钢闸门可用到80m水头或更高。 在压力管道末端，即蜗壳进口处，是否需要设置阀门则视具体情况而定：如系单元供水，水头不高，或单机容量不大，而管道进口处又有闸门者，则管末可不设阀门，坝内埋管通常如此；如为集中供水或分组供水，或虽系单元供水而水头较高和机组容量较大时，则斋在管道末端设置阀门。 地下埋管多为集中供水或分组供水，压力管道末端的阀门一般是不可缺少的。若水电站的水头不高，容量不大，压力管道前的引水道不长，而引水道进口处又设有闸门时，则压力管道进口处可不设闸门。 阀门的类型很多，有平板阀、蝴蝶阀、球阀、圆筒阀、针阀和锥阀等，但作为水电站压力管道上的阀门，最常用的是蝴蝶阀和球阀，极小型电站有时用平板阀。 1.蝴蝶阀 蝴蝶阀由阀壳和阀体构成。阀壳为一短圆筒。阀体形似圆饼，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。当阀体平面与水流方向一致时，阀门处于开启状态；当阀体平面与水流方向垂直时，阀门处于关闭状态，如图13-10所示。蝴蝶阀的操作有电动和液压两种，前者用于小型，后者用于大型，蝴蝶阀的优点是启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；缺点是，在开启状态，由于阀体对水流的扰动，水头损失较大；在关闭状态，止水不够严密。它适用于直径较大和水头不很高的情况。 图13-10 蝴蝶阀 蝴蝶阀有横轴和竖轴两种。前者结构简单，水压力的合力偏于阀体的中心轴以下，一旦阀体离开中间位置，即有自闭倾向，特别适于用作事故阀门，但因控制阀门启闭的接力器在阀门旁侧，需要较大的位置。后者接力器在阀顶，结构紧凑，但需设推力轴承支撑阀体，较复杂。 蝴蝶阀是目前国内外应用最广的一种阀门。国外最大直径用到800cm以上，最大水头用到200m。蝴蝶阀可在动水中关闭，但必须用旁通管上下游平压后开启，蝴蝶阀因止水不够严密，不适用于高水头情况。 2.球阀 球阀由球形外壳、可转动的圆筒形阀体及其他附件构成。当阀体圆筒的轴线与管道轴线一致时，阀门处于开启状态，如图13-11 (b)；若将阀体旋转90°,使圆筒一侧的球面封板挡住水流通路，则阀门处于关闭状态，如图13-11 (a)。关闭时，将小阀B关闭，在空腔A内注人高压水（可使之与上游管道相通），使球阀封板紧紧压在下游管口的阀座上，故止水严密。开启时，先将小阀B打开，将空腔A中的压力水排至下游，并用旁通管向下游管道充水，形成反向压力，使球面封板离开阀座，以减小旋转阀体时的阻力，和防止摩损止水。 图13-11球阀 球阀的优点是在开启状态时实际上没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压；缺点是结构较复杂，尺寸和重量较大，造价高。球阀适于用作高水头电站的水轮机前阀门。 球阀可在动水中关闭，但必须用旁通管上下游平压后方能开启。 （二）附件 明钢管上的附件有伸缩节、通气阀、人孔和排水管等。 1.伸缩节 根据功用的不同，伸缩节可采用不同的结构型式。图13-12 (a)为单套筒伸缩节，这种伸缩节只允许管道在轴向伸缩；图13-12 (b)为双套筒伸缩节，具有这种伸缩节的管道除可作轴向伸缩外，还允许有微小的角位移。这两种均属温度伸缩节。如地基可能出现较大的变形，则应采用温度沉陷伸缩节，这种伸缩节除允许管道沿轴向自由变形外，还允许两侧管道发生较大的相对转角。温度沉陷伸缩节与图13-12 (b)相似，只在管壁与填料的接触部位沿轴向做成弧形，以适应管轴转动。细部结构参阅有关资料。 图13-12 伸缩节 （单位：mm） 1-橡皮填料；2-大麻或石棉填料；3-拉紧螺栓 2.通气阀 通气阀常布置在阀门之后，其功用与通气孔相似。当阀门紧急关闭时，管道中的负压使通气孔打开进气；管道充水时，管道中的空气从通气阀排出，然后利用水压将通气阀关闭。在可能产生负压的供水管路上，有时也需设通气阀。 3.人孔 人孔是工作人员进人管内进行观察和检修的通道。明钢管的人孔宜设在镇墩附近，以便固定钢丝绳、吊篮和布置卷扬机等。人孔在管道横断面上的位置以便于进人为原则，其形状一般做成450-500mm直径的圆孔。图13-13为其一种。人孔间距视具体情况而定，一般可取150m。 图13-13 人孔 4.排水及观测设备 管道的最低点应设排水管，以便在检修管道时排除其中积水和闸（阀）门漏水。 大中型压力管道应有进行应力、沉陷和振动（明管）、外水压和管外间隙（埋管）、腐蚀与磨损等原型观测的设备。