目前岔管的主要结构形式有三梁岔管、内加强月牙肋岔管、贴边式岔管、球形岔管、无梁岔管等。我国20世纪50年代建造的岔管,由于其尺寸及内压均不大故多为贴边式。20世纪60年代由于国内高水头电站的出现使梁式岔管应用增多。后来,随着钢管规模的增大,大直径、高内压的三梁岔管制作安装困难越来越大且技术经济指标逐渐下降,故开始采用月牙肋岔管(少数工程还采用了球形岔管和无梁岔管)。

(一)三梁岔管

在压力钢管的分岔处由于管壳相互切割已不再是一个完整的圆形,见图4-32,在内水压力作用下管壁所承担的环向拉应力无法平衡,这样在主管与支管及支管间的相贯线上作用着主、支管壳体传来的环向拉力和轴力等复杂外力,因此,需要增加管壁厚度并用两根腰梁和一根U形梁进行加固(以使之有足够的强度和刚度)。以正Y形对称分岔为例(见图4-32),其主管一般为圆柱管、支管为锥管,沿两支管的相贯线用U形梁加强,沿主管和支管的相贯线则用腰梁加强,U形梁承受较大的不平衡水压力(是梁系中的主要构件),将U形梁和腰梁端部联结点做成刚性联结从而形成一个薄壳和空间梁系的组合结构(其受力非常复杂)。我国已建的数十个三梁岔管的结构试验证明,在管壁上实测的应力集中系数(实测应力与主管理论膜应力之比)为1.3～2.6。其中五个岔管U形梁插入管壁内20～100cm深其应力集中系数为1.3～1.9,另两个岔管U形梁未插入管壁内其应力集中系数增加为2.4～2.6。因此,当没有计算分析和试验资料时,考虑到U形梁插入管壁内,则局部应力集中系数可取1.5～2.0。常用的加固梁断面为矩形或T形,在材料允许时应避免采用瘦高型截面(以矮胖形截面为好)。U形梁断面尺寸庞大,为改善其应力状态和布置情况、降低岔管壁的应力集中系数,U形梁应适当插入管壳内(插入深度在腰梁连接端为零,中部断面处最大),梁内侧应修圆角并应设导流墙。三梁岔管的主要缺点是梁系中的应力以弯曲应力为主,材料的强度未得到充分利用,三个曲梁(特别是U形梁)常常需要高大的截面(不但浪费了材料,还加大了岔管的轮廓尺寸且可能还需要锻造,另外焊接后还需要进行热处理),由于梁的刚度较大故对管壳有较强的约束(从而使梁附近的管壳产生较大的局部应力),同时,在内压作用下由于相贯线垂直变位较小故用于埋管则不能充分利用围岩抗力。因此,三梁岔管虽有长期的设计、制造和运行的经验,但由于存在上述缺点,故不能认为是一种很理想的岔管。三梁岔管适用于内压较高、直径不大的明管道。

图4-32　三梁岔管

1—腰梁;2—主管;3—公切球;4—支管;5—U形梁

(二)内加强月牙肋岔管

见图4-33,内加强月牙肋岔管是国内外近年来在三梁岔管的基础上发展起来的新式岔管,目前在我国已基本取代了三梁岔管。如上所述,三梁岔管的U形梁插入管壳内能改善U形梁和管壳的应力状态,一般来讲,插入越深往往使应力越均匀。月牙肋岔管是用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三梁岔管U形梁的并取消了腰梁。月牙肋岔管的主管为倒锥管,两个支管为顺锥管,三者有一公切球使相贯线成为平面曲线。内加强月牙肋岔管有下述3方面特点：月牙肋板只承受轴心拉应力而无弯曲应力,拉应力的分布比较均匀,其数值与邻近管壳上的拉应力相近。改善了水流条件使水头损失比一般岔管低许多(特别是对称流态情况可减少一半)。由于取消了外加固U形梁和腰梁,从而使岔管外形尺寸大为减小,对埋管可减少开挖工程量(由于外形规整,内水压力也易于通过管壳传给混凝土衬砌和围岩,从而使围岩的弹性抗力得到更好的发挥)。这种岔管在生产建设中通过理论分析、模型试验和原型观测已经积累了一些经验,可应用于大、中型电站。鉴于国内已建的大月牙肋岔管均为埋管,故对高水头、大直径的明管还应进行进一步的研究。

图4-33　内加强月牙肋岔管

(三)贴边式岔管

贴边式岔管是在卜形布置的主、支管相贯线两侧用补强板加固形成的,见图4-34。补强板与管壁焊固形成一个整体(补强板可以焊固于管道外壁或内壁,或内外壁均有补强板)。与加固梁相比,补强板刚度较小,不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。在内水压力作用下由于补强板刚度较小故有可能发生较大的向外的位移,因此常用于埋藏式岔管(其能把大部分不平衡水压力传给围岩)。贴边式岔管常用于中、低水头Y形布置的地下埋管,尤其是支、主管直径之比(d/D)在0.5以下的情况,如果d/D大于0.7则不宜采用贴边式岔管。加强板的宽度应不小于(0.12～0.18)D,其中D为主支管轴线相交处的主管直径。当采用内外补强板时宜取内、外层板宽度不等的形式。

(四)球形岔管(www.daowen.com)

球形岔管是通过球面体进行分岔的,它是由球壳,圆柱形主、支管以及补强环和导流板等组成的。见图4-35。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,因此,这种岔管适用于高水头大、中型电站。球形岔管是国外采用比较多的一种成熟管型。球形岔管球壳所承受的荷载主要为内水压力、补强环的约束力和主、支管的轴向力,主、支管的轴向力对球壳应力有很大影响(在结构上应认真对待),垂直方向的支管应加以锚定(若为具有伸缩节的自由端,则管壁不能传递轴向力,作用于球壳上的轴向水压力将无法平衡),球壳厚度可按内水压力作用下球壳的膜应力来确定并应考虑热加工及锈蚀等余量,补强环与球壳铆接而与主、支管用焊接连接。从理论上讲,球壳在内压力作用下不产生弯矩,但是,在球壳与主、支管连接处由于结构的不连续性仍需用三个补强环进行加固。补强环上的作用荷载有球壳作用力、管壳作用力和补强环直接承受的内水压力,应力求使上述三种力通过补强环断面的形心(以使补强环为一轴心受拉圆环而确保不使断面产生扭转)。球形岔管突然扩大的球体对水流不利,故为改善水流条件常在球壳内设导流板,导流板上设平压孔(因此不承受内水压力而仅起导流作用)。

(五)无梁岔管

无梁岔管是在球形岔管的基础上发展起来的。球形岔管利用球壳改善了结构的受力条件,球壳与主支管圆柱壳衔接处存在结构的不连续性故要加设三个补强环,补强环需要锻造且在与管壳焊接时要预热(球壳一般也要通过加热压制成形,有的球岔在制成后还需进行整体退火,因此工艺复杂),另外补强环与管壳刚度不协调的矛盾仍未解决。鉴于以上叙述,为了改善受力条件可以用直径较大的锥管和球壳沿切线方向衔接,从而使球壳只剩下上、下两个面积不大的三角形,然后在主、支管和这些锥管之间插入几节逐渐扩大的过渡段构成一个比较平顺的、无太大不连续接合线的体形,从而形成无梁岔管(见图4-36)。无梁岔管是一种有发展前途的管形,能发挥与围岩共同受力的优点。

图4-34　贴边式岔管

1—主管;2—补强板;3—支管

图4-35　球形岔管

图4-36　无梁岔管

除了上述5种岔管外,国外的电站还采用了隔壁岔管。隔壁岔管由扩散段、隔壁段、变形段组成,各级皆为完整的封闭壳体,除隔壁外无其他加强构件,其受力条件很好,水流流态较优且不需要大的锻件。