第四章 地下埋管1

1、壓力管道功用、特點、基本參數和基本類型。明管、地下埋管、混凝土壩身管。壓力管道的線路選擇原則、壓力管道的供水方式。應根據電站的不同情況，結合電站的開發(fā)方式、水頭、流量及管道的長短、地形、地質條件確定壓力管道的供水方式和引進方式。壓力管道直徑的確定是壓力管道的主要設計內容之一。大型壓力管道的經濟直徑是動能經濟計算確定的，初步設計時可采用經驗公式法。,第三章 小 結,明鋼管的敷設方式和支承方式。為了減小溫度應力，明鋼管的敷設方式通常采用

2、分段式。鎮(zhèn)墩和支墩結構設計。 明鋼管的設計計算。要求掌握明鋼管4個典型斷面的軸向力、法向力和徑向力和剪切應力的計算和強度校核，在外壓作用下管道的穩(wěn)定分析。明鋼管的閥門和附件。蝴蝶閥和球閥，進人孔和通氣閥等。,1．壓力水管的類型及其適用條件是什么？2．水電站壓力水管的供水方式主要有哪幾種方式？它們優(yōu)缺點和適用條件如何？3．地面明鋼管的支墩型式有哪幾種類型？4．地面明鋼管上鎮(zhèn)墩的作用是什么？鎮(zhèn)墩的型式有哪幾類？5．為什么壓力水管

3、上要設伸縮節(jié)？設在什么位置？為什么？6．地面明鋼管承受的最主要荷載是什么？它主要引起什么應力？ 7．地面明鋼管設計時應選擇哪幾個控制斷面？用圖表示各控制斷面的位置？受力特點如何？,水電站思考題,第四章 地下埋管,4.1 特點及構造4.2 地下埋管承受內壓分析 4.3 地下埋管的改進途徑 4.4 地下埋管抗外壓失穩(wěn)4.5 小結,① 布置靈活方便，易于做到短而直（管線布置不受地表地形條件控制）；② 可以利用圍巖承擔內

4、水壓力，特別對高HD值大型電站意義重大；③ 運行安全可靠 ：A）不受外界影響；B）超載系數大（鋼襯塑性好，圍巖極限承載能力大）；④ 構造復雜，工藝要求高，施工條件較差；⑤ 地下水位高時，抗外壓穩(wěn)定需特別注意（國內外埋管失事多為外壓失穩(wěn)）。,2.1 地下埋管的特點和構造,地下埋管的特點,下彎段鋼管底部凹陷,錨環(huán)焊縫開裂,響水水電站高壓埋管失穩(wěn)破壞,在巖石破裂、地下水位較高地區(qū)，水管放空后，鋼襯可能承受不住外水壓力而失去穩(wěn)定，國內外

5、地下埋管均有因此而破壞的例子。解決辦法有：① 離開管道一定距離打排水洞，降低地下水位，效果好；② 在回填混凝土中設排水管，易堵塞，可靠性差；③ 在鋼襯外壁加加勁環(huán)，或用錨件將鋼襯固定在混凝土上。,防止外壓失穩(wěn)措施,,豎井+平洞,斜井+平洞,2、型式：,地下埋管的布置,首部式開發(fā)的地下電站,1、供水方式：宜用單管多機供水方式。多采用分組供水和聯合供水（保證各管間有必要的巖壁厚度，減小工程量）,中部式開發(fā)的地下電站,豎井 ：常用于首部

6、式開發(fā)的地下電站，豎井的開挖、鋼管的安裝、混凝土的回填，一般都自下而上進行，多半用于水頭不太高的電站。 斜井：鋼管軸線與水平面成小于90?的傾角。在地面和地下廠房中采用得最多。為了施工方便，自上而下傾角不超過35?(出渣)；或自下而上開挖傾角45?左右適宜(石渣滑落) 。 平洞：作為過渡段使用。盡量布置在堅固完整的巖體中。,3、線路選擇：,① 應盡量選擇地形、地質條件優(yōu)越的地區(qū)，與調壓室和廠房有良好的總體布置

7、。有利的地形能減少管道長度； 堅固、完整和覆蓋層厚的巖體可更多的分擔內水壓力。② 使埋管軸線盡量與巖層構造面垂直。③ 避開地下水壓力和涌水量很大又不易采取有效排水措施的地段，避免外壓失穩(wěn)而破壞。,④ 灌漿：回填灌漿（平洞、斜井頂拱） 固結灌漿，加固圍巖，提高圍巖承載力接縫灌漿（考慮鋼襯與圍巖聯合受力，氣溫最低時進行），減少混凝土干縮縫隙,施工步驟：,① 開挖（清理石渣、支護等） ：應盡量減少松動區(qū)和超挖;,② 鋼襯安裝；,③ 回

8、填混凝土：強度要求不高（150-200# ），但要求密實，與圍巖與鋼襯密切貼合（止水、加勁環(huán)）,施工,地下埋管施工中,預制管段↓開挖→安裝鋼管→焊接→回填砼→回填灌漿（襯砌混凝土達到設計強度70%后）→固結灌漿（回填灌漿結束7d后進行） →接觸灌漿（襯砌混凝土澆筑結束60d后）,構造：相當于一個多層襯砌的隧洞。鋼襯+回填混凝土+圍巖，組成共同承載的組合體：鋼襯：承受部分水壓，防滲漏；回填混凝土：傳遞部分水壓至圍巖。圍巖：聯合承

9、載。,構造,回填混凝土的功用是將部分內水壓力傳遞給圍巖，必須嚴格控制混凝土的回填質量，尤其是平洞的頂部的澆注。在圍巖/混凝土/鋼管之間存在縫隙，需要用接縫灌漿進行處理，壓力不小于0.2MPa。對于不太完整的圍巖，需進行固結灌漿處理，灌漿壓力 0.5~1.0 MPa，深度 2~4 m。,構造要求,① 鋼襯，回填混凝土均質各向同性、線彈性；,② 混凝土回填前圍巖已充分變形，混凝土上不承受圍巖變形壓力；,④ 鋼襯、混凝土、圍巖間存在初始縫

10、隙。,2.2 地下埋管承受內壓分析,③ 回填混凝土在內壓下均勻開裂（徑向），只傳遞徑向力；,基本假定,內壓通過混凝土繼續(xù)向圍巖傳遞，圍巖產生徑向位移并形成圍巖抗力q，使埋管在內壓下得到平衡。,埋管承受內壓 P ，傳給混凝土壓力Pc，鋼襯在壓力（ P - Pc ）作用下發(fā)生徑向位移，使縫隙 △ 消失。,內壓 Pc使混凝土內發(fā)生環(huán)向拉應力，從而在襯圈內產生徑向均勻裂縫；,,,① 鋼襯在內水壓強（ P - Pc ）作用下，徑向變位為：,應力

11、計算,：鋼襯的徑向變位；：混凝土/鋼襯/圍巖的初始縫隙；：混凝土墊層的徑向壓縮；：圍巖的徑向變位,② 混凝土墊層的徑向壓縮量：受到 Pc 和 q 的作用，在混凝土澆筑質量得以保證的情況下，其徑向壓縮位移量很小，可忽略不計。,令：,則：,鋼襯在壓力（ P - Pc ）下的環(huán)向拉應力為：,③ 求△s：在內水壓力作用下，設已開裂的混凝土與圍巖間接觸應力即圍巖抗力為q，襯圈與鋼襯間接觸應力為：,鋼襯徑向位移：,④ 求△r：圍巖在內壓q

12、作用下的徑向位移：,K—圍巖的抗力系數，其定義為圍巖某給定半徑（r3）的圓形孔口受均勻內壓作用下，孔周發(fā)生1cm徑向位移時所需的均勻內壓值；K0—圍巖單位抗力系數，即半徑100cm的圓形孔口受均勻內壓時，孔周發(fā)生1cm徑向位移時所需的均勻內壓值；,,,根據鋼襯、混凝土襯圈和圍巖徑向位移必須相容的條件，可以寫出：,將各表達式代入，并考慮 r2≈r1，可得Pc和q,已知P為內水壓，鋼襯傳給混凝土的為Pc 。,鋼襯的傳遞系數為：,鋼襯的荷載

13、傳遞系數,傳遞系數ε在0和1之間變化，鋼襯和圍巖聯合承載。若ε≥1，則不需要鋼襯；若ε≤0，則全部內水壓力由鋼襯承擔。,設計鋼襯可能有兩種情況：a.已知內水壓強求鋼襯的厚度；鋼襯用容許應力[σs] 代替：,b. 已知內壓和鋼襯的厚度求鋼襯應力。,1、圍巖單位抗力系數。表示：K0=Ed/100(1+μd) 。 其值對鋼襯應力影響很大,不易確定。 舉例來說：當r1=200cm，δ=1.2cm，P=2MPa，△=0時，K

14、0分別取0和40MPa/cm，鋼襯應力由333降為 85.5MPa。 因此應該盡量改善圍巖的質量，提高其彈性模量。 途徑：固結灌漿加固圍巖。在巖石節(jié)理裂隙發(fā)育、裂隙中填充物少、可灌性好的條件下，固結灌漿效果較好，否則效果可能不好，費用也會較高。,影響鋼襯應力因素的分析,2、初始縫隙△。對應力影響很大，但不易確定。舉例來說：當r1=200cm，δ=1.2cm，P=2MPa，K0取40MPa/cm， △分別取0和1mm時

15、，鋼襯應力由85.5MPa增至171MPa。實踐說明，縫隙值變化很大，影響因素多，也相當復雜。主要由以下三部分組成：,①施工縫隙△ 0：混凝土澆注或接縫灌漿施工完畢，且溫度也恢復正常時，鋼襯和混凝土之間以及混凝土與圍巖之間的縫隙總合。成因：由于混凝土的收縮和施工質量不良造成，措施：進行接縫灌漿。取值：一般情況下，如混凝土澆筑密實，并認真做回填灌漿， △ 0可取0.2mm。,②鋼襯冷縮縫隙△ s （鋼襯的溫差縫隙）取值：取決于鋼

16、襯竣工時溫度和運行時溫度之差。前者取竣工時洞內氣溫或進行接縫灌漿時洞內最高溫度，后者取水溫。水溫在冬季最低，即溫差在此時最大， △ s 也相應最大。施工季節(jié)不當， △ s也能達到相當數值。,鋼襯膨脹系數,溫差,半徑,泊松比,② 圍巖冷縮縫隙△ R指管道投入運行后，水溫低于圍巖原始溫度，圍巖降溫冷縮形成的縫隙。圍巖完整區(qū)：溫降時，其內周徑向位移是向心的，有利于減小縫隙。圍巖破碎區(qū)和開裂的混凝土襯圈：溫降后縫隙值增加。,圍巖膨脹系數,

17、溫差,圍巖破碎區(qū)影響字數,表4-1，r4/r1,總縫隙Δ ：上述三種縫隙是埋管縫隙的主要部分，計算時可取三者之和。 △ = △ 0 + △ s + △ R △ = (3~5) × 10-4r縫隙和半徑成正比，半徑越大，初始縫隙也越大。,前述設計理論的中心就是讓圍巖分擔部分內水壓力，圍巖能否承擔它所分擔的這部分內壓需要校核，關于圍巖承載力的分析方法主要有：,① 最小覆蓋層厚度方法

18、— 埋管頂部凈厚度不得小于管道混凝土襯圈外半徑的6倍。滿足此要求，內壓產生的巖體徑向位移與無限大的巖體很接近，但這一方法不考慮內壓大小和巖體其他條件，不合理。,對覆蓋層的要求,② 抗上抬方法 —上覆巖體重量能與分擔內水壓力產生的上抬力維持平衡。,上覆巖體重量,上抬力,③ 有限元分析方法,能考慮巖體的不同參數(剛度、彈模等）、地質條件、河谷形狀等對圍巖承載力的影響。但是它要求知道巖體力學特性、現場地應力值等參數，很難得到。,承載力很

19、復雜，理論不夠。研究地質條件+工程經驗,對豎井和陡井不適用,,① 由上面分析可知，圍巖承擔內水壓力q的大小與單位抗力系數K0 、縫隙Δ關系密切，但K0 、Δ不易確定。單位抗力系數K0 ：與巖石彈模，巖體的節(jié)理、裂縫等結構面有關。只能通過現場試驗，根據經驗慎重選用。公式 一般不宜采用。,存在問題,2.3 設計理論的問題及改進途徑,初始縫隙Δ ： 施

20、工縫隙、鋼襯冷縮縫隙、圍巖冷縮縫隙,②上述設計理論只考慮了圍巖抗力( 計算出的 圍巖所分擔的內水壓力)，與其承載力無必然聯系。一旦實際承載力超過計算中它所分擔的內水壓力時，圍巖的承載力沒有得到充分利用。③ 對于高HD值埋管，所需鋼襯厚度δ仍太大，加工困難，質量難于保證。,④限制鋼襯在彈性范圍內工作，沒有利用材料塑性。⑤目前的灌漿技術還很難適應各種各樣的圍巖地質條件。灌漿代價高，費工期，可能造成鋼襯質量問題。采用灌漿

21、措施來減少鋼材用量在技術經濟上不一定合理。,由于以上問題，埋管現行設計理論很難適應水電工程發(fā)展的需要，急需改進，改進途徑也是我們值得進一步研究的問題有兩方面：,1、提高鋼襯承載能力：① 研究高強度鋼——在保證塑性、韌性、冷加工性、可焊性基礎上提高強度。② 新的結構型式：雙層管、箍管（用箍給管壁施加預應力）。,改進途徑,2、改進設計思想、設計理論：充分利用圍巖承載，在圍巖條件較好時，少襯或不襯，已成為國內外的一種趨勢。① 塑性設計

22、理論：利用材料塑性，按明管計算；② 柔性管：由圍巖承擔全部內水壓力。柔性鋼襯（或其他防滲材料）起防滲作用。③ 預應力混凝土襯砌：壓力灌漿—圍巖承載 高強鋼絲—鋼絲承載,④ 完全取消襯砌，需圍巖有足夠承載力及抗?jié)B性能。指導思想：當圍巖有較好的防滲性能時，而且有足夠的初始應力可以防止圍巖在內水壓力下發(fā)生水力劈裂，則可不作襯砌。,1、概念：結構體型在荷載作用下失去穩(wěn)定平衡稱失穩(wěn)。臨界壓力：鋼

23、管失去穩(wěn)定平衡的最小外壓力值稱臨界壓力。外壓穩(wěn)定：要求鋼管可能的最大外壓小于臨界壓力，并留有安全裕量。,2、埋管外壓穩(wěn)定校核的荷載,地下水壓力；鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力；回填混凝土時流態(tài)混凝土的壓力。,2.4 鋼襯承受外壓時的穩(wěn)定校核,地下水壓力：鋼襯所受地下水壓力值，可根據勘測資料選定。根據最高地下水位線來確定外水壓力值是穩(wěn)妥的，但常會使設計值過高。同時要分析水庫蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等對地下水位的影響。地下水位線一般不應超過地面

24、。 鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力：接縫灌漿壓力一般為0.2MPa。 回填混凝土時流態(tài)混凝土的壓力：其值決定于混凝土一次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以澆筑高度。,外壓↑→鋼襯屈曲→鋼襯變形增加→外壓繼續(xù)增加→鋼襯發(fā)生更多波形的屈曲→鋼襯應力值↑→鋼襯應力達到材料屈服值→失穩(wěn)。,3、埋管外壓失穩(wěn)過程,4、埋管防止外壓失穩(wěn)措施,① 多采用排水管，結合排水廊道降低地下水位線；,② 減小初始縫隙，精心施工和接縫灌漿。,③ 流態(tài)混

25、凝土的壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或限制澆筑高度。,5、埋管外壓下屈曲的形態(tài)與臨界壓力計算公式,加勁管,光面管,① 兩種失穩(wěn)形態(tài),(a) n個屈曲波 (b)三個半波,光面管：當外壓超過鋼襯的臨界外壓時，一部分鋼襯首先失穩(wěn)，屈曲成三個半波，一個向內，兩個向外，在被壓屈部分，鋼襯中的最大應力達到了材料的屈服強度。,加勁管：加勁環(huán)的存在使管壁屈曲波數 n 增多，波幅減小。受混凝土限制，隨著外壓增加，應力也增加，鋼襯中的最

26、大應力達到了材料的屈服強度。,地下埋管鋼襯變形受外圍混凝土約束：,（阿式公式）,σN — 鋼襯屈服部分由外壓直接引起的環(huán)向應力， 為了方便，將阿式公式制成曲線，根據r1/δ（圖4-4）可直接查得,② 光面管臨界外壓的計算式：,初步分析時可采用經驗公式（由38個試驗資料回歸分析得到）,鋼襯的容許外壓P≤Pcr/K，安全系數K取2.0。公式中只包含δ/r1、σs兩個參變量，使用簡單。,,,③ 加勁式鋼襯臨界壓力計算,屈曲波數：,加勁環(huán)之間

27、管壁的穩(wěn)定：目前沒有合理的計算方法，可以套用帶有加勁環(huán)的明管的外壓穩(wěn)定計算公式。即認為縫隙值很大，這樣偏于安全。,加勁環(huán)本身抗外壓穩(wěn)定計算：（加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)；加勁環(huán)內平均壓應力不超過材料屈服強度）加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定分析可以用光面管公式進行，但按加勁環(huán)的有效截面進行計算。實際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內變形時約束大，一般可以不考慮加勁環(huán)的外壓穩(wěn)定性問題，而按強度條件控制，即：