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1、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；(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）优点布
2、置灵活方便。钢管与围岩共同承担内水压，减小钢衬。运行安全。,(2)缺点施工安装工序多，工艺要求高，施工条件较差。外压稳定问题突出。,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),2、地下埋管的布置形式竖井：常用于首部式开发的地下电站。斜井：适用于地面和地下厂房。平洞：作为过渡段
3、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
4、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。,(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
5、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。顶拱回填灌浆：平洞、斜井，在砼浇筑14天后进行。基岩固结灌浆可视具体条件选用。灌浆过程
6、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。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
7、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,二、计算内容(1) 在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力；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：,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+d)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d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。,2、初始
8、缝隙。对应力影响大，但不易确定。施工缝隙0：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0 0.2mm。,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。,钢衬冷缩缝隙S（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ts。其为非定值，冬季最大。 S=stsr1(1+),围岩冷缩缝隙R ：管道投入运行后，水温低于围岩原始温度，围
9、岩降温冷缩形成的缝隙。,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。,围岩塑性压缩缝隙p：岩体的残余变形。,一般可用适当降低K0值的方法加以考虑。,计算时初始缝隙的取值 ：= 0+ S + R=(35) 10-4r1。,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。
10、,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。,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： Hd6r3工程上应用较多，但不合理，势必被淘汰。,2、抗上抬方法,2
11、、抗上抬方法当60，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f1，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
12、.2MPa。另外工程上回填及接触灌浆的压力一般为0.15-0.25 MPa，固结灌浆压力一般为0.45-0.55 MPa，常取为0.5 MPa。,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：,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。,埋管钢衬在外压下失稳的特征：外压钢衬屈曲钢
13、衬变形达到0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：,(2),(2),(1),计算步骤：计算时先由式(1)求出N，再由式(2)求Pcr。,(2),(1),求N时需要试算。已将阿氏公式制成曲线，根据钢衬的屈服强度s值和钢衬的主要参数r1/和/ r1，即可直接由图查出Pcr，见P56图4-4。,(2),注：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
14、应注意。理论公式的计算结果不可能完全精确地反映实际情况。阿氏公式算出的临界压力值较低。,(2),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。,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、加劲环的稳定分析用光面管公式计算。,(1),实际上，加劲环嵌固在混凝土中，向内变形时约束大，一般可以不考虑加劲环的外压稳定性问题，而按强度条件控制，即：,式中：F加劲环有效截面面积； l加劲环间距。,2、加劲环之间的管壁外压稳定目前尚无完善计算方法，可套
15、用带有加劲环的明管的外压稳定计算公式，即认为缝隙值很大，这样偏于安全。（式336、337）,3、锚筋式钢管用经验公式校核：,n同一截面上的锚筋数l管轴向锚筋间距。锚筋具体设计见水工设计手册。,加劲环式钢衬抗外压失稳的设计步骤是：1、根据设计外压力荷载值，算出管壁不失稳所需加劲环间距l（按式3-36、3-37计算）；2、根据间距设计加劲环的断面（按式4-11计算） 。,五、防止埋管钢衬受外压失稳的措施地下埋管钢衬的严重失稳事故多发生在地下水作用的情况。工程上一般可以采用：(1) 降低地下水水压力。此为防止钢衬失稳的根本方法，排水廊道结合排水孔是比较广泛采用的有效措施。 (2) 精心施工，做好钢衬
16、与混凝土之间的接缝灌浆，减小缝隙。(3)设加劲环的方法来提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。,(4) 采用夹膜式钢筋混凝土管道(即在二层钢筋混凝土中夹薄钢板)，不仅抵抗外压的能力大大增强，而且具有明显的经济效益。(5)流态混凝土的压力稳定可用临时支撑解决或限制浇筑高度。,4.4 地下埋管的改进途径和措施一、现行设计理论的主要原则及问题1、设计理论主要原则(1) 内水压作用下，钢衬变形充填缝隙，再使砼衬圈开裂，并与围岩按变位相容条件联合受力。(2) 把各向异性、具有裂隙等构造的非线弹性岩体当作均匀介质考虑。(3) 限制钢衬在其材料的弹性范围内工作，一般将钢衬的允许应力限制为钢材屈服强度的0
17、.67倍或更低。,(4) 校核围岩的承载力，在满足要求的情况下，为提高围岩分担内水压力百分比采用回填、接缝、固结灌浆等工程措施来减小总缝隙，并改善围岩的力学性能。(5) 校核外压稳定，必要时以加劲环、锚筋等措施来增加钢衬的抗外压稳定能力。,2、以上设计理论及工程实践存在问题(1) 对钢衬应力有重要影响的一些参数，如缝隙值和反映围岩变形的性能的抗力系数，取值很难准确，使钢衬的实际工作应力和计算应力可能相差甚远。(2) 计算出来的围岩所分担的内水压力值与围岩的实际承载并无必然联系，当围岩实际承载力超过计算中它所分担的内水压力时，围岩承载力没有得到充分利用。,(3) 当K(围岩特性)值较低，而HD值
18、较大，特别水头高的情况，需要很厚的钢衬，超厚板的材质不易保证，且焊接困难大，常需作消除焊接应力的热处理，这在安装现场往往很难实现。(4) 目前灌浆技术还很难适应各种各样的围岩地质条件，灌浆代价高，费工期，可能造成钢衬质量问题。因此用灌浆措施来减少钢材用量，在技术经济上是否合理也是问题。,二、改善途径和措施主要途径有三方面：1、研制和采用高强度钢材。可降低钢衬，但也降低了Pcr，且造价高，一些工艺性能不易保证。2、改进设计理论。,3、改进结构型式和工程措施。采用双层钢管作为钢衬：主要是为了避免钢衬太厚。但造价高、施工质量不易保证。可在后期加固采用。双层钢管可紧套在一起，也可在中间回填砂浆。,采用箍管：箍管由锻钢制成，为特殊的高强钢，起预压和加劲作用。我国无应用。,箍管,加劲环,采用柔性钢衬(或其他材料)：仅起防渗作用。可在内壁加一层薄砼衬砌提升强度，但施工麻烦。采用预应力砼砌衬。取消衬砌，或只在局部做喷锚或素砼衬砌，也可采用钢筋混凝土衬砌。采用隧洞内的明钢管。,作业：1、简述地下埋管的施工程序？2、地下埋管的初始缝隙由哪部分组成？分别是由什么引起的？计算时初始缝隙值应如何选取？原因是什么？3、施工过程中，可采用什么措施来减小地下埋管施工缝隙？4、简述施工过程中防止埋管钢衬受外压失稳的措施有哪些？,
