第四章-地下埋管讲解

第四章地下埋管4.1地下埋管的特点及构造地下埋管是埋藏于地层岩石之中的钢管，其为水电站中应用最多的一种压力管道。一、地下埋管的性质地下埋管的性质：钢衬与岩体之间用混凝土回填后共同受力的组合结构。小结：明钢管的设计步骤1、线路选择。2、供水方式选择。3、管径确定。4、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、阀门。5、水力计算(1)恒定流：计算h损。(2)非恒定流：计算水锤压力。6、压力钢管结构设计(1)初步拟定管壁厚度δ；(2)进行钢管外压稳定校核，确定是否设置加劲环，并计算其尺寸；(3)进行强度校核。7、校核镇墩的稳定及地基应力。二、地下埋管的工作特点与明管相比（1）优点①布置灵活方便。②钢管与围岩共同承担内水压，减小钢衬δ。③运行安全。(2)缺点①施工安装工序多，工艺要求高，施工条件较差。②外压稳定问题突出。下弯段钢管底部隆起锚环焊缝开裂三、布置1、布置要求(1)线路应尽量选择在地形、地质条件优越地区，并与调压室和厂房有良好的总体布置。(2)应布置在坚固、完整、覆盖层厚的岩体中。(3)管轴线尽量与岩层构造面垂直。(4)布置在地下水位低的岩层中，同时应避开地下水压力和涌水量很大而又不易采取有效排水措施的地段。(5)地下埋管宜多采用联合供水。当同时要求开挖几条隧洞时，隧洞间要有足够的间距。(3D)水电站厂房水轮发电机机组压力管道2、地下埋管的布置形式①竖井：常用于首部式开发的地下电站。②斜井：适用于地面和地下厂房。③平洞：作为过渡段使用。四、地下埋管的施工要求地下埋管施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）→安装钢管→回填砼→各种灌浆(回填灌浆、固结灌浆、接缝灌浆)。(1)洞井开挖可以用不同方法。先开挖导洞，后扩大导洞断面，开挖方向如前。尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持圆形孔口，减少爆破松动影响。开挖过程中包括：放线、打眼、装药、放炮、排烟、清除危岩、喷锚支护等。(2)施工时应合理地选择水平施工支洞的高程及平面位置，以利出渣、钢衬的运输安装和回填砼，并考虑作为永久性排水洞和观测洞的可能。TBM掘进机工作过各示意图TBM刀盘部分全长100多米，钻头直径8米多，隧洞的衬砌，支护可一气呵成。(3)钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸视施工方法和结构布置而定。钢管就位以后需要在管外焊接作业的：两侧及顶部至少留0.5m，底部至少留0.6m或更大。加劲环距岩壁应至少留0.3m。▓注：应尽量避免现场管外焊接，减少加劲环高度，以节省开挖和回填混凝土量。≥0.5m≥0.6m≥0.3m(4)钢衬一般在加工厂焊制成一定长度的管节，运输到洞内用预埋的锚件固定，校正圆度，压缝整平后，焊接安装环缝。(5)钢衬与围岩之间回填的砼仅传递径向内压力，故标号一般在150#-250#之间，且不低于150#(稍低于C15)。回填砼一般采用砼泵浇筑。回填砼分层浇筑。当需加快施工进度时，可在管内架设临时支撑。为振捣方便，砼浇筑可在安装好几段钢管后交叉进行。浇筑时需注意钢衬外围和刚性环附近振捣密实，防止出现空洞，防止地下水浸入冲走水泥浆造成无强度空洞。(6)采用合适的原材料和级配、合理的输送、浇筑和震捣工艺更为重要，以保证回填混凝土密实、均匀并和围岩及钢衬密切贴合。回填砼的缺陷会引起钢衬的局部弯曲，特别不利，甚至不如明管。所以这些缺陷常常是造成地下埋管事故的重要原因。(7)采用预埋骨料压浆砼和微膨胀水泥等，常可取得较好的效果，而且可将砼浇筑和回填灌浆的工艺结合为一，并对钢衬起一定预压作用。采用竖井和较陡的斜井，利于回填砼的质量。(8)灌浆分回填灌浆、接缝灌浆和固结灌浆。①顶拱回填灌浆：平洞、斜井，在砼浇筑14天后进行。②基岩固结灌浆可视具体条件选用。灌浆过程中应严密监视，防止钢衬失稳事故；灌浆后全部灌浆孔均必须严密封堵，以防运行时内水外渗，造成事故。固结灌浆应在回填灌浆7-14天之后进行。③接缝灌浆：钢衬与砼、砼与围岩之间进行，且宜在气温最低的季节施工，以减少缝隙值。于固结灌浆14天后进行。(9)地下水位较高地区，可打排水洞(效果好)、设排水管(易堵塞)，也可外设加劲环。可采用环向、纵向排水暗管。环向排水：可用砾石铺成，每隔6-8m设一道，收集的渗水汇集后由衬砌下部的纵向排水暗管(例如无砂混凝土管)排向下游。4.2地下埋管承受内压分析一、基本工作原理1、基本假定(1)围岩、砼、钢管为弹性状态，岩石为完全弹性体，且各向同性。(2)岩石开挖后已充分变形，回填砼和钢衬施工后无初始应力。(3)在设计内压作用下，回填砼承受荷载开裂以后只传递径向压力，不承担环向荷载。2、基本工作原理r1二、计算内容(1)在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力σθ；钢衬环向拉应力的计算公式：(2)在已知钢衬允许应力的情况下求钢衬厚度。给定允许应力和焊缝系数的情况下，求管壁厚度的计算公式：ErKK/100100Pr1001ErK101100Pr除公式不同外，计算结果处理同明钢管。三、影响钢衬应力因素的分析1、围岩的单位抗力系数K0。概念见教材K0=Ed/100(1+μd)应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量，途径为固结灌浆。是否需要需论证Ed与μd可由试验得出，无论是室内还是现场试验都应注意试验结果的局限性。ErKK/100100Pr1001r12、初始缝隙Δ。对应力影响大，但不易确定。①施工缝隙Δ0：砼浇筑或接缝灌浆完工后，温度恢复正常时，钢衬与砼衬圈及砼与围岩间的间隙总和。由砼的收缩和施工质量不良造成。若施工处理较好，可取Δ0＝0.2mm。ErKK/100100Pr1001r1减小施工缝隙的措施：A.浇筑砼的水化热消散后在低温时进行接缝灌浆。B.在砼浇筑时降低入仓温度和对钢衬进行冷却，如喷洒冷水。C.采用膨胀砼回填。此法有时可不进行接缝灌浆。D.采用预埋骨料压浆砼。r1②钢衬冷缩缝隙ΔS（温差缝隙）：其值取决于钢衬竣工时温度(无确切资料可用平均地温)与运行时温度(最低水温)之差Δts。其为非定值，冬季最大。ΔS=αsΔtsr1(1+μ)r1③围岩冷缩缝隙ΔR：管道投入运行后，水温低于围岩原始温度，围岩降温冷缩形成的缝隙。RRdRrt1RRdRrt1围岩破碎区相对半径影响系数围岩破碎区外半径r4取值：坚硬完整岩石可取隧洞内半径，破碎软弱岩石可取7倍钢管内半径。RRdRrt1④围岩塑性压缩缝隙Δp：岩体的残余变形。r1一般可用适当降低K0值的方法加以考虑。计算时初始缝隙Δ的取值：Δ=Δ0+ΔS+ΔR=(3~5)×10-4r1。ErK101100Pr注，此式适用条件：否则地下埋管壁厚按明管计算。四、非均质围岩中钢衬应力分析▓实际上任何地下埋管都非轴对称问题。因为：(1)围岩的性质和初始应力状态不可能是各向同性的。(2)围岩孔口不是正圆。(3)施工缝隙不可能是均匀的而呈复杂的局部分布状态。(4)回填的混凝土衬圈未必沿圆周均匀地径向开裂。▓层状岩体是最典型的各向异性岩体，对这种岩体内埋管的研究结果表明：(1)钢衬应力的绝对值和它的不均匀性受管道轴线与岩层相对位置的影响很大；钢衬应力最大值发生在围岩变形模量最大的方向的位置。(2)围岩两正交方向的变形模量值之比越大，钢衬应力分布的不均匀程度也越大。(3)围岩变形模量的绝对值越大，围岩各向异性对钢衬应力的影响也大。(4)混凝土衬圈的非均匀开裂对钢衬应力的不均匀性有相当影响。E五、围岩承载能力实质：即为确定钢管外岩石覆盖层厚度。同时满足以下两个条件：1、埋管顶部基岩净厚度Hd不小于管道砼衬圈外直径三倍，即：Hd≥6r3工程上应用较多，但不合理，势必被淘汰。2、抗上抬方法311/)(rprq311/)(rprq)/1000/()1000(10110111ErKKprs111)1(rtsss2、抗上抬方法当α60°，可用考虑围岩摩擦力的侧推平衡原则分析围岩水平覆盖厚度的要求。一般f＜1，故水平覆盖厚度应大于垂直覆盖厚度。3、数值分析方法，包括有限元、流线元及DDA等分析方法。方便快捷，但参数的选取比较麻烦，程序本身有待进一步改进。4.3地下埋管的抗外压失稳地下埋管钢衬的外压失稳问题比内压问题更需注意，因为：地下埋管是一种薄壳结构，有围岩联合作用，其承受内压的潜在安全度相当高，但管道放空时所受外压力的值可能远大于大气压力，造成管道外压失稳。一、钢衬的外压荷载(1)地下水压力，即工程上常说的外水压力。可根据勘测资料选定。(2)钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。计算时接缝灌浆压力一般为0.2MPa。另外工程上回填及接触灌浆的压力一般为0.15-0.25MPa，固结灌浆压力一般为0.45-0.55MPa，常取为0.5MPa。一、钢衬的外压荷载(1)地下水压力(2)钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力(3)回填砼时流态混凝土的压力。即施工期一次浇筑的流态砼的压力，其值决定于混凝土一次浇筑的高度，其值为：砼HC二、埋管钢衬在外压下失稳的特征临界压力：工程上钢衬达到屈服强度时的状态称为失稳，相应的外界压力称为临界压力。埋管与明钢管外压下失稳的重要区别：地下埋管失稳受外围混凝土的限制。埋管钢衬的临界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值直接有关。两种失稳模式(a)n个屈曲波(b)三个半波埋管钢衬在外压下失稳的特征：外压↑→钢衬屈曲→钢衬变形达到Δ0→外压继续增加→钢衬发生更多波形的屈曲→钢衬应力值↑→钢衬应力达到材料屈服值→失稳。此形式较符合实际情况，较常见钢衬的屈曲失稳形式可以是整体的或局部的三、光面钢衬临界压力计算1、阿氏公式(Amstutz)我国钢管设计规范推荐阿氏公式作为主要计算公式，对于光面管，阿氏公式为：Er45.01)(r46.3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2)ErrPNsNcr)(35.01011临界压力公式：(1)Er45.01)(r46.3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2)ErrPNsNcr)(35.01011(1)计算步骤：计算时先由式(1)求出σN，再由式(2)求Pcr。Er45.01)(r46.3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2)ErrPNsNcr)(35.01011(1)求σN时需要试算。已将阿氏公式制成曲线，根据钢衬的屈服强度σs值和钢衬的主要参数r1/δ和Δ/r1，即可直接由图查出Pcr，见P56图4-4。Er45.01)(r46.3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2)外压kPrPscr25.07.113440注：①采用高强钢可减小管壁厚度，但可能造成临界压力Pcr的降低，工程应用时应注意。②理论公式的计算结果不可能完全精确地反映实际情况。③阿氏公式算出的临界压力值较低。ErrPNsNcr)(35.01011(2)ErK101100Pr2、经验公式根据38个模型试验资料回归分析的方法建立：若外压稳定不满足，更常用的是在管壁外设加劲环或锚筋、锚片。外压外压PkPrPscr262025.07.11四、加劲环式钢衬临界压力计算地下埋管常采用加劲环来提高稳定性和在运输、施工时增加钢衬的刚度。有加劲环的埋藏式钢管的抗外压稳定计算：1、加劲环的稳定分析①用光面管公式计算。