第四章 地下埋管1

1、壓力管道功用、特點(diǎn)、基本參數(shù)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(yīng)根據(jù)電站的不同情況，結(jié)合電站的開發(fā)方式、水頭、流量及管道的長短、地形、地質(zhì)條件確定壓力管道的供水方式和引進(jìn)方式。壓力管道直徑的確定是壓力管道的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。大型壓力管道的經(jīng)濟(jì)直徑是動能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定的，初步設(shè)計(jì)時可采用經(jīng)驗(yàn)公式法。,第三章 小 結(jié),明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式。為了減小溫度應(yīng)力，明鋼管的敷設(shè)方式通常采用

2、分段式。鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 明鋼管的設(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)力的計(jì)算和強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)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(shè)伸縮節(jié)？設(shè)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(yīng)力？ 7．地面明鋼管設(shè)計(jì)時應(yīng)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(diǎn)如何？,水電站思考題,第四章 地下埋管,4.1 特點(diǎn)及構(gòu)造4.2 地下埋管承受內(nèi)壓分析 4.3 地下埋管的改進(jìn)途徑 4.4 地下埋管抗外壓失穩(wěn)4.5 小結(jié),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(dān)內(nèi)

4、水壓力，特別對高HD值大型電站意義重大；③ 運(yùn)行安全可靠 ：A）不受外界影響；B）超載系數(shù)大（鋼襯塑性好，圍巖極限承載能力大）；④ 構(gòu)造復(fù)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(nèi)外埋管失事多為外壓失穩(wěn)）。,2.1 地下埋管的特點(diǎn)和構(gòu)造,地下埋管的特點(diǎn),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(nèi)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(shè)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(jī)供水方式。多采用分組供水和聯(lián)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(jìn)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(jiān)固完整的巖體中。,3、線路選擇：,① 應(yīng)盡量選擇地形、地質(zhì)條件優(yōu)越的地區(qū)，與調(diào)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(jiān)固、完整和覆蓋層厚的巖體可更多的分擔(dān)內(nèi)水壓力。② 使埋管軸線盡量與巖層構(gòu)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(jié)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(lián)合受力，氣溫最低時進(jìn)行），減少混凝土干縮縫隙,施工步驟：,① 開挖（清理石渣、支護(hù)等） ：應(yīng)盡量減少松動區(qū)和超挖;,② 鋼襯安裝；,③ 回

8、填混凝土：強(qiáng)度要求不高（150-200# ），但要求密實(shí)，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(yù)制管段↓開挖→安裝鋼管→焊接→回填砼→回填灌漿（襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后）→固結(jié)灌漿（回填灌漿結(jié)束7d后進(jìn)行） →接觸灌漿（襯砌混凝土澆筑結(jié)束60d后）,構(gòu)造：相當(dāng)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(lián)合承

9、載。,構(gòu)造,回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳遞給圍巖，必須嚴(yán)格控制混凝土的回填質(zhì)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(jìn)行處理，壓力不小于0.2MPa。對于不太完整的圍巖，需進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，灌漿壓力 0.5~1.0 MPa，深度 2~4 m。,構(gòu)造要求,① 鋼襯，回填混凝土均質(zhì)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(nèi)壓分析,③ 回填混凝土在內(nèi)壓下均勻開裂（徑向），只傳遞徑向力；,基本假定,內(nèi)壓通過混凝土繼續(xù)向圍巖傳遞，圍巖產(chǎn)生徑向位移并形成圍巖抗力q，使埋管在內(nèi)壓下得到平衡。,埋管承受內(nèi)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(nèi)壓 Pc使混凝土內(nèi)發(fā)生環(huán)向拉應(yīng)力，從而在襯圈內(nèi)產(chǎn)生徑向均勻裂縫；,,,① 鋼襯在內(nèi)水壓強(qiáng)（ P - Pc ）作用下，徑向變位為：,應(yīng)力

11、計(jì)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(zhì)量得以保證的情況下，其徑向壓縮位移量很小，可忽略不計(jì)。,令：,則：,鋼襯在壓力（ P - Pc ）下的環(huán)向拉應(yīng)力為：,③ 求△s：在內(nèi)水壓力作用下，設(shè)已開裂的混凝土與圍巖間接觸應(yīng)力即圍巖抗力為q，襯圈與鋼襯間接觸應(yīng)力為：,鋼襯徑向位移：,④ 求△r：圍巖在內(nèi)壓q

12、作用下的徑向位移：,K—圍巖的抗力系數(shù)，其定義為圍巖某給定半徑（r3）的圓形孔口受均勻內(nèi)壓作用下，孔周發(fā)生1cm徑向位移時所需的均勻內(nèi)壓值；K0—圍巖單位抗力系數(shù)，即半徑100cm的圓形孔口受均勻內(nèi)壓時，孔周發(fā)生1cm徑向位移時所需的均勻內(nèi)壓值；,,,根據(jù)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(dá)式代入，并考慮 r2≈r1，可得Pc和q,已知P為內(nèi)水壓，鋼襯傳給混凝土的為Pc 。,鋼襯的傳遞系數(shù)為：,鋼襯的荷載

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

14、0分別取0和40MPa/cm，鋼襯應(yīng)力由333降為 85.5MPa。 因此應(yīng)該盡量改善圍巖的質(zhì)量，提高其彈性模量。 途徑：固結(jié)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(jié)灌漿效果較好，否則效果可能不好，費(fèi)用也會較高。,影響鋼襯應(yīng)力因素的分析,2、初始縫隙△。對應(yīng)力影響很大，但不易確定。舉例來說：當(dāng)r1=200cm，δ=1.2cm，P=2MPa，K0取40MPa/cm， △分別取0和1mm時

15、，鋼襯應(yīng)力由85.5MPa增至171MPa。實(shí)踐說明，縫隙值變化很大，影響因素多，也相當(dāng)復(fù)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(fù)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(zhì)量不良造成，措施：進(jìn)行接縫灌漿。取值：一般情況下，如混凝土澆筑密實(shí)，并認(rèn)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(yùn)行時溫度之差。前者取竣工時洞內(nèi)氣溫或進(jìn)行接縫灌漿時洞內(nèi)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(yīng)最大。施工季節(jié)不當(dāng)， △ s也能達(dá)到相當(dāng)數(shù)值。,鋼襯膨脹系數(shù),溫差,半徑,泊松比,② 圍巖冷縮縫隙△ R指管道投入運(yùn)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(nèi)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(shù),

17、溫差,圍巖破碎區(qū)影響字?jǐn)?shù),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(jì)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(shè)計(jì)理論的中心就是讓圍巖分擔(dān)部分內(nèi)水壓力，圍巖能否承擔(dān)它所分擔(dān)的這部分內(nèi)壓需要校核，關(guān)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(nèi)壓產(chǎn)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(nèi)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(dān)內(nèi)水壓力產(chǎn)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(shù)(剛度、彈模等）、地質(zhì)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(xué)特性、現(xiàn)場地應(yīng)力值等參數(shù)，很難得到。,承載力很

19、復(fù)雜，理論不夠。研究地質(zhì)條件+工程經(jīng)驗(yàn),對豎井和陡井不適用,,① 由上面分析可知，圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力q的大小與單位抗力系數(shù)K0 、縫隙Δ關(guān)系密切，但K0 、Δ不易確定。單位抗力系數(shù)K0 ：與巖石彈模，巖體的節(jié)理、裂縫等結(jié)構(gòu)面有關(guān)。只能通過現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)慎重選用。公式 一般不宜采用。,存在問題,2.3 設(shè)計(jì)理論的問題及改進(jìn)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(shè)計(jì)理論只考慮了圍巖抗力( 計(jì)算出的 圍巖所分擔(dān)的內(nèi)水壓力)，與其承載力無必然聯(lián)系。一旦實(shí)際承載力超過計(jì)算中它所分擔(dān)的內(nèi)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(zhì)量難于保證。,④限制鋼襯在彈性范圍內(nèi)工作，沒有利用材料塑性。⑤目前的灌漿技術(shù)還很難適應(yīng)各種各樣的圍巖地質(zhì)條件。灌漿代價高，費(fèi)工期，可能造成鋼襯質(zhì)量問題。采用灌漿

21、措施來減少鋼材用量在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上不一定合理。,由于以上問題，埋管現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論很難適應(yīng)水電工程發(fā)展的需要，急需改進(jìn)，改進(jìn)途徑也是我們值得進(jìn)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(qiáng)度鋼——在保證塑性、韌性、冷加工性、可焊性基礎(chǔ)上提高強(qiáng)度。② 新的結(jié)構(gòu)型式：雙層管、箍管（用箍給管壁施加預(yù)應(yīng)力）。,改進(jìn)途徑,2、改進(jìn)設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)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(nèi)外的一種趨勢。① 塑性設(shè)計(jì)

22、理論：利用材料塑性，按明管計(jì)算；② 柔性管：由圍巖承擔(dān)全部內(nèi)水壓力。柔性鋼襯（或其他防滲材料）起防滲作用。③ 預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌：壓力灌漿—圍巖承載 高強(qiáng)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(dǎo)思想：當(dāng)圍巖有較好的防滲性能時，而且有足夠的初始應(yīng)力可以防止圍巖在內(nèi)水壓力下發(fā)生水力劈裂，則可不作襯砌。,1、概念：結(jié)構(gòu)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?xí)r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(jù)勘測資料選定。根據(jù)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(shè)計(jì)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(yīng)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?xí)r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(yīng)力值↑→鋼襯應(yīng)力達(dá)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(jié)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(jì)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(dāng)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(nèi)，兩個向外，在被壓屈部分，鋼襯中的最大應(yīng)力達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度。,加勁管：加勁環(huán)的存在使管壁屈曲波數(shù) n 增多，波幅減小。受混凝土限制，隨著外壓增加，應(yīng)力也增加，鋼襯中的最

26、大應(yīng)力達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)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(yīng)力， 為了方便，將阿式公式制成曲線，根據(jù)r1/δ（圖4-4）可直接查得,② 光面管臨界外壓的計(jì)算式：,初步分析時可采用經(jīng)驗(yàn)公式（由38個試驗(yàn)資料回歸分析得到）,鋼襯的容許外壓P≤Pcr/K，安全系數(shù)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(jì)算,屈曲波數(shù)：,加勁環(huán)之間

27、管壁的穩(wěn)定：目前沒有合理的計(jì)算方法，可以套用帶有加勁環(huán)的明管的外壓穩(wěn)定計(jì)算公式。即認(rèn)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(jì)算：（加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)；加勁環(huán)內(nèi)平均壓應(yīng)力不超過材料屈服強(qiáng)度）加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定分析可以用光面管公式進(jìn)行，但按加勁環(huán)的有效截面進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)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(qiáng)度條件控制，即：