一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构及其施工方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程领域，具体涉及一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构及其施工方法。


背景技术：

2.在水利水电工程中，压力钢管或带钢衬的冲砂底孔圆形断面需要与闸门段矩形断面连接时，通常采用“圆变方”或“方变圆”的渐变段。方圆渐变段是由薄钢板组焊成的一种板壳组合结构，其受力条件复杂，抗弯刚度弱，在外水压力作用下结构易产生大变形的屈曲破坏，或者加劲环等构件出现强度破坏问题。例如，国内广州抽水蓄能电站和刘家峡水电站方圆渐变钢衬都发生了不同程度的失稳变形。
3.方圆渐变段承受外水压力能力差。因此，为保证方圆渐变段结构安全，在实际工程应用过程中，方圆渐变段钢衬厚度要远大于同等情况下圆形断面钢衬厚度，同时还需采取加密加劲环间距、采用t型加劲环，甚至焊接π筋等结构加强措施，以及帷幕灌浆等减小外水压力等措施。这些措施大幅增加了投资，还增大了施工难度。复杂的加强措施同时也使结构可靠性降低，存在安全隐患。
4.基于上述情况，本发明提出了一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构及其施工方法，可有效解决以上问题。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构。该结构能够有效解决现有方圆渐变段抗外水压力能力弱和加强措施复杂的问题，能显著提高渐变段结构抗外水压力能力，降低施工难度和投资，提高结构的可靠性，可广泛应用于水利水电工程中，更好地为工程建设服务。
6.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构，包括：
8.方圆渐变钢衬；
9.圆形渐变钢衬，套设于所述方圆渐变钢衬外侧，且其直径较小的端口与方圆渐变钢衬的圆形端口紧密贴合；
10.封闭钢板，覆盖于所述方圆渐变钢衬外壁与圆形渐变钢衬内壁形成的容纳空间的开口处，使得所述方圆渐变钢衬外壁与圆形渐变钢衬以及封闭钢板之间合围形成封闭的容纳空间；
11.填充物，密实充填于所述容纳空间内，与所述方圆渐变钢衬外壁、圆形渐变钢衬以及封闭钢板之间形成一个整体结构。
12.本发明的新型水电工程输水系统方圆渐变结构分为三层，外层为圆形渐变钢衬和加劲环，利用圆形断面来提高结构整体的抗外水压力能力；内层为方圆渐变钢衬，用来过渡内部水流流态，满足渐变段基本的渐变功能；中间为采用填充物将内外层中间的封闭空间
填满，使结构成为整体，改善结构的受力状态。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述封闭钢板底部预留有灌浆孔，顶部预留有排气孔。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述方圆渐变钢衬与圆形渐变钢衬的端口贴合处对接有一圆形钢衬。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述圆形钢衬与圆形渐变钢衬的外壁均间隔布置有加劲环，加劲环的间距采用圆形断面计算出的抗外压要求间距即可。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述方圆渐变钢衬的方形端口处固接有闸门段矩形钢衬。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述圆形渐变钢衬的厚度满足圆形断面抗外压要求厚度即可。
18.作为本发明的一种优选技术方案，所述方圆渐变钢衬的厚度满足钢衬和围岩共同承担内水压力的厚度即可。
19.第二方面，本发明还提供一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：
20.s1、首先计算圆形渐变钢衬厚度及加劲环间距，方圆渐变钢衬厚度，并按照设计体型制作圆形渐变钢衬和方圆渐变钢衬；
21.s2、将方圆渐变钢衬的圆形、方形端口分别与圆形钢衬、闸门段矩形钢衬焊接；
22.s3、在方圆渐变钢衬外侧焊接圆形渐变钢衬，使得方圆渐变钢衬的圆形端口与圆形渐变钢衬的直径较小端口紧密贴合；
23.s4、在方圆渐变钢衬外壁与圆形渐变钢衬内壁形成的容纳空间的开口处焊接封闭钢板，形成封闭结构；
24.s5、通过封闭钢板上预留的灌浆孔和排气孔进行灌浆，将填充物填充于密实圆形渐变钢衬与方圆渐变钢衬之间的空间内，最后封闭预留的灌浆孔和排气孔，使渐变结构成为整体。
25.作为本发明的一种优选技术方案，所述填充物为水泥浆。
26.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
27.本发明所涉及的新型方圆渐变结构有效的解决了现有的传统渐变段结构复杂、抗外水压力能力差、成本高、施工复杂，可靠性较低的问题。通过“外圆内方”的方案，提高了渐变结构抗外水压力承载能力，同时结构简单，施工方便，能大幅节约工程投资，具有较高的可靠性及实用性。
附图说明
28.图1是本发明的整体三维结构示意图；
29.图2是本发明的方圆渐变钢衬三维结构示意图；
30.图3是本发明的渐变结构剖面结构示意图。
31.附图标记：1-加劲环；2-圆形渐变钢衬；3-方圆渐变钢衬；4-封闭钢板；5-排气孔；6-灌浆孔；7-闸门段矩形钢衬；8-圆形钢衬；9-填充物。
具体实施方式
32.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
33.下面结合附图1-2和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
34.如图1和2所示，本发明提供一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构，该结构包括加劲环1、圆形渐变钢衬2、方圆渐变钢衬3、封闭钢板4以及填充物9。
35.其中，方圆渐变结构分别连接于圆形钢衬8与闸门段矩形钢衬7之间。方圆渐变结构的内层为方圆渐变钢衬3，外层套设有圆形渐变钢衬2，圆形渐变钢衬2外侧布置有加劲环1；在渐变结构的圆形端口侧圆形渐变钢衬2与方圆渐变钢衬3直接焊接，方形端口侧通过封闭钢板4连接圆形渐变钢衬2和方圆渐变钢衬3，形成封闭的结构。封闭钢板4底部预留有灌浆孔6，顶部预留有排气孔5。焊接完毕后通过预留灌浆孔6进行灌浆，将圆形渐变钢衬2和方圆渐变钢衬3之间的空间填充密实，使渐变结构成为整体。
36.进一步地，在本发明的圆形渐变钢衬2和方圆渐变钢衬3之间不设置加劲环1。
37.上述新型方圆渐变结构的具体施工步骤如下：
38.步骤001.首先计算圆形渐变钢衬2厚度及加劲环1间距，方圆渐变钢衬3厚度，并按照设计体型制作圆形和方圆渐变钢衬3管节；根据外水压力计算圆形渐变钢衬2厚度及加劲环1间距；考虑围岩分担作用，用内水压力计算方圆渐变钢衬3厚度(上述结构规格的计算方法采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明的创新点所在，对于本领域技术人员来说，是可以理解的，本发明专利不做进一步具体展开详述)；
39.步骤002.将方圆渐变钢衬3的圆形、方形端口分别与圆形钢衬8、闸门段矩形钢衬7焊接；
40.步骤003.在方圆渐变钢衬3外侧焊接圆形渐变钢衬2，使得方圆渐变钢衬3的圆形端口与圆形渐变钢衬2的直径较小端口紧密贴合；
41.步骤004.在方圆渐变钢衬3外壁与圆形渐变钢衬2内壁形成的容纳空间的开口处焊接封闭钢板4，形成封闭结构；
42.步骤005.通过封闭钢板4上预留的灌浆孔6和排气孔5用水泥浆进行灌浆，待水泥浆充分冷却收缩后，用磨细水泥或者化学灌浆进行二次灌浆，填充水泥与钢衬之间空隙，最后封闭预留的灌浆孔6和排气孔5，使渐变结构成为整体。
43.本发明所涉及的新型方圆渐变结构通过“外圆内方”的方案，有效的解决了现有的传统渐变段结构复杂、承担外水压力低、成本高、施工复杂，可靠性较低的问题。提高了渐变的外水压力承载能力，同时结构简单，施工方便，能大幅节约工程投资，具有较高的可靠性及实用性。
44.依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种新型水电工程输水系统方圆渐变结构，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
45.如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
46.除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。