空间弯管安装转角计算的新方法_张霞.pdf

文章编号:1007-2284(2005)12-0068-03空间弯管安装转角计算的新方法张 霞1,张天会1,闫沛军3,徐人平2(1.云南农业大学工程技术学院,昆明 650216;2.昆明理工大学,昆明 650093;3.水电十四局,云南 昆明 650226)摘 要:提出了一种计算空间弯管安装转角的新方法,并应用到云南省临沧地区忙海河三级电站和楚雄州老虎山一级和二级电站空间弯管的安装中。根据实际施工的应用,该方法与投影几何计算方法进行了对比分析,认为采用投影几何计算方法虽然较精确但比较繁琐,不易理解,难于掌握;而采用新的计算方法计算简单、实用,虽然有一定的误差,但误差较小,通过安装过程中微小的调整就能满足要求。这种新的计算空间弯管安装转角的方法可以应用到其他工程空间弯管安装过程中。关键词:空间弯管;安装转角;计算方法;应用分析 中图分类号:TB113;U173.1 文献标识码:AA New Calculation Method for Installing Angle in Three O dimensional SiphonZHANG Xia1,ZHANGTianO hui1,YAN PeiOjun3,XU RenO ping2(1.The Faulty of Engineering of Yunnan Agriculture University,Kunming 650216,China;2.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;3.T he Fourteenth Construction Bureau of Hydropower,China,Kunming 650226)Abstract:This paper brings forward a new method of calculating installing angle for three Odimensional siphon,and applies it in the in-stalling of three Odimensional siphons in the T hird-grade Power Station of M anghaiRiver and the Laohushan Power Station of Chux-iong Prefecture,Yunnan Province.According to the application and contrasted with the traditional methodOprojection geometry ca-lculation,it can be concluded:Adopting the traditional method,the calculating result is more accurate,but it is very intricate andnot easy to command;this new calculating method is simple and easy to command;although the calculating result has some error,the error is very small and in the installing process through small adjustment it can satisfy the requirement.T herefore the new meth-od is very practical,and it can be applied in the installation of other similar three Odimensional siphons.Key words:three Odimensional siphon;installing angle;calculation method;application analysis0 引 言空间弯管是指管轴线同时具有纵剖面转角和平面转角的弯管,其弯管角度是根据转弯处上、下游端管轴线与水平面的夹角以及两管轴线投影在水平面上的夹角,计算出来的一个复合角度。在水电站或水库工程中,引水压力钢管承担着引水任务,引水压力钢管的特点是管径较大,管道较长。根据工程的地质、地形、水文和使用要求的不同,压力钢管的布置形式有坝内式压力钢管、隧洞式压力钢管和露天式压力钢管 1。露天式压力钢管由于受地 形、地 势条件和 技术经 济的限制,在 地收稿日期:2005-04-11作者简介:张 霞(1972-),女,讲师,硕士。形、地势转弯处都需要设置弯管或空间弯管 1。管道在一个转弯处同时具有纵剖面转角和平面转角时就需要设置空间弯管。因此,空间弯管在水电站和水库引水工程中应用比较广泛。在制作空间弯管时,与制作一般的只有纵剖面转角或只有平面转角的弯管一样,按空间弯管的复合角度即弯管角度进行分节展开放样、下料,在弯管的最长边和最短边处标明 Y 和-Y轴线以及在最长边和最短边的中心位置标明 X 和-X 轴线,作为管轴线上的坐标轴,然后卷制,并根据标记的 Y、-Y、X 和-X 轴线进行单节焊接、整段焊接而成。但空间弯管在安装时,其安装的垂直方向和水平方向不能分别是制作钢管时标记为 Y 和X 轴线方向,而是与 Y 或X 轴线之间相差了一个角度,这个角度称为安装转角,如图 1 所示的 X角。引水压力钢管都是安装在有一定纵向和水平倾角的管槽68中国农村水利水电#2005 年第 12 期图 1 空间弯管安装转角示意图(钢管截面图)内,空间弯管一般都作为混凝土镇墩处的定位管段最先安装,然后再安装空间弯管的上、下游端的直管段。采用自下而上安装方法时,定位管段是上游管段安装的一个基准,其安装质量直接影响该部分上游管段的安装质量。空间弯管一般是悬空安装,需要起吊设备吊起弯管,依靠千斤顶、拉力器和起吊设备等安装设备一起旋转空间弯管调整安装转角,使其管口中心、高程和里程符合安装要求。而空间弯管上吊点的位置关系着调整安装转角的快慢,影响着施工进度。吊点合适,安装时只需做较小的调整即可满足空间弯管的安装要求。吊点不合适,则需做较大的调整,影响施工进度。如果先计算出空间弯管的安装转角,使起吊设备的起吊点设置在距离制作钢管时标记为Y 轴线或X 轴线有一安装转角的部位,这样依靠安装设备作一定的调整就能满足安装要求。因此,如何计算安装转角成为安装空间弯管的关键。传统计算空间弯管安装转角方法是根据投影几何原理计算的。该方法需要根据管轴线在转弯处的转折点是向上或向下情况下,分别对空间弯管上下游端管口的安装转角进行计算。由于投影几何计算的方法比较繁琐,不容易掌握。本文提出一种计算空间弯管安装转角的新方法,并应用到云南省临沧地区忙海河三级电站和楚雄州老虎山一级和二级电站空间弯管的安装中。根据实际安装的情况,对比分析了这两种计算方法,并比较这两种方法的优缺点。1 空间弯管安装转角的计算方法1.1 投影几何计算方法1文献 1 中介绍的空间弯管安装转角的计算是按照投影几何原理进行的计算,需根据空间弯管管轴线的转折点向上和向下两种情况进行分析,并对这两种情况下的上、下游管口分别计算安装转角。当管轴线的转折点向上时,上游端管口的安装转角 XS的计算见式(1),参见图 2;下游端管口的安装转角 Xx的计算见式(2),参见图 3。tan XS=sin 8/(tan UCcos UB-sin UBcos 8)(1)tan Xx=sin 8/(sin UCcos 8-tan UBcos UC)(2)当管轴线的转折点向下时,上游端管口的安装转角 XS的计算见式(3),参见图 4;下游端管口的安装转角 Xx的计算见式(4),参见图 5。tan XS=sin 8/(sin UBcos 8-tan UCcos UB)(3)tan Xx=sin 8/(tan UBcos UC-sin UCcos 8)(4)从以上计算可以看出,投影几何计算空间弯管的方法比较繁琐,需要区分弯管轴线的转折点向上或向下来计算上、下游图 2 转折角向上的空间弯管上游端管口安装转角 XS计算图图 3 转折角向上的空间弯管下游端管口安装转角 Xx计算图管口的安装转角。对于计算人员,需要看懂投影几何图,才能计算,而要看懂这些投影图也是比较困难的。因此,该方法不容易掌握。1.2 新的计算方法本文提出的计算空间弯管安装转角的新方法,是根据在管道纵剖面图上空间弯管转折点处上、下游端管轴线与水平面的夹角和空间弯管的复合角度 H计算的。计算安装转角时不考虑纵剖面图上管轴线在转折点处是向上或向下,也不用区分空间弯管的上、下游端,只采用一个统一的公式计算,简化了计算。计算方法见式(5)。cos X=tan(|A1-A2|/2)/tan(H/2)(5)式中:X为安装转角;A1、A2为空间弯管上下游管轴线与水平面的夹角;H为空间弯管的复合角度即弯管角度。H计算公式为:cos H=cos A1cos A2cos C+sin A1sin A2(6)69空间弯管安装转角计算的新方法 张 霞 张天会 闫沛军 等图 4 转折角向下的空间弯管上游端管口安装转角 XS计算图图 5 转折角向下的空间弯管下游端管口安装转角 XX计算图式中,C为空间弯管上下游管轴线投影在水平面上的夹角。C、A1、A2和H如图 6(空间弯管上下游管段管轴线的空间位置)所示。图 6 中 z 表示管段的高程,x、y 表示水平方向的坐标。图 6 空间弯管上下游管段管轴线的空间位置压力钢管的各个管轴线与水平面的夹角以及相邻管轴线投影在水平面上的夹角在地形勘测后就已经确定了,相应的各个转弯处的弯管的角度也就确定。空间弯管的弯管角度就是根据上下游管轴线与水平面的夹角 A1、A2和两管轴线投影在水平面上的夹角 C计算而得的一个复合角度。因此,本文提出的计算空间弯管安装转角的方法也考虑了上下游管轴线投影在水平面上夹角的影响因素。2 应用实例2.1 实 例云南省临沧地区永德县忙海河三级电站引水压力钢管有 5个空间弯管(其中主管段 3 个,岔管以下部分的支管段 2 个),云南省楚雄州双柏县老虎山一、二级电站引水压力钢管有 3 个空间弯管,采用新方法计算的安装转角、投影几何计算的安装转角以及两者的最大误差和安装时实际测量的安装转角见表 1。在忙海河三级电站引水压力钢管第 1 号镇墩处安装 1 号空间弯管时,由于当时安装技术人员不能很好地掌握投影几何计算方法的几何图(即图 2、图 3、图 4 和图5)与式(1)、(2)、(3)、(4)之间的关系,因此,不能根据该方法计算出 1 号空间弯管的安装转角。在 1 号弯管的安装过程中,施工人员只是根据管道转弯的方向在弯管上粗略地确定一个吊点,然后使用千斤顶、拉力器表 1 空间弯管的安装转角误差表电站名称弯管编号管内径/mm上游倾角/(b)下游倾角/(b)两轴线夹角/(b)空间弯管角度(b)安装转角/(b)投影几何计算(实际安装转角)上游端下游端新方法计算计算误差/(b)忙海河三级175021.75027.48313.09313.20061.648(61.0)67.128(66.5)64.3562.772875025.73319.71715.69015.64070.614(69.5)64.511(63.5)67.5003.1141175032.73335.24117.03714.32875.220(76.5)84.795(86.0)79.9724.8231530014.1080.00065.00065.80383.516(85.0)74.501(76.0)78.9744.5421630031.5260.00025.00039.41741.727(41.0)34.565(34.0)38.0033.724老虎山一级11 5000.00026.00014.54329.54327.245(26.5)30.62(29.5)28.8881.73241 50013.50024.00017.53319.61255.079(55.5)60.778(61.0)57.8842.894二级41 50014.00024.5009.07713.54237.811(37.0)40.822(40.0)39.2921.530 注:安装转角项括号内的数据是安装时测量的实际安装转角。(下转第 72 页)70空间弯管安装转角计算的新方法 张 霞 张天会 闫沛军 等消能作用,下游水面平稳,下涵管出口处最大底流流速只有0.12 0.22 m/s。而普通涵下游低水位时,管内有收缩断面,呈急流,下游水面发生波浪,底流流速大,可达 1.83 3.59 m/s,(河底)下游易冲刷;跌井涵只是在上游井上水头 0.2 0.5 m 时,跌井起消能作用,而井上水头低于 0.2 m 时,形成二次翻滚,底流流速达2.16 m/s(见图 2),井上水头通过 0.5 m 时,水流从井上越过,流线基本平直,跌井起不到消能作用。图 2 跌井涵布置示意图(3)消能效果好。在相同流量的条件下,以上、下游河道稳定断面之间的水流作为整体考虑,并以下游河床为基准面,列贝努里方程计算出消能率(如表 2)。由表 2 可知,梯级式的消能效果优于其他涵。(4)结构简单,施工方便。从布置图可以看出,梯级涵的结构比较简单,上下涵管可用预制的涵管直接拼接,跌井可用标表 2 不同涵洞形式的消能效果形 式流 量/(m3#s-1)上游断面总能量/m下游断面总能量/m消能率/%普通涵2.04.503.0033.3跌井涵2.05.233.0042.2梯级涵2.04.032.2145.2准砖现场砌筑,也可用预制混凝土拱瓦拼装,施工十分方便。在模型试验中观测到,梯级涵在排泄流量小,跌井内壅水高度低于 0.2 m 时,井内开始出现旋涡,所以设计时井上要有通气孔和适当降低下涵管顶部的控制高程。3 结 语在农田水利工程中,中小型涵洞为数众多,特别是砂土地区消能要求高,涵下流速不宜过大,推广一种新形式涵洞十分必要。应用梯级涵,设计时应严格按照面积关系设计,慎重确定其各部分尺寸。其应用范围为流量 4 m3/s 以下(上涵管管径不大于 2.0 m),如设计流量过大时,要通过试验和方案比较确定;施工时应因地制宜,就地取材,不断改进和设计新的结构形式。t(上接第 70 页)和起吊设备等安装设备一起调整弯管,边调整边测量管口中心、高程和里程使其符合安装要求。由于事先确定的吊点的位置与弯管安装时的垂直方向之间有较大的误差,因此,安装时需要调整的工作量就大。1 号空间弯管在起吊后,除去加固的时间外,调整安装转角的时间就接近一个上午。而在 8号、11 号、15 号、16号空间弯管的安装过程中,采用本文提出的方法计算安装转角来确定安装时弯管的起吊点,调整安装转角的时间最多的为 1 h 左右,大大缩短了安装时间。在楚雄州双柏县老虎山一、二级电站引水压力钢管空弯管的安装过程中,也采用了本文提出的方法计算空间弯管的转角,确定起吊点的位置,加快了安装进度。2.2 对比分析从表 1 可以看出,采用新的计算空间弯管安装转角的方法计算出来的值正好与采用传统的投影几何计算方法计算出来的上、下游端管口安装转角的平均值相等,而且采用新方法计算的角度与采用投影几何计算方法计算的上、下游端管口角度的最大误差为 4.823 b,说明误差是很小的。而且弯管的直径愈大,误差愈小。文献 1 中介绍的空间弯管安装转角的计算是按照投影几何原理进行的计算,需根据空间弯管管轴线的转折点向上和向下两种情况进行分析,并对这两种情况下的上、下游管口分别计算安装转角。对每一种情况需要采用两个公式进行计算。所以采用此方法计算安装转角时,虽然精度较高,但比较繁琐,不易理解,难于掌握。而且由于钢管在制作、运输过程中有一定的椭圆度等因素,实际施工时也会有一定的误差,也需要对弯管作适当的旋转调整。新的计算空间弯管安装转角的方法,不考虑纵剖面图上管轴线在转折点处是向上或向下,也不用区分空间弯管的上下游端,只采用一个统一的公式计算。根据实际应用,以及与投影几何计算方法相对比,说明该方法有一定的误差,但误差较小,安装时对弯管作微小的旋转就能达到要求。但这种计算方法却简化了计算,容易理解,比较实用。3 结 语(1)采用新的计算空间弯管安装转角的方法计算出来的值正好与采用投影几何计算方法计算出来的上、下游端管口安装转角的平均值相等。(2)计算空间弯管的安装转角的投影几何计算方法虽然较精确但比较繁琐,不容易掌握,而且由于钢管在制作、运输过程中存在一定的椭圆度等因素,因此实际施工时也存在一定的误差。(3)本文提出的空间弯管安装转角的简化计算方法,与投影几何计算方法相比方法简单,比较实用,虽然有一定的误差,但误差很小,而且弯管直径愈大,误差愈小,只需通过安装时微小的调整能满足安装要求。(4)此计算方法可以应用到其他引水压力钢管空间弯管的安装施工过程中。t参考文献:1 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册金属结构(二)M .北京:水利电力出版社,1988:12-15.72落井式梯级涵的布置形式及特点 杭玉生