干渠1#倒虹吸计算书

'干渠1#倒虹吸计算书一、基本资料设计流量：2.75m3/s加大流量：3.25m3/s进口渠底高程：2739.16m进口渠宽：2.4m进口渠道设计水深:1.55m加大流量水深：1.85m出口渠底高程：2735.66m进出口渠道形式：矩形管径DN：1.3m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》8、工程建设标准强制性条文（水利工程部分）2004版三、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：；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；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=0.0294m2；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)hT≥0.5D0+δ+0.3经计算取L=6m，T=1.2m。五、方案比较（一）管材选择常用的倒虹吸管材通常有预应力砼管、玻璃纤维增强热固树脂夹砂管（玻璃钢管）、钢管等材料,各种材料的优缺点比较如下：②预应力钢筋砼管：按生产工艺分为两种，一种因加工工艺分为三步，通常称为三阶段预应力砼管；另一种方法是一次成型，通常称为一阶段管。预应力砼管因加工工艺简单、造价低、较适合我国的经济状况而被普遍应用。但管材制作过程中存在弊病，如三阶段管喷浆质量不稳定，易脱落和起鼓；一阶段管在施加预应力时不易控制，且因体积重量大造成运输安装不方便，使其应用受到限制。根据预应力砼管现行规范，其在口径大、工作压力高的工程中应慎重采用。本次使用的管道内径1.3m，最大水头为55.02m（管道进口设计底高程2737.41m，最低平管段设计底高程2682.39m），如采用该种管材，其安全性难以保证；而且，本次设计的倒虹吸线路沿坡面铺设，折点多，其接头部分施工质量难以保证，因此，倒虹吸管不适合预应力钢筋砼管型式；③玻璃纤维增强热固树脂夹砂管（玻璃钢管）：玻璃钢管的特点是强度较高，重量轻，耐腐蚀，不结垢，内壁光滑阻力小，在相同管径、相同流量条件小比其他材质管道水头损失小、节省能耗。 玻璃钢管相对而言壁薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高。针对本工程而言，管基为碎石或基岩，边坡高陡，基础与回填很难达到质量要求，因此倒虹吸管亦不适合玻璃钢管型式；④钢管：钢管应用历史较长，范围较广，施工技术成熟，工程中一般选用螺旋焊接与直缝焊接钢管，但成本相对较高。根据当前国内管材市场货源供应情况，各种管材价格、寿命，耐压要求等方面因素综合分析比较，选择钢管较为合理。采用这种管材，其具有脆性好，耐寒冷-40℃不变形，施工方便，抗氧化性能好，市场货源充足，易于采购，运输方便，各项指标均能满足设计要求。故倒虹吸管采用钢管。（二）倒虹吸单、双管的比较选择倒虹吸采用圆形钢管。设计中从水力学计算、工程供水重要性、运行管理等方面进行了比较：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：倒虹吸的过水能力按下式计算：Q=μωλ=C=1/6式中：Q－倒虹吸设计流量（m3/s）；μ－流量系数；ω－倒虹吸过水断面面积；g－重力加速度（m/s2）Z－上、下游水位差（m）；∑－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； 倒虹吸总水头损失按下式计算：hw=（∑ξ+λL/D）V2/2g经计算，倒虹吸按单管时，内径为1.8m；按双管设计，单管内径为1.3m。选择单管过流较为经济。从综合比较的角度来说，第一，北干一期工程不仅有沿线30万亩土地的任务，还有向沿线17座城镇提供生产生活用水的功能，干渠1#倒虹吸采用双管，可以在检修时仍能保证一半流量的供水，而不至于停止供水，提高供水的可靠性；第二，干渠1#倒虹吸还承接着北干二期工程反调节水库—松多水库的输水功能。随着当地经济的发展，拟建的松多水库不仅对干渠进行反调节，其另一主要功能是要为我省湟水流域的东部城市群提供可靠的水源保证，因此，干渠1#倒虹吸的位置非常重要，采用双管设计，能够提高工程的供水可靠性；第三，北干一期工程是我省建设中为数不多的大型水利工程，干渠1#倒虹吸设计流量在我省水利工程中相对较大，根据《灌区建筑物水工建筑物丛书·倒虹吸》对管道布置的要求，为便于日后运行和检修，大流量倒虹吸管应采用双管布置；对重要的工程，断面设计还应考虑检查维修用的最小尺寸。经综合考虑，确定干渠1#倒虹吸按双管设计，单管内径为1.3m。（三）跨沟段建筑物型式选择根据花园沟河道的地形、地质条件从常用建筑物型式的安全合理、经济实用、坚固耐久等方面出发，并考虑由两端底板设计高程控制改线段跨沟建筑物的水头损失，拟定以下两种型式进行比较：型式一：架空式倒虹吸架空式倒虹吸平面总长为514.62m，其进口至沟底平段设计高程最大高差为55.02m，主要由进口段、管身段、出口段等三部分组成。倒虹吸管采用钢管，双管布置，管径1.3m，壁厚10mm。 斜管段沿地形条件明管敷设布置，每隔10m设支墩，在地形变化处加设镇墩，每两个镇墩之间设1个伸缩节。倒虹吸平管段最低处设检修孔和放空阀，并在放空管出口设消能箱。镇、支墩均为C15钢筋砼现浇，镇墩采用重力式结构，与管道刚性连接。倒虹吸平管段采用架空布置，采用C20钢筋砼单排架支撑，排架间距12m，最大排架高度8m。排架基础采用钢筋砼结构扩大基础。其水力学计算详见倒虹吸水力学计算描述。型式二：沟埋式倒虹吸沟埋式倒虹吸平面总长514.62m，进口至沟底平段设计高程最大高差65.02m，其上段布置同架空式倒虹吸，只是沟底平管段需埋入河底3.5m以下。倒虹吸斜管段沿每隔10m设支墩，在地形变化处加设镇墩，每两个镇墩之间设1个伸缩节。河底平管段设6m×3m（高×宽）箱型检修廊道264.82m。倒虹吸平管段最低处设检修孔和放空阀，放空阀后接放空管道至下游河道，并在放空管道出口设消能箱。改线后跨沟段建筑物型式比较见下表。跨沟建筑物型式比较表断面结构架空式倒虹吸沟埋设倒虹吸建筑物平距（m）514.62514.62主要工程量土石方开挖（m3）15711.1433364.87土石方回填（m3）5498.9011148.87砼浇筑（m3）3030.913604.72钢筋（t）86.52186.17钢管（t）341.41372.14工程投资（万元）418.36533.32优缺点比较水头较低，利用排架减小了管道工作压力，净空满足过洪、交通要求，基础处理简单。结构简单；但管道工作压力大，施工对河道和公路影响较大，河底需设检修廊道和较长的放空管道。经过技术经济比较，确定干渠松多水库段改线后跨沟段建筑物采用架空式倒虹吸结构。（四）1#倒虹吸水力学计算根据调整后渠线布置，松多水库坝下游段需增设干渠1#倒虹吸（技施桩号97+122.02～97+636.64m，长514.62m）。倒虹吸 进口处与上游渠道底板衔接设计高程为2739.16m，衔接设计水位为2740.96m，出口处与下游渠道底板衔接设计高程为2735.66m，衔接设计水位为2737.42m，共计消耗水头3.5m。主要由进口段、管身段、出口段等三部分组成。进口段设渐变段、沉沙池、节制退水闸、检修闸门、拦污栅、进水池和通气管，出口段设出水池、渐变段。进、出口段采用C15钢筋砼现浇，闸门及拦污栅设C20钢筋砼工作平台。管身段设检修孔、放空阀、伸缩节、镇墩和支墩。倒虹吸采用圆形钢管，经计算，倒虹吸按单管时，内径为1.8m；按双管设计，单管内径为1.3m。经水力学计算，倒虹吸单管最大过流3.25m3/s时，总水头损失为3.33m，较预留值稍小，满足水面衔接要求。详见下表。 倒虹吸水力及水损计算表(双管）表2—30编号管斜长ι初拟流速设计QωDB取DωV加大Q加大V湿周χR=ω/χC=R1/6/nn加大V设计V1#518.222.22.751.251.261.31.332.453.252.454.080.32563.780.0132.452.2编号λ=8g/c2沿程水头损失hfξ喇叭进口栏污栅ξξ闸门槽ξ弯管弯头个数旁通管出口ξ进出口渐变段∑ξ局部水头损失hj总水头损失Z流量系数μ校核流量核算最小流速1#0.0192.350.240.4790.40.7850.50.50.33.1960.983.330.303.251.45干渠1#倒虹吸纵断面示意图 （五）倒虹吸与沟道交叉断面处沟道水力学计算1#倒虹吸总长514.62m，在沟道底部采用排架架起过沟，共13跨14墩，排架间距12m，沟底过洪断面20m。根据水文资料，沟道20年一遇设计洪峰流量为43.6m3/s。（1）过洪能力估算由于基本资料所限，交叉断面处无法采用非均匀流公式推求河道水面线，因此，本次工作按均匀流公式估算河道水深和过流能力，根据原有工程经验，均匀流公式估算成果稍大于非均匀流公式推算成果，能够满足计算要求。河道糙率是反映河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，糙率在水面曲线计算中是一个重要的影响因素。由于水磨沟无水文站点的实测资料，本阶段工作对河道糙率的确定，根据河道特性（地形、地貌、河槽组成以及水流条件等），参照河槽水流条件与本河道相似的其它河段糙率资料进行分析类比，按洪痕反算，并结合工程实地踏勘情况，确定水磨沟河道与倒虹吸交叉断面处糙率取为n=0.036。根据实测地形图，确定过流断面（见图2—11）。水磨沟河道与倒虹吸交叉断面处取为i=1/100。河道过洪能力估算成果见表2—31。水磨沟河道与1#倒虹吸交叉断面过洪能力估算表表2—31流量河道宽度水深hωχinvQ43.60020.000.91821.81/1000.0362.4444.006（2）排架前雍水计算 倒虹吸排架前雍水计算，根据《水利动能设计手册·防洪手册》中利用上下游有效断面流速水头差，计算最大雍水高度方法进行计算。计算公式如下：△h3=(α/2g)·(V’32-V12)其中：V’3=Q/(εh3∑b)=(QB)/(Bh3ε∑b)=(V3B)/(ε∑b)V1=Q/B·(h3+△h3)=Qh3/B·h3·(h3+△h3)=(V3h3)/(h3+△h3)式中：Q—流量（m3/s）；B—无排架时断面的宽度（m）；b—两排架间的净宽（m）；h3—排架下游正常水深（m）；V3—排架下游为正常水深时的断面平均流速，V3=Q/Bh3（m/s）；V’3—排架下游为正常水深时扣除桥墩后的有效过水断面的平均流速（m/s）；V1—排架上游最大雍水处的断面平均流速（m/s）；h1—排架上游最大雍水处的水深（m）；△h3——最大雍水高度，h1与h3的差值（m）；α——动能修正系数；ε——过水断面收缩系数。经计算，1#倒虹吸过20年一遇43.6m3/s流量时，水流流速为2.44m/s，排架处雍水高度在10cm以下，排架对沟道过洪影响轻微。（3）基础冲刷计算 河道冲刷计算，根据《水力计算手册》计算方法进行。对于一般冲刷深度，采用以下公式计算：hp=Ph，t=hp-h式中：h—河道冲刷前水深；hp—冲刷处的水深（m），经计算为1.35m；P—冲刷系数，设置建筑物前后计算水位下过水面积比值，取1.5；t一般冲刷深度，经计算为0.45m。对于局部冲刷深度，按以下公式进行计算：hB=hp+[(Vp/VH)n-1]式中：hB—局部冲刷深度（m），经计算为0.74m；Vp—平均流速（m/s），经计算为2.44m/s；VH—河床面上允许不冲流速（m/s），取为1.3m/s；n—与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=0.5。（4）基础底埋置深度基础底埋置深度按下式计算：H=t+hB+△式中：H—基础底埋置深度，经计算为3.19m△—基础板底面在局部冲刷线以下安全深度，取2.0米。经计算，此沟段最大冲刷深度为1.19米，确定排架基础埋置深度为3.2m。六、钢管结构计算（一）基础资料1#倒虹吸最大工作水头55.02m，初拟钢管内径1.3m，壁厚8mm；支墩采用鞍式支座。 基本数值表表2—32HDB［σ］DcDHrc计算δmcmN/cm2cmcmcmcm3013015680130.8130.565.40.8（二）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：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；τyz、τxz、τxy－剪应力；－焊缝系数，取=0.9；[]－允许应力。不同钢材、板厚，相应计算情况的允许应力见表2—33：允许应力表表2—33钢材钢板厚度(mm)屈服点s(Mpa)允许应力[δ]（Mpa）膜应力区局部应力区基本组合[]=0.55s特殊组合[]=0.7s基本组合[]=0.67s特殊组合[]=0.8sQ235≤16235129165158188≥16～40225124158151180Q345≤16345190242231276＞16～25325179228218260＞25～36315173221211252按锅炉公式计算管壁厚度：δ=HDB/(2*0.75［σ］)=0.3cm。 根据规范要求，在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度δmin。δmin一般取为D/800+4(mm)，且不宜小于6mm。经计算，本工程排洪管δmin为5.25mm，钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁厚度至少比计算值加2mm。另外，综合考虑北干一期工程材料购置的统一性等因素，确定管壁厚度为8mm。根据管壁弹性稳定计算，δ/Dc=0.0061303＜1/130，因此，管身需设置加劲环。加劲环影响范围Δl=0.78(rcδ)0.5=5.64cm；加劲环间距：l劲2633.4077cm参考加劲环常用间距，取1000cm。经计算，管身各项应力均小于容许应力值，计算成果均满足规范要求。干渠1#倒虹吸进出口结构示意图 干渠1#倒虹吸镇支墩结构示意图（三）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*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：FR=728.8+77*2*12+63*12=3332.8mm2c、加劲环有效断面重心轴距管中心距R：R==811.2mm注：其中L63×63×6角钢的面积为728.8mm2；重心在距离角钢外缘17.75mm处；惯性矩为233820mm4；d、加劲环有效断面惯性距：J=233820+728.8*18.552+（1/12）*217*123+2604*0.82=517516.5mm4 e、计算加劲环的间距：L劲===3053mm加劲环间距为1.8m。（四）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y=-P设=1.32MPab、径向内水压力产生的管壁环向应力Z1=(P设*D0)/(2*δ)=88MPaZ2很小，忽略不计。c、法向力产生的管壁弯曲轴向应力x1=±M=此处q=（g管+g水+g地震）cosα，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=cos37°47′=0.79故M=92.52kN.Mx1=±=±3.83MPad、轴向力产生的管壁轴向应力 x2=水管自重产生的轴向力A1：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=（D12-D22）H上伸设·=（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A6：A6=πD1bfH上伸设·此处b2约为0.1D这里取0.2，μ2=0.3故A6=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A7：考虑12%的附加重A7=f（g水+g管）L′cos1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x2=-=-19.3MPae、应力校核：按温升情况计算。校核管顶应力时，x取负值（压应力），即x=-3.83-19.3=-23.13MPa1= ==88.7Mpa＜0.9×129=116.1Mpa2===101.56Mpa＜0.9×129=116.1Mpa3===22.5Mpa＜0.9×129=116.1Mpa断面2（加劲环）的计算a、径向内水压力产生的管壁环向应力Z2=（P设*r0（1-β））/δFR’=7.288+1.2*6.3=14.848cm2β=（管壁外缘断面与环计算断面比值）=0.22Z2=68.64MPa（拉）横断面上的正应力x3=±1.816β=±35.2MPa（内缘受拉，外缘受压）x2=-19.3MPa（压，同断面1）管壁外缘应力为：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：y=-P设=-1.32MPa（压）存在局部应力基本荷载[]=158Mpa。1==69.3MPa＜0.9×158=142.2Mpa2==106.9<0.9×158=142.2Mpa3==53.9MPa＜0.9×158=142.2Mpa断面3（支承环）的计算支承环布置形式见支承环结构图，腹板肋板都采用δ=18mm的钢板。其影响长度为0.077m。a、确定支承环的有效断面积：FR=200*18+82*18*2+314*12=10320mm2b、支承环有效断面重心轴距管中心距R：R==853.28mmc、支承环有效断面绕横轴惯性距：JR=（18823（1/12）+0.2828218）2+200183（1/12）+18200502+314123（1/12）+12314472=19120263.44mm4支承环重心轴至环外缘、管壁外缘和管壁内缘距离ZR1、和ZR2、ZR3，各为58.72mm、41.28mm和53.28mm。d、计算由于支承环约束引起的环旁管壁局部轴向应力x3=±1.816β=±101.5Mpa β===0.635（β管壁外缘断面与环计算断面比值）将x3与前面算得的x1、x2（用断面1算得的应力）相加，得支承环旁管壁总x值。见下表：表2：支承环旁管壁总x值表轴向应力MPa管壁位置x1x2x3xθ=0°外缘3.83-19.3-101.5-116.97内缘3.83-19.3101.586.03θ=180°外缘-3.83-19.3-101.5-124.63内缘-3.83-19.3101.578.37e、计算内水压作用下支承环及其旁管壁的环向应力Z1=（P设*r0（1-β））/δ=32.12Mpaf、计算在MR作用下支承环旁管壁内外缘环向应力b采用0.04R，则MR当θ=0°时，MR=-0.0085GR=-0.9KN.mL=5.4m，g水=19.71kN/m，g管=5.56kN/m，考虑附加重0.12，g地震=0.2*1*0.25*（19.71+5.56）=1.26kN/m，cos=cos37°47′=0.79G=（g管+g水+g地震）*1.12*Lcosα=26.53*5.4*0.79*1.12=126.76KN 可得管壁外缘环向应力Z2=-=1.95Mpa管壁内缘环向应力Z2=-=2.51Mpa同理当θ=180°时Z2=-1.95Mpa外缘Z2=-2.51Mpa内缘他与θ=0°时数值相同，但符号相反。支承环有效面积腹板外缘环向应力θ=0°时Z2=-=2.29Mpa当θ=180°时Z2=-2.29Mpag、计算NR作用下支承环旁管壁环向应力当θ=0°时NR==5.84kN得环向应力Z3==0.57Mpa当θ=180°时Z3=-0.57Mpa把以上算得的Z1、Z2、Z3相加，得总Z见下表：表3：总Z值表 环向应力MPa管壁位置Z1Z2Z3Zθ=0°外缘32.121.950.5734.64内缘32.122.510.5735.2θ=180°外缘32.12-1.95-0.5729.6内缘32.12-2.51-0.5729.04h、强度校核因剪应力在θ=0°、180°处可忽略，求合成应力2值。从表1、表2中可以明显看出，在θ=0°、180°处，管壁外缘合成应力2值较大，起控制作用。计算结果如下：θ=0°处，管壁外缘2===137.6MPa＜0.9×158=142.2Mpaθ=180°处，管壁外缘2===141.8MPa＜0.9×158=142.2Mpa支承环腹板外缘的合成环向拉应力在θ=90°处的支承点下边为最大，即θ=90°（下）处：MR=0.01GR=0.01*126.76*0.85328=1.08kN.m腹板外缘环向拉应力Z2== =3.32MpaNR===31.69kN得环向应力Z3===3.1Mpa前边e中以计算Z1=32.12Mpa将以上三个环向拉应力叠加，得腹板腹板外缘环向拉应力为：Z=Z1+Z2+Z3=32.12+3.32+3.1=38.54MPa＜0.9×158=142.2Mpa以上计算结果设计内水压力都是以2#镇墩中心处钢管设计内水压力来计算的比实际略大些，偏于安全。5、钢管抗外压稳定计算支承环同时起着加劲环的作用，现校核管壁、加劲环和支承环的抗外压是否稳定。a、钢管光滑管部分首先求出==0.444==66.67=2.25n=2.74*()0.5（）0.25=5.19 取n=5、n=6计算中间段管壁稳定性：式中μ=0.3，当n=5时Pcr=2.47MPa当n=6时Pcr=2.74MPa取Pcr最小值，即n=5时，得Pcr=2.47MPa>0.2MPa，固本钢管光滑管部分不会失稳。a、加劲环管段先按公式进行稳定计算得:=0.34MPa>0.2MPa;再按公式进行强度校核得=0.54MPa>0.2MPa;计算结果表明加劲环稳定和强度都满足要求。b、支承环段按公式进行稳定计算得:=10.77MPa>0.2MPa;再按公式进行强度校核得=1.68MPa>0.2MPa;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。（五）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δ上=14mm；1#镇墩上游管段管壁厚δ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)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Lsin1此处D=1.6m，g管=π（D+δ）×δ×r钢=5.46kN/m计入附加增重12%，故A1′=5.46×44×sin22°47′×112%=104.2kN下游侧A1″=g管Lsin2=5.46×57×sin37°47′×112%=213.7kNa、镇墩上、下游内水压力A3上游端A3′=πr2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*35.2=693.94kN下游端A3″=πr2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*37.8=745.2kNb、伸缩节管端水压力A5上游伸缩节A5′=（π/4）*（D12-D22）r水H上伸设==（3.14/4）*（1.6282-1.62）9.81*20=13.92kN下游伸缩节A5″=（π/4）*（D12-D22）r水H下伸设==（3.14/4）*（1.6282-1.62）9.81*71=49.42kNc、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′=1.25πD1b2μ2r水H上伸设=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*20*1.25=75.22kN 下游伸缩节A6″=1.25πD1b2μ2r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，μ2=0.3a、温度变化时，支墩对管壁的摩擦力A7上游方向A7′=（g管+g水）lcos1计入附加增重12%，A7′=（5.46+19.71）*5.4*0.5*cos22°47′*1.12=70kN总共有7个支墩∑A7′=70*7=490kN下游方向A7″=（5.46+19.71）*5.4*0.5*cos37°47′*1.12=60kN总共有9个支墩∑A7″=60*9=540kNb、镇墩中弯管水流离心力A8A8′=A8″=（v2/g）*（3.14/4）*r水D02=（1.5*1.5/9.81）*（3.14/4）*9.81*1.6*1.6=4.52kNc、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′=∑(g管+g水）l/2*cos1=28.2*6.1/2*0.92=79.1kN镇墩后钢管的法向力Q″=∑(g管+g水）*l/2*cos2=28.2*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′=5.46×44×sin22°47′×112%=104.2kN下游侧A1″=g管Lsin2=5.46×57×sin37°47′×112%=213.7kNb、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′=75.22kNkN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*cos22°47′*1.12*7=106.6kN下游侧∑A7″=5.46*5.4*0.4*cos37°47′*1.12*9=117.4kNd、镇墩前、后钢管对镇墩的法向力Q′=g管l/2*cos1 =6.11*6.1/2*0.92=17.14kN镇墩后钢管的法向力Q″=g管L″*cos2=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′=5.46×44×sin22°47′×112%=104.2kN下游侧A1″=g管Lsin2=5.46×57×sin37°47′×112%=213.7kNb、镇墩上、下游内水压力A3上游端A3′=693.94*1.25=867.43kN上游端A3″=745.2*1.25=931.5kNc、伸缩节管端水压力A5上游伸缩节A5′=13.92*1.25=17.4kN下游伸缩节A5″=49.42*1.25=61.78kN镇墩前、后钢管对镇墩的法向力Q′=79.1kN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∑A′=A1′+A3′+A5′+A6′+A7′+A8′=104.2+693.94+13.92+75.22+490+4.52=1381.8kN水平方向分力∑A′cos1=1381.8*0.92=1271.3kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=1381.8*0.387=534.8kN（下）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A3″+A5″+A6″+A7″+A8″-A1″=745.2+49.42+267+540+4.52-213.7=1392.44kN水平方向分力∑A″cos2=1392.44*0.79=1100kN（左）垂直方向分力∑A″sin2=1285.4*0.612=852kN（上）c、法向力Q′的水平分力Q′sin1=79.1*0.387=30.61kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=79.1*0.92=72.772kN（下）Q″的水平分力Q″sin2=60.15*0.612=36.82kN（左）Q″的垂直分力Q″cos2=60.15*0.79=47.5kN（下）所以升温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=1271.3-1100-30.61-36.82=103.87kN（右）∑y=534.8-852+72.77+47.5=-196.93kN（上） 降温时a、自上游方向指向镇墩∑A′=A1′+A3′+A5′-A6-A7′+A8′=104.2+693.94+13.92-75.22-490+4.52=251.36kN水平方向分力∑A′cos1=251.36*0.92=231.25kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=251.36*0.387=97.3kN（下）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A3″+A5″-A6″-A7″+A8″-A1″=745.2+49.42-267-540+4.52-213.7=-221.56kN水平方向分力∑A″cos2=221.56*0.79=175kN（右）垂直方向分力∑A″sin2=221.56*0.612=135.6kN（下）c、法向力Q′的水平分力Q′sin1=79.1*0.387=30.61kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=79.1*0.92=72.772kN（下）Q″的水平分力Q″sin2=60.15*0.612=36.82kN（左）Q″的垂直分力Q″cos2=60.15*0.79=47.5kN（下）所以降温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=231.25+175-30.61-36.82=338.82kN（右）∑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∑A′=A1′+A6′+A7′=104.2+75.22+106.6=286.02kN（右）水平方向分力∑A′cos1=286*0.92=263.1kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=286*0.387=110.7kN（下）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A6″+A7″-A1″=267+117.2-213.7=170.5kN水平方向分力∑A″cos2=170.5*0.79=137.7kN（左）垂直方向分力∑A″sin2=170.5*0.612=104.3kN（上）c、法向力Q′的水平分力Q′sin1=17.14*0.387=6.64kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=17.14*0.92=15.77kN（下）Q″的水平分力Q″sin2=13*0.612=8kN（左）Q″的垂直分力Q″cos2=13*0.79=10.27kN（下）所以升温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=263.1-137.7-6.64-8=110.76kN（右）∑y=110.7-104.3+15.77+10.27=32.44kN（下）降温时 a、自上游方向指向镇墩∑A′=A1′-A6′-A7′=104.2-75.22-106.6=-77.62kN（左）水平方向分力∑A′cos1=77.62*0.92=71.41kN（左）垂直方向分力∑A′sin1=77.62*0.387=30kN（上）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A1″+A6″+A7″=213.7+267+117.2=597.9kN水平方向分力∑A″cos2=597.9*0.79=472.34kN（右）垂直方向分力∑A″sin2=597.9*0.612=365.79kN（下）a、法向力Q′的水平分力Q′sin1=17.14*0.387=6.64kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=17.14*0.92=15.77kN（下）Q″的水平分力Q″sin2=13*0.612=8kN（左）Q″的垂直分力Q″cos2=13*0.79=10.27kN（下）所以降温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=-71.41+472.34-6.64-8=386.29kN（右）∑y=-30+365.79+15.77+10.27=361.83kN（下）3、校核状况（水压实验）a、自上游方向指向镇墩 ∑A′=A1′+A3′+A5′=104.2+867.43+17.4=989.03kN（右）水平方向分力∑A′cos1=989.03*0.92=909.91kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=989.03*0.387=382.75kN（下）a、自下游方向指向镇墩∑A″=A3″+A5″-A1″=931.5+61.78-213.7=779.58kN（左）水平方向分力∑A″cos2=779.58*0.79=615.87kN（左）垂直方向分力∑A″sin2=779.58*0.612=477.1kN（上）a、法向力Q′的水平分力Q′sin1=79.1*0.387=30.61kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=79.1*0.92=72.772kN（下）Q″的水平分力Q″sin2=60.15*0.612=36.82kN（左）Q″的垂直分力Q″cos2=60.15*0.79=47.5kN（下）所以总的水平推力和垂直直力分别为：∑x=909.91-615.87-30.61-36.82=226.61kN（右）∑y=382.75-477.1+72.77+47.5=25.92kN（下）计算成果列于下表。 计算成果表序号工作条件作用力运行工况检修状况水压试验升温降温升温降温1水平力（kN）向右为正103.87338.82110.76382.29226.612垂直力（kN）向下为正-196.93353.1732.44361.8325.925）镇墩抗滑稳定需要的体积力Gd=K：抗滑稳定系数，1.3～1.5；f：镇墩与地基见摩擦系数这里取0.35：∑x：平行于地基开挖面推力之和，kN；∑y：垂直于地基开挖面分力之和，kN，当∑y指向地基面取负，背向地基面取正；由以上计算表明，在检修钢管温度下降的条件需要镇墩稳定体积最大。Gd===1277kN所需镇墩体积为：V计===53m3镇墩实际采用体积为：V实=99m3＞V计=60m3，满足要求。 6）地基应力校核a、计算镇墩各部分重量G1=3.227*1.355*4/2*24=209.88kNG2=1.355*2*4*24=260.16kNG3=3.645*1.531*4/2*24=267.86kNG4=3.645*3.696*4*24=1293kNG5=2.5*2.5*4*24=600kNG5=3.14*0.8*0.8*5.24*24=252.7kN由以上可得镇墩的实际重量为：∑G=（G1+G2+G3+G4+G5）-G6=2378.2kNb、求合力作用点和偏心距以镇墩上游侧A为矩心，取各力对A点的矩，并求出总力矩∑M，如下表：表5计算成果表力（kN）力臂（m）力矩（kN、m）∑x=382.29→2.14818Yn=361.83↓2.931060G1=209.88↓2/3×1.355=0.903189.5G2=260.16↓1.355/2=0.68176.9G3=267.86↓1.355+1/3(3.645)=2.57688.4G4=1293↓1.355+3.645/2=3.184111.7G5=600↓2.5+2.5/2=3.752250G6=252.7↑2.93-740.4∑M=9294.5-740.4=8554.1kN·m∑yn+G=361.83+2378.2=2740kN 合力作用距A点的距离为：==3.12m偏心距e=3.12-=0.62＜=0.833m，满足要求。c、地基承载力校核=（1+）=（1±）max=（1±）=239kN/m2=0.239Mpa＜0.55Mpa安全min=（1-）=35kN/m2=0.035Mpa＜0.55Mpa安全2、2#镇墩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#镇墩中心处钢管工作水头Hg=107.4m；2#镇墩上游伸缩接头处工作水头H上伸设=71m；2#镇墩下游伸缩接头处设计水头H上伸设=107.7m；2#镇墩上游管段倾角1=37°47′；2#镇墩下游管段倾角2=0；2#镇墩上游管段管壁厚δ上=14mm；2#镇墩上游管段管壁厚δ下=16mm；镇墩材料采用c150钢筋砼，做一层M7.5浆砌石作为基础，容重24kN/m3，镇墩地基为松软岩组，做一层M7.5浆砌石作为基础，镇墩与地基的磨擦系数f=0.3，地基承载力[]=0.12～0.2Mpa。如图5： 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Lsin1此处D=1.6m，g管=π（D+δ）×δ×r钢=5.46kN/m计入附加增重12%，故A1′=5.46×57×sin37°47′×112%=213.7kN下游侧A1″=g管Lsin2=0kNb、镇墩上、下游内水压力A3上游端A3′=πr2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*106.3=2095.62kN下游端A3″=πr2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*107.7=2123.22kNc、伸缩节管端水压力A5上游伸缩节A5′=（π/4）*（D12-D22）r水H上伸设= =（3.14/4）*（1.6282-1.62）9.81*71=49.42kN下游伸缩节A5″=（π/4）*（D12-D22）r水H下伸设==（3.14/4）*（1.6322-1.62）9.81*107.7=85.8kNa、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′=1.25πD1b2μ2r水H上伸设=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*71*1.25=267kN下游伸缩节A6″=1.25πD1b2μ2r水H下伸设=3.14*1.632*0.3*0.2*9.81*107.7*1.25=406kNb、温度变化时，支墩对管壁的摩擦力A7上游方向A7′=（g管+g水）lcos1计入附加增重12%，A7′=（5.46+19.71）*5.4*0.5*cos37°47′*1.12=60kN总共有11个支墩∑A7′=（5.46+19.71）*57*0.5*cos37°47′*1.12=635kN下游方向∑A7″=（6.25+19.71）*15*0.5*cos0*1.12 =172kNa、镇墩中弯管水流离心力A8A8′=A8″=（v2/g）*（3.14/4）*r水D02=（1.5*1.5/9.81）*（3.14/4）*9.81*1.6*1.6=4.52kNg、镇墩前后半跨管的法向力Q′=∑(g管+g水）l/2*cos1=28.2*2/2*0.79=22.3kN镇墩后钢管的法向力Q″=∑(g管+g水）*l/2*cos2=29.1*7/2*1=101.8kN2）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′=5.46×57×sin37°47′×112%=213.7kN下游侧A1″=0b、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′=267kN下游伸缩节A6″=406kNc、温度变化时，支墩对管壁的摩擦力A7上游侧A7′=5.46*57*0.5*cos37°47′*1.12=137.7kN下游侧∑A7″=6.25*15*0.5*cos0°*1.12=46.9kN d、镇墩前后半跨管的法向力Q′=∑g管l/2*cos1=6.11*2/2*0.79=5kN镇墩后钢管的法向力Q″=∑g管*l/2*cos2=7.1*7/2*1=25kN3）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′=213.7kN下游侧A1″=0b、镇墩上、下游内水压力A3上游端A3′=2095.62*1.25=2619.53kN上游端A3″=2123.22*1.25=2654kNc、伸缩节管端水压力A5上游伸缩节A5′=49.42*1.25=61.78kN下游伸缩节A5″=85.8*1.25=107.3kNd、镇墩前后半跨管的法向力Q′=22.3kNQ″=101.8kN4）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∑A′=A1′+A3′+A5′+A6′+A7′+A8′=213.7+2095.62+49.42+267+635+4.52=3265.26kN水平方向分力∑A′cos1=3265.3*0.79=2579kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=3265.3*0.612=1998.4kN（下）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A3″+A5″+A6″+A7″+A8″-A1″=2123.22+85.8+406+172+4.52=2792kN（左）镇墩后管段为水平段，∑A″无垂直力；c、法向力Q′的水平分力Q′sin1=22.3*0.612=13.7kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=22.3*0.79=17.7kN（下）Q″的垂直分力Q″cos2=101.8*1=101.8kN（下）所以升温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=2579-2792-13.7=-226.7kN（左）∑y=1998.4+101.8+17.7=2117.9kN（下）降温时a、自上游方向指向镇墩 ∑A′=A1′+A3′+A5′-A6-A7′+A8′=213.7+2095.62+49.42-267-635+4.52=1461.26kN水平方向分力∑A′cos1=1461.3*0.79=1154.4kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=1461.3*0.612=894.3kN（下）a、自下游方向指向镇墩∑A″=A3″+A5″-A6″-A7″+A8″=2123.22+85.8-406-172+4.52=1635.5kN（左）b、法向力Q′的水平分力Q′sin1=22.3*0.612=13.7kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=22.3*0.79=17.7kN（下）Q″的垂直分力Q″cos2=101.8*1=101.8kN（下）所以降温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=1154.4-1635.5-13.7=-494.8kN（左）∑y=894.3+17.7+101.8=1013.8kN（下）2、检修状况升温时a、自上游方向指向镇墩∑A′=A1′+A6′+A7′=213.7+267+137.7=618.4kN（右） 水平方向分力∑A′cos1=618.4*0.79=488.5kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=618.4*0.612=378.46kN（下）a、自下游方向指向镇墩∑A″=A6″+A7″=406+46.9=452.9kN（左）b、法向力Q′的水平分力Q′sin1=5*0.612=3.06kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=5*0.79=3.95kN（下）Q″的垂直分力Q″cos2=25*1=25kN（下）所以升温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=488.5-452.9-3.06=32.54kN（右）∑y=378.46+3.95+25=407.41kN（下）降温时a、自上游方向指向镇墩∑A′=A1′-A6′-A7′=213.7-267-137.7=-191kN（左）水平方向分力∑A′cos1=191*0.79=151kN（左）垂直方向分力∑A′sin1=191*0.612=117kN（上）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A6″+A7″ =406+46.9=452.9kN（右）a、法向力Q′的水平分力Q′sin1=5*0.612=3.06kN（左）Q′的垂直分力Q′cos1=5*0.79=3.95kN（下）Q″的垂直分力Q″cos2=25*1=25kN（下）所以降温时总的水平推力和垂直力分别为：∑x=452.9-151-3=298.9kN（右）∑y=117-3.95-25=88kN（上）（3）校核状况（水压实验）a、自上游方向指向镇墩∑A′=A1′+A3′+A5′=213.7+2619.53+61.78=2895.01kN（右）水平方向分力∑A′cos1=2895*0.79=2287kN（右）垂直方向分力∑A′sin1=2895.01*0.612=1771kN（下）b、自下游方向指向镇墩∑A″=A3″+A5″=2654+107.3=2761.3kN（左）c、法向力Q′的水平分力Q′sin1=22.3*0.612=13.7kN（左） Q′的垂直分力Q′cos1=22.3*0.79=17.7kN（下）Q″的垂直分力Q″cos2=101.8*1=101.8kN（下）所以总的水平推力和垂直直力分别为：∑x=2287-2761.3-13.7=-488kN（左）∑y=1771+17.7+101.8=1890.5kN（下）计算成果列于下表，表6计算成果表序号工作条件作用力运行工况检修状况水压试验升温降温升温降温1水平力（kN）向右为正-226.7-494.819299-4882垂直力（kN）向下为正2117.91013.8393.4-8818905）镇墩抗滑稳定需要的体积力Gd=K：抗滑稳定系数，1.3～1.5；f：镇墩与地基见摩擦系数这里取0.3：∑x：平行于地基开挖面推力之和，kN；∑y：垂直于地基开挖面分力之和，kN，当∑y指向地基面取负，背向地基面取正；由以上计算表明，在检修钢管温度下降的条件需要镇墩稳定体积最大。 Gd===1583kN所需镇墩体积为：V计===66m3镇墩实际采用体积为：V实=76.56m3＞V计=66m3，满足要求。6）地基应力校核以运行升温工况来计算；a、计算镇墩各部分重量G1=1.946*2.511*4/2*24=263.9kNG2=3.054*0.961*4/2*24=140.9kNG3=4.05*3.054*4*24=1187.5kNG4=2.5*1.946*4*24=467.04kNG5=3.14*0.8*0.8*4.6*24=221.9kNG6=5*6.5*1*23=747.5kN(浆砌石基础)由以上可得镇墩的实际重量为：∑G=（G1+G2+G3+G4+G6）-G5=2584.94kNb、求合力作用点和偏心距以镇墩上游侧B点为矩心，取各力对B点的矩，并求出总力矩∑M，如下表： 计算成果表力（kN）力臂（m）力矩（kN、m）∑x=-226.7←3.05-691.4Yn=2118↓3.377137.7G1=263.9↓0.75+2/3×1.946=2.05541G2=140.9↓0.75+1.946+1/3(3.054)=3.714523.3G3=1187.5↓0.75+1.946+1/2(3.054)=4.2235015G4=467.04↓0.75+1.946/2=1.723805G5=-221.9↑3.46-767.8G6=747.5↓3.252429∑M=16451-1459=14992kN·m∑yn+G=2118+2584.94=4703kN合力作用距A点的距离为：==3.19m偏心距e=3.19-=-0.06＜=1.083m，满足要求。c、地基承载力校核=（1±）=（1±）max=（1-）=153kN/m2=0.153Mpa＜0.2Mpa安全min=（1+）=137.5kN/m2=0.137.5Mpa＜0.2Mpa安全七、工程量 1#倒虹吸工程量表序号名称单位数量备注一进口　　　1开挖土方m32554.5　2回填土方m3894.075　3渐变段底板C25砼m38.6　4渐变段侧墙C25砼m37.68　7前池段底板C25砼m349.68　8前池段侧墙C25砼m3127.83　9651止水带m35.1　10沥青砂浆m30.9126　12钢筋t22.01HRB33513闸门t13.338QL-8/5T-SD启闭机2台14拦污栅个21.5×3.8二倒虹吸管段　　　1开挖Ⅲ土m311396　2回填利用土m33988.6　2钢管t340.41　4锚固环（加劲环）t0.2（0.25）1.6×8厘米（1×6厘米）5伸缩节个14φ130cm6放空阀个2DN10007通气孔钢管（φ450）m4　8镇墩C15钢筋砼m3619.92　9支墩C15砼m31432.44　10支墩加强钢板（δ=1mm)t22.67　13三毡四油沥青油毛毡m2290.64　三出口　　　1开挖土方m31760.64　2回填土方m3616.22　3消力池段底板C25砼m344.71　4消力池段侧墙C25砼m3115.05　5渐变段底板C25砼m38.6　6渐变段侧墙C25砼m37.68　7651止水带m32　8沥青砂浆m30.416　10钢筋t14.96　11闸门t9.6QL-8/5T-SD启闭机2台四排架　　　1C25砼m3217.12　2C15砼m3391.6　3钢筋t49.55　4M7.5浆砌石m3144'