第七节 分岔管
一、分岔管
压力管道的分岔方式有Y形[图8-22(a)]和y形[图8-22(b)]。 二者对水流的分配均匀，缺点是机组数较
多时分岔段较长；后者的分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，受力状态比较复杂，在计算力学和计算机这种计算工具应用于工程之前，对这种结构只能简化成平面问题进行近似计算。岔管的加强梁有时需要锻造，卷板和焊接后需作调整残余应力处理，因而制造工艺比较复杂。
图13-22 管道分岔方式
岔管的另一特点是水头损失较大，在整个引水系统的水头损失重在重要地位。例如我国某水电站，引
水隧洞长1200m，根据模型试验，仅一处岔管的局部水头损失即超过引水隧洞和进水口水头损失的总和。因此，如何降低水头损失是岔管设计的一个重要问题。较好的岔管体型应具有较小的水头损失、较好的应力状态和较易于制造。
从水力学的角度看，岔管的体型设计应注意以下几点：
（1）使水流通过岔管各断面的平均流速相等，或使水流处于缓慢的加速状态。
（2）采用较小的分岔角a，如图13-23所示。但从结构上考虑，分岔角不宜太小，太小会增加分岔段
的长度，需要较大尺寸的加强梁，并会给制造带来困难。水电站岔管的分岔角一般在30°-75°范围内，最常采用的范围是45°-60°。
（3）分弃管采用锥管过渡，避免用柱管直接连接。半锥和一般用5°-10°。 （4）采用较小的岔档角夕。岔档有分流的作用，较小的岔档角有利于分流。 （5）支管上游侧采用较小的顺流转角γ。
图 13-23 岔管体型示意图
以上各点有时难于同时满足，例如，增加支管锥角
对水流的影响较大。
有助于减小γ,但又不可避免地会加大β，但前者
岔管的水力要求和结构要求也存在矛盾，例如，较小的分岔角对水流有利，但对结构不利，因为分岔
角越小，管壁互相切割的破口越大，加强梁的尺寸也就越大，而且过小的夹角会使岔档部位的焊接困难，又例如，支管用锥管过渡对水流有明显的好处，但不可避免地会使主支间的破口加大；等等。这就要求在设计岔管体型时应最大限度地满足各方面的要求，分清主次，抓住主要矛盾。一般说来，对于水头较低的电站，岔管的内压较小，而岔管的水头损失占总水头的比重较大，此时多考虑一些水力方面的要求是正确的；反之，对于高水头的电站，多考虑一些结构方面的要求是合理的。
在以后的讨论中我们将会知道，在分岔区，由于管壁的相互切割，在内水压力的作用下，存在较大的
不平衡力，需要另设加强构件承担。加强构件一般沿管壁的相贯线（管壁交线）布置。在工程中，为了便于加固，希望相贯线是平面曲线。相贯线是平面曲线的必要和充分条件是两个锥管有一个公切球（平面图像是公切圆），如图13-24所示。在平面图上，公切圆O与锥管I相切于a、a，与锥管Ⅱ相切于b, b,连接aa和bb,得交点D, AD和BD即为相贯线的平面图像。在垂直纸面的沿AD和BD方向的两个平面上，相贯线是两个椭圆曲线。
若主支管的直径相差较大，两者公切于一个球有困难，则岔管的体型也可以不按这一要求进行设计，
此时相贯线是一个曲面上的封闭曲线，常用一个曲面圈梁加固。
图 13-24 两个锥管平面的公切圆
二、岔管的荷载和受力特点
在压力管道的分岔处，管壁因互相切割而不再是一个完整的圆形，在内水压力作用下，原被切割等的
管壁所承担的环拉力T便无法平衡，需另设加强构件来承担这个不平衡力，如图13-25 (b）所示。此外，在有些情况下管壁还存在轴向力，此轴向力在相贯处也不能平衡，需由加强构件承担。
图 13-25 岔管的受力情况
1.管壁环向拉力引起的荷载
如图13-25 (b)所示，在内压p作用下，沿锥管轴线单位长度管壁的环拉力
式中
一锥管的半锥顶角；
-计算点处的锥管半径。
T沿LM方向单位长度的垂直分量为
图13-25中的分力
分解为作用在相贯线平面内沿竖轴y表示的水平分量
式中 a-支管轴线与主管轴线所夹之锐角；
y-相贯线垂直坐标，见图13-25 (c)； a、b-相贯线的半长轴和半短轴，其值为
其中R为主管半径。
上述
和是一侧支管作用于相贯线LM上的荷载，对Y形分岔，乘以2得总荷载；对于不对称的
和
沿u、y轴的分布
y形分岔，则应分别以两支管的参数代入式(13-38)和(13-39)求出相应的荷载。如图13-25 (c)。
2.管壁轴向力引起的荷载
管壁的轴向力有以下几种情况：有闷头、有锥管、有伸缩节及埋管等。 对支管有闷头情况（如水压试验等），单位周长管壁沿母线方向的轴力
对于埋管
式中
-钢材的泊松比；
-钢材的线膨胀系数； -钢材的弹性模量； -温差。
轴向力
在相贯线上的垂直分量和水平分量
式中
-相贯线椭圆曲线
上计算点的横坐标值；
其他符号同前。
和
亦为一个支管引起的荷载，方向示于图13-25（c）中。
上的荷载求法类似。
以上为相贯线LM上的荷载。相贯线CD和 三、几种常用的岔管
根据岔管的体型和加固方式，水电站常用的岔管有以下几种。 （一）贴边岔管
贴边岔管在相贯线的两侧用补强板加固，如图13-26所示。补强板与管壁焊接，可加于管外，也可同
时加于管内和管外。我国早期建造的几个水电站多采用这种岔管。贴边岔管的特点是补强板的刚度较小（与后面的加固梁比较），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y型地下埋管，特别适用于支、主管直径之比（d/D）在0.5以下的情况，此比值大于0.7时不宜采用贴边岔管。
图 13-26 贴边岔管
贴边岔管的应力状态比较复杂，除有限元法外，目前尚无他比较合理的分析方法，其壁厚可近似的用下式确定
式中 R-计算管节的最大内径；
Φ-焊缝系数；
-系数，取1.2-1.5, d/D小者取小值；
-膜应力区的容许应力，基本荷载时取，特殊荷载时取。
补强板可采用一层（置于管外），d/D较大时可用两层（管内外各一层），宽度用（0.2-0.4）d，厚度
可与管壁厚度相同。
（二）三梁岔管
三梁岔管用三根首尾相连接的曲梁作为加固构件，如图13-27所示。U梁承受较大的不平衡水压力，
使梁系中的主要构件。腰梁1承受的不平衡力较小，腰梁2用来加固主管管壁。同时，两根腰梁有协助U梁承受外力的功用。
图 13-27 三梁岔管
加固梁的刚度比邻近的管壁刚度要大得多，故在设计时，一般假定梁系承担全部不平衡区的内水压力。
梁的断面可计入
每侧宽度的管壁。
U形梁沿相贯线布置，一般加于管壳之外，内外缘均为椭圆曲线，如图13-28 (a)所示。U梁的荷载如
图13-25（c)所示，在垂直和水平荷载V、H及腰梁反力P、 Q、M的作用下，U梁可近似作为固定于对称轴1-1的变截面悬臂梁进行分析计算。
U梁的横截面形式比较常用的有矩形和T形，图13-28（b）和（c）所示。采用T形截面的目的是为
了采用较薄的腹板获得较大惯性矩，但由于T形截面形心外移使U形梁的悬臂加长，荷载V在1-1截面形成的弯矩将显著增加，从而使U梁内缘的拉应力加大，故宜采用⊥形截面。矩形截面的U梁也应避免采用瘦高截面。
为了减小U梁的计算跨度，可将其部分嵌入管壳内，如图8-28(d)所示。嵌入的深度越大，U梁的弯曲
应力越小，逐步使U梁过渡为受拉构件。水工模型试验表明，嵌人的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，甚至可熊有利；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梁两侧出现旋涡区，使水头损失加，在U梁两侧加导流板有一定效果。