埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置及承载参数分析

景浩

摘 要：近年来，我国常规水电和抽水蓄能电站工程得到快速的发展，各种施工技术、设备不断创新，建筑物的设计水平也在不断的提升。埋藏式月牙肋钢岔管是常规引水式水电工程和抽水蓄能电站中应用广泛的建筑物，其承载力和体型设计直接影响着整个常规水电工程和抽水蓄能电站的工程质量和投资。而在其设计过程中，埋藏式月牙肋钢岔管的体型设计布置和承载参数的计算又是非常重要的工作内容，为此文章针对埋藏式月牙肋钢岔管的合理体型设计及承载参数计算等相关的内容进行分析研究。

关键词：埋藏式月牙肋钢岔管；合理体型设计；承载参数

引言

随着我国常规水电工程和抽水蓄能电站工程的快速发展，施工和设计水平都在不断提升，埋藏式月牙肋钢岔管做为一重要的建筑物，其结构、性能与传统的钢岔管相比有着受力明确、水头损失小和施工方便等显著的优势。在埋藏式月牙肋钢岔管的设计中，其合理的布置以及承载参数的计算和设定是关键，影响着月牙肋钢管的整体设计质量。为了保证埋藏式月牙肋钢岔管可以满足不同环境的需求，文章针对埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置及承载参数等内容进行分析。

1 埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置分析

随着我国经济不断的发展，我国能源需求量逐年攀升，使得有着绿色能源的水电工程和抽水蓄能电站工程近几年得到大力的开发。与此同时引水管道设计也伴随着地质条件差、高水头、大PD值等不利影响因素。钢岔管作为引水式多机组电站中的关键设备，其综合这几年钢岔管的设计工作，月牙肋钢岔管应用最为广泛。在具体的设计时，需要充分的考虑施工条件，例如岩层内的水压力等，通过对月牙肋钢岔管的参数、结构等的合理设计和布置，降低其安装和生产制造的难度，并保障工程的施工质量[1]。

从近几年的水电工程和抽水蓄能电站工程的现状来分析，有着PD值越来越大，围岩条件愈来愈复杂的趋势，从目前的围岩承载需求分析，围岩条件好时，管道在设计的过程中，管壁厚度会偏大。为了满足实际工作中围岩的承载需求，管道的管壁厚度往往会超过设计的厚度，进而保证管道可以根据不同的围岩条件，对其承载比进行调整和控制。根据某工程实际，拟定了对称Y型钢岔管和非对称钢岔管的布置形式进行比较分析，具体体型布置如图1、图2所示。

不同类型的钢岔管，其布置形式不同，针对非对称钢岔管和对称Y型钢岔管的布置形式等进行分析，结果显示（表1）这两种类型的钢岔管，其管壁厚度均由整体膜应力、局部膜应力、弯曲应力控制，非对称钢岔管其腰线转折角则集中到一侧（图1），其腰线的转折角大于对称钢岔管的腰线转折角的布置[2]。非对称钢岔管的应力分布不均，进而很难充分地发挥钢材的作用以及性能，非对称钢岔管的管壁厚，相对于对称Y型钢岔管的管壁厚度而言，增加了6mm左右，为此也增加了管道的生产制造、安装的难度。

综合分析非对称钢岔管和对称Y型钢岔管的总体布置形式、结构，从管道生产制造、安装的可行性、结构的稳定性和安全性等角度考虑，对称Y型钢岔管的布置更为合理，属于较优的布置方案。

2 埋藏式月牙肋钢岔管的承载参数分析

在实际的水电和抽水蓄能工程实践中，埋藏式月牙肋钢岔管在内水压力的作用下，钢岔管会发生变形，其变形将缝隙填满之后，会与混凝土接触，然后再通过回填混凝土，将载荷传递给围岩，通过围岩与钢岔管内水压力产生相反的弹性抗力，使得围岩对钢岔管的位移有抑制的作用[3]。

针对埋藏式月牙肋钢岔管的承载参数进行分析，钢岔管的体型参数为：假设管壁厚度为t0，按照应力分类分析法，根据膜应力、局部应力的分布和安全性需求，管壁厚度的计算公式可以为：

在公式（1）中P为内水压力；r为该节段钢岔管最大的内半径；α为该节段钢岔管的半锥顶角；？渍为焊缝系数；[σ]1、[σ]2则分别是钢岔管按整体膜应力计的抗力限值、局部膜应力加弯曲应力计的抗力限值；K1、K2则分别是钢岔管整体膜应力计应力系数、局部应力区的应力集中计算系数。

埋藏式月牙肋钢岔管的肋板尺寸参数，按照图3的平面结构进行设计，可以将肋板中面、主岔面、支岔面相交曲线上各点的坐标值得出，结果公式如下：

在公式（3）中C为管壁厚度裕量；Bt为肋中央断面宽度；[σ]1为允许应力；V则是主岔锥面作用于肋板中央截面上的垂直分力。

在实际工作中，按照规范中的设计方法，采用cad平面方式设计往往费时费力，工作量很大。埋藏式月牙肋钢岔管的设计，具体就是体型合理选择和承载参数的设计，可以按照实际的工作需求，使用诸如CATIA、Rhino等三维建模软件，对其进行承载参数三维参数化设计，将其相关的参数带入公式，计算出埋藏式月牙肋钢岔管的承载参数[4]。这样可以大大缩短设计周期，提高图纸的精度，总结其设计流程如图4所示。

通过对设计过的钢岔管总结得知，埋藏式月牙肋钢岔管在围岩条件好的情况下，其管壁参数较大，在围岩条件较差时，在联合承载的作用下，可以确定官管壁的厚度参数，满足使用要求。在实际的生产制造中，埋藏式月牙肋钢岔管与围岩联合承载，可以约束钢岔管的变形，可以使得钢岔管各个部分的应力，尤其是腰线转折角的应力，呈现均匀化变化，此时的围岩抗力系数会出现稍微的增加，使得钢岔管的管壁厚度减小，在生产制造中，可以节省钢料，降低生产制造难度，增强安装安全性。对于较大直径和PD值的钢岔管，在围岩条件较差时，对称Y型钢岔管的管壁设计、生产制造、安装等难度较低，生产制造中使用的钢量也相对较少，此时对称Y型钢岔管的优势非常的突出。在围岩条件相对较好时，非对称钢岔管的管壁厚度，会随着围岩抗力系数的增加，而逐渐地接近对称Y型钢岔管，但是从整体的生产制造、安装、使用等情况进行分析，对称Y型钢岔管的使用范围更为广泛[5]。

在实际的生产和工作中，钢岔管的布置形式和承载参数受到各种因素的影响，为了保证钢岔管在水电和抽水蓄能工程中可以广泛的应用，我们可以通过运用三维软件、三维有限元分析软件等辅助手段，对钢岔管的布置形式、承载参数等进行计算和复核，设计生产出安全性高、性能高的钢岔管，并将其广泛地应用到水电和抽水蓄能工程施工建设中。

3 结束语

埋藏式月牙肋钢岔管的合理体型布置选择，以及良好的承载参数取值，将影响着整个工程的施工质量和后期安全运行，所以在钢管设计时要结合围岩的具体条件，具体问题具体分析，采取CATIA三维体型设计软件和三维有限元软件等设计手段进行设计和复核，可以迅速、精确地设计体型，确定岔管的承载参数，满足工程实际的需要。

参考文献

[1]李捷，冉建西，徐燕.水电站工程埋藏式钢岔管壁厚分析探讨[J].水利建设与管理，2011（6）：28-30+19.

[2]王维娜，李捷.对月牙肋钢岔管有限元计算的分析与建议[J].水利水电工程设计，2014（4）：3-5.

[3]张伟，齐一鹤，刘姝麟，等.月牙肋岔管三维参数化设计方法研究[J].广西大学学报（自然科学版），2015（4）：1019-1028.

[4]周彩荣，伍鹤皋，石长征.埋藏式月牙肋钢岔管布置形式选择和承载特性研究[J].水力发电学报，2014（4）：208-213.

[5]刘姝麟.月牙肋岔管的三维参数化设计与安全评估[D].广西大学，2014.