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—20033、《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+TT=（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BB=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’≥（4~5）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：PC KQ A △1265；A 为通气管最小断面面积m 2；Q 为通气管进风量，近似取钢管内流量，m 3/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/mm 2；K 为安全系数，采用K=2.8。

经计算A=0.0294 m 2；计算管内径为0.194m ，采用D273(δ=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 ≥0.5D 0+δ+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δ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=μωgZ 2DL /1λμ+∑=ζλ=28Cg C=R n11/6式中：Q －倒虹吸设计流量（m 3/s ）； μ－流量系数；=0.383ω－倒虹吸过水断面面积；=2.01 g －重力加速度（m/s 2）Z －上、下游水位差（m ）；0.777m∑ζ－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；ξ闸=0.2，ξ进口=0.5，ξ拦栅=0.5，ξ出口=1， ξ弯头=αξ90，ξ90=0.361#镇墩弯头为14°59′，α=0.32，ξ弯头1=0.32*0.36=0.115 2#镇墩弯头为37°47′，α=0.63，ξ弯头2=0.63*0.36=0.227 3#镇墩弯头为44°4′，α=0.69，ξ弯头3=0.69*0.36=0.248 4#镇墩弯头为11°，α=0.25，ξ弯头4=0.25*0.36=0.09 ∑ξ弯头=0.68 ∑ζ=2.88λ－能量损失系数；=0.015338 L －倒虹吸总长度（m ）；410 D －管内直径（m ）；1.6mC －谢才系数；=71.53 n －糙率；取0.012经计算Q=3.0 m 3/s 大于加大流量2.94 m 3/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=（∑ξ+λL/D ）V 2/2gv 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：[]σϕτσσσσσ≤+-+=yz y Z y Z 22213 []σϕχτσσσσσχχ≤+-+=z Z Z 22223 []σϕχτσσσσσχχ≤+-+=y y y 22233式中：σ1、σ2、σ3－表示任意点作用有三个主应力；σz －环向正应力； σx －轴向正应力； σy －径向正应力；τyz 、τxz 、τxy －剪应力；ϕ－焊缝系数，取ϕ=0.9；[σ]－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H0=107.7m；支墩间距L=5.4m；管轴与水平线夹角 =37°47′;图一1、管壁厚度拟定管径D=1.6m ，钢管采用Q 235B 钢板焊接而成，基本荷载[σ]=129Mpa ，考虑局部应力的基本荷载[σ]=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%,][75.020σδ⨯=HD=11.12mm选用管壁计算厚度选δ=12mm ，考虑2mm 的防锈厚度，管壁的结构厚度取δ=14mm 。

2、管壁弹性稳定计算 计算壁厚δ=12mm<130D =1301600=12.3mm ，需设置加劲环。

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（r c *δ）0.5=0.78（0.806*0.012）0.5=0.077m ； 本倒虹吸选择角钢L63×63×6作为加劲环； b 、加劲环有效断面面积为： F R = 728.8+77*2*12+63*12 =3332.8mm 2c 、加劲环有效断面重心轴距管中心距R ： R=1263212778.7288061221775.8298.728⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯=811.2mm注：其中L63×63×6角钢的面积为728.8mm 2；重心在距离角钢外缘17.75mm 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*0.82 =517516.5mm 4e 、计算加劲环的间距：L 劲=33KPR EJ=352.8111.025.517516101.23⨯⨯⨯⨯⨯=3053mm加劲环间距为1.8m 。

4、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σy =-P设=1.32MPab 、径向内水压力产生的管壁环向应力σZ1= (P设*D 0)/(2*δ)=88 MPaσZ2很小，忽略不计。

c 、法向力产生的管壁弯曲轴向应力σx1=±δπ24D MM=102qL此处q=（g 管+g水+ g地震）cos α，D=1.614m ，δ=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 ，g地震=0.2*2.5*0.25*（22.1+6.11）=3.52kN/m ，cos α=cos37°47′=0.79故M=92.52kN.Mσx1=±δπ22104D qL =±3.83MPa d 、轴向力产生的管壁轴向应力σx2=δπr 2A∑ 水管自重产生的轴向力A 1： 考虑12%的附加重A 1= g 管*L*sin α=5.46*57*0.613*1.12=213.7kN 伸缩接头处内水压力A 5：A 5=4π（D 12-D 22）H上伸设·γ=（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A 6： A 6=πD 1bfH上伸设·γ此处b 2约为0.1D 这里取0.2，μ2=0.3故A 6=π×1.628×0.2×0.3×686.7×1.25=263kN 温度升高管壁沿支墩面的摩擦力A 7： 考虑12%的附加重 A 7=f （g 水+g 管）L ′cos α1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σx2=-012.0806.024.1172⨯⨯π=-19.3MPae 、应力校核：按温升情况计算。

校核管顶应力时，σx取负值（压应力），即σx =-3.83-19.3= -23.13MPaσ1=y z 223τσσσσ+-+y Z y Z=0)32.1(88)32.1(8822+-⨯--+ =88.7Mpa ＜0.9×129=116.1Mpaσ2=xz 223τσσσσ+-+z x z x=088)13.23(88)13.23(22+⨯--+- =101.56Mpa ＜0.9×129=116.1Mpaσ3=xy 223τσσσσ+-+y x y x=0)32.1()13.23()32.1()13.23(22+-⨯---+- =22.5Mpa ＜0.9×129=116.1Mpa断面2（加劲环）的计算计算简图如图2：图二a 、径向内水压力产生的管壁环向应力σZ2=（ P 设*r 0（1-β））/δF R ’=7.288+1.2*6.3=14.848cm 2β=t*2a ''δδ+-R R F F （管壁外缘断面与环计算断面比值）=0.22σZ2=68.64MPa （拉）横断面上的正应力σx3=±1.816βδ设2P 0D =±35.2 MPa （内缘受拉，外缘受压）σx2=-19.3MPa （压，同断面1）管壁外缘应力为：σx =-35.2-19.3=-54.5（外缘受压）横断面上剪压力很小可以省去。