陕西省安康市水利水电勘测设计院
摘要：当水电站采用联合供水或分组供水时，即一根管道需要供应两台或更多机组用水时，需要设置岔管，这种岔管位于厂房上游侧。从设计和运行来说，岔管必须运行安全可靠。水流平顺，水头损失小，避免涡流和振动。结构合理简单，受力条件好，不产生过大的应力集中和变形。制作、运输、安装方便。经济合理。
关键词：岔管 加强梁 导流板 水头损失
岔管是一种由薄壳和刚度较大的加强梁组成的复杂的空间组合结构，其受力状态比较复杂。又因岔管用以分配水流，通过岔管的水流流向和流态发生较大变化，因此产生较大水头损失，在整个引水系统的水头损失中占很大比例。因此如何优化岔管受力条件和降低水头损失是岔管设计中的一个重要问题，合理的岔管应具有较好的应力状态和较小的水头损失，因此水电站设计中选择何种型式的岔管显得尤为重要。
在我国水电站建设中，压力管道的岔管按其加强方式的不同可分为贴边岔管、三梁岔管、月牙肋岔管、球形岔管、球形岔管和无梁岔管，现详细说明各种类型岔管的特点：
一、贴边岔管，贴边岔管在相贯线的两侧用补强板加固，补强板与管壁焊接，可加于管外，也可同时加于管内和管外。贴边岔管的特点是补强板的刚度较小，不平衡区的内水压力由补强板和管壁共同承担。适用于中、低水头的“卜”型地下埋管，特别适用于支、主管之比在0.5以下的情况，此比值大于0.7时不宜采用贴边岔管。贴边岔管在国内中等压力地下埋管中应用较多，已积累一定得实践经验，可以较好地发挥与围岩共同受力的优点。适用于中、小型水电站的地下埋管。
二、三梁岔管，三梁岔管是国内外普遍采用的成熟管型，是用三根首尾相接的曲梁作为加固构件的岔管。支管之间的梁叫U梁，主管与支管之间的梁叫腰梁。U梁承受较大的不平衡水压力，是梁系中的主要构件，腰梁除了加固管壁外并有协助U梁承受外力的作用。U梁和腰梁的內缘与管壁焊接。
为了减小U梁的计算跨度，可将其部分嵌入管壳内，嵌入的深度越大，U梁的弯曲应力越小，逐步使U梁过度为手拉构件。水工模型试验表明，嵌入的U梁对水流的影响视岔管的分流情况而定。对于设计的分流情况，水流比较对称，嵌入的U梁对水流一般无不良影响；对于非设计情况（如一个支管为设计流量，另一支管关闭），则U梁两侧出现漩涡，使水头损失加大，在U梁两侧加导流板有一定效果。
三梁岔管的主要缺点是梁系中的应力主要是弯曲应力，材料的强度未得到充分利用，三个曲梁常常需要高大的截面，这不但浪费了材料，加大了岔管的轮廓尺寸，而且可能需要锻造，焊接后还可能需要进行热处理。由于梁的刚度较大，对管壳有较强约束，使梁附近的管壳产生较大的局部应力。因此，三梁岔管虽然有长期的设计、制造和运行经验，但存在上述缺点，不能认为是一种理想的岔管。
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对于高水头、大直径的钢管，加强梁构件尺寸很大，造成选材、制造和运输困难，因此三梁岔管可适用于中小型电站。
三、月牙肋岔管，月牙肋岔管也称E-W形岔管，由瑞士Escher wyss公司开发。月牙肋岔管是三梁岔管的一种优化和发展。月牙肋岔管用一个完全嵌入管壳内的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁。其主管为扩大渐变的圆锥，支管为收缩渐变的圆锥，主、支管公切于一假想球，两支锥相贯的不平衡力由嵌入管壳内部的月牙形加强肋来承担。
其结构特点是用一块月牙形的加强板，从岔管的内部加强两个支管相关线处的管壁，并承受由内水压力作用产生的两个支管相关线处的不平衡力。对于主管与支管相关线处的管壁，由于岔管体形的改进，管壁能够平缓的过渡，在内水压力作用下产生的不平衡力很小，可以实用局部应力的计算方法来解决，不必再使用内加强梁的办法来解决。
由于它受力明确、设计方便、水流流态好、水头损失小、结构可靠、制作安装容易，而且我国已经积累了大量经验，可用于大、中型电站。
四、球形岔管，球形岔管是水电站压力管路中一种较新形式的岔管，由球壳、主支管、补强环和内部导流板组成的壳体结构。由于空心圆球与任何对心相接的圆管或截头圆锥管都是正交的，故支管可布置成任意交角。另外，在多机共管时，有时可能节省一个岔管，同时也相对地缩短了弯管长度。
在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半，且由于空心球、圆管、截头圆锥都属于旋转壳体，其组合壳-球岔具有良好的三维应力状态，受力条件好。因此，球形岔管适用于高水头电站，目前在国外采用较多，在国内应用尚少。
五、无梁岔管，无梁岔管是在球形岔管的基础上发展而成的。由于球形岔管的补强需要锻造，与管壳焊接时需要预热，球壳一般也要加热压制成形，有的球岔在制成后还进行整体退火，工艺很复杂。无梁岔管是用三个渐变的椎管作为主、支管与球壳的连接段以代替补强环，需要压制的球壳面积大为减小，只剩下两个面积不大的三角体。
在管节相接处出现应力集中，为了改善应力集中，无梁岔管采用了较肥胖的体型。在分岔处，过水断面急剧增大，水流易于出现漩涡。大量水工模型试验表明，上下球壳部位有明显的漩涡区，在不对称分流时，岔裆部位的脉动压力幅值较大。因此，在设计时在上下球壳部位加水平吊顶，在岔裆部位加导流杞体，对改善流态、减小水头损失由明显效果。
由于无梁岔管制作简单，运输方便，可以较好地发挥与围岩共同受力的优点。适用于大、中型水电站的地下埋管，是一种有很好发展前途的岔管类型。
参考文献：
[1].索丽生 刘宁等，《水工设计手册 第8卷》（第2版），中国水利电力出版社，2013；
[2].王鹏飞，陈美娟《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003），中国水利水电出版社，2003；
[3].吴持恭，《水力学》（第3版），高等教育出版社，2003；
[4].龙驭球 包世华 《结构力学教程》，高等教育出版社，2000。
论文作者:蒋国菊,王占海
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/13
标签：水头论文; 应力论文; 管壳论文; 管壁论文; 贴边论文; 水电站论文; 球形论文; 《建筑模拟》2018年第32期论文;