《3--第三章 地下埋管》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3--第三章 地下埋管（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 65第三章 地下埋藏式压力管道 1 地下埋管的特点和构造 地下埋管是埋藏于地层岩石之中的钢管， 可以是斜的、 垂直的，所以也被称为斜井、竖井，或称隧洞式压力管道。它由开挖岩洞，安装钢衬，再在岩层与钢衬之间浇注混凝土做成。这类管道有时不用钢管做衬砌而用其他衬砌形式。 1.1 工作特点及适用条件 地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。 国外已建和在建的装机容量为 100 万 kW 以上的常规水电站中，采用地下埋管的就占 40左右。全世界已建和在建的容量为 100 万 kW 以上的抽水蓄能电站，绝大多数采用地下埋管。世界上承受水头最高和HD 值最大的管道也是地下埋管。我国已建的水电站中，
2、采用地下埋管的， 最大装机容量为 90万 kW， 最大设计内压 724m， 最大管径 8 8m。在建的最大的地下水电站二滩电站，也采用地下埋管。 地下埋管得到这样广泛的应用，是因为与明管相比，它具有一些突出的优点。 (1)布置灵活方便。明管要求比较好的地形和地质条件，即坡度适中，地基有足够强度，无滑坡、泥石流、雪崩等危险，无强烈地震等。地下埋管埋设在岩体内部，地质条件优于地表，管线位置选择比较自由，而且往往可以缩短管道长度。在明管不易修建的地方，地下埋管总是可以布置的。至于地下厂房，必然要全部或部分采用地下埋管。近几十年来岩石力学和地下工程设计、施工技术有了迅速发展，修建压力竖井和斜井的技术相
3、当成熟，施工条件和费用在有的国家已开始优于地面管道。 (2)利用围岩承担内水压力，减少钢衬壁厚。不仅坚固的围岩可以承担内水压，即使地质条件较差，采取适当措施后，仍可发挥围岩的承载力。减少钢衬壁厚，不仅可以降低造价，而且使制造、 66焊接、安装等工作简化，在保证钢衬质量、加快安装速度方面，其优越性甚至更为重要。特大容量、高水头的管道， HD 值很大，采用明管技术上难于实现，采用地下埋管就可能解决。 (3)运行安全。地下埋管的运行不受外界条件影响，维护简单。围岩的极限承载能力一般很高，钢材又有良好的塑性，因此管道的超载能力很大。 地下埋管也有其缺点。首先，它构造比较复杂，施工安装工序多， 工艺要求
4、较高而地下施工条件又较差。 这些因素会使造价增加，工程质量不易保证，而且影响工期，有时地下埋管会成为电站投产的关键。其次，在地下水压力较高的地方，钢衬可能受甚大外压，造成失稳。国内外地下埋管的破坏事故中，多数是外压失稳。 1.2 布置 地下埋管线路应尽量选择在地形、地质条件优越的地区，并与调压室和厂房有良好的总体布置。有利的地形能减少管道长度，从而节约投资和改善机组运行条件，同时便于施工。埋在坚固、完整和覆盖岩层厚的岩体中的管道，可以更多利用围岩承担内水压的能力。要使埋管轴线尽量与岩层构造面垂直。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，以避免钢衬在外水压力作用下丧失稳定而破
5、坏。 地下埋管宜用单管多机供水方式。 若管道较短、 引用流量较大、机组台数较多、分期施工间隔较长或工程地质条件不宜开挖大断面洞井，则经技术经济比较，可采用两根或更多的管道，相邻两管间距除考虑开挖爆破影响外，还应进行岩体强度验算。 洞井型式 (平洞、斜井、竖井 )及坡度，应根据布置要求、工程地质条件、施工机械和施工方法的条件选用。 1.3 构造与施工要求 地下埋管是钢衬与岩体之间用混凝土回填后共同受力的组合结构。它的施工程序包括开挖、钢衬安装、混凝土回填和灌浆等。 洞井开挖可以用不同方法。尽量采用光面、预裂爆破或掘进机 67开挖，保持圆形孔口，减少爆破松动影响。对施工支洞要合理选择其高程及平面位
6、置以利出碴、运输钢衬和混凝土浇筑，并考虑作为永久性排水洞和观测洞的可能。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 (开挖、回填、焊接等方法以及有无锚固加劲构件等 )而定。凡钢管就位以后需要在管外焊接作业者，两侧和顶部至少留 0.5m，底部至少留 0.6m 或更大。加劲环距岩壁应至少留 0.3m。应尽量避免现场管外焊接，减小加劲环高度，以节省开挖和回填混凝土量。 钢管衬砌一般在加工厂经钢板划线、切割、卷板、拼装、焊接、探伤、除锈、涂防锈层等工艺，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。 钢衬与围岩之间回填的混凝土仅起传递径向内压力而不必
7、承受环向拉力，因此混凝土标号不必太高，但也不宜低于 150 号。更为重要的是要采用合适的原材料和级配，合理的输送、浇筑和振捣工艺，以保证回填混凝土密实、均匀并和围岩及钢衬密切贴合。斜管及平管的底部，止水环和加劲环附近尤须加强振捣，不许出现疏松区和空洞。在地下水丰富的地层施工时，要特别注意地下水冲走水泥浆而影响混凝土密实。回填混凝土的缺陷会引起钢衬的局部弯曲，特别不利，甚至不如明管。所有这些缺陷常常是造成地下埋管事故的重要原因。采用预埋骨料压浆混凝土和微膨胀水泥等，常可取得较好的效果，而且可将混凝土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，有利于回填混凝土的质量
8、。 灌浆分回填灌浆、接缝灌浆和固结灌浆。关于各种灌浆的必要性，存在不同看法。但我国现行钢管设计规范作了规定：平洞、斜井应作顶拱回填灌浆， 因为顶拱处很不容易浇注好； 在结构分析中，若考虑钢衬与围岩联合受力，应该作钢衬与混凝土、混凝土与围岩之间的接缝灌浆，且宜在气温最低的季节施工，以减少缝隙值。基岩灌浆可视具体条件选用。灌浆过程中，应严密监视，防止钢衬失稳等事故。灌浆后，全部灌浆孔均必须严密封堵，以防运行时内水 68外渗，造成事故。 2 地下埋管结构分析方法 2.1 钢管承受内压结构分析 2.1.1 缝隙计算 地下埋管结构由钢管、回填混凝土和围岩组成 (见图 3-1)。 从缝隙分布位置划分，钢管
9、与回填混凝土之间存在缝隙21，回填混凝土与围岩之间存在缝隙22。 从缝隙形成原因分析： 2=b+s+r(3-1) 式中2：包括施工缝隙b、钢管冷缩缝隙s(计算最大缝隙值应取下述最低运行温度情况的s1)和围岩冷缩缝隙r等因素形成的累计缝隙值。 (1) 施工缝隙b。施工缝隙由混凝土和灌浆浆液收缩及施工不良造成，其数值大小主要取决于施工质量。如回填混凝土浇筑密实，并进行可靠的回填和接触灌浆，可取b=0.2mm。 (2) 钢管冷缩缝隙s。钢管通水后，因水温较低，由钢管冷缩而形成的钢管与混凝土衬圈间的缝隙。 1) 最低运行温度情况。 s1= Tssr(1+s) (3-2) 式中：s1最低运行温度情况下的
10、钢管冷缩缝隙值 (mm)； Ts钢管起始温度减最低运行温度 ( )，起始温度 (即相 应于管壁环向应力为 0，且 2=b的温度 )，如 无 资料，可近似用平均地温，最低运行温度可近似用 最低水温； s钢材线膨胀系数 (1/ )； r钢管内半径 (mm)； s钢材泊松比。 图 3-1 地下埋管计算简图 692) 最高水温情况。 s2= Ts1sr(1+s) (3-3) 式中：s2最高水温情况下的钢管冷缩缝隙值 (mm)； Ts1钢管起始温度减最高水温 ( )，可为负值。 (3) 围岩冷缩缝隙r。 r= Trrr5r(3-4) 式中：r围岩冷缩缝隙值 (innl)； Tr洞壁表面岩石起始温度减最低
11、温度 ( )，如无实测 资料，可近似用平均地温减最低三个月平均水温； r围岩膨胀系数 (1/ )； r5回填混凝土外半径 (mm)，即隧洞开挖半径； r围岩破碎区相对半径影响系数，由 r5/r 值查图 3-2。 r5围岩破碎区外半径 (mm)，坚硬完整围岩可取 r6=r5，破碎软弱围岩可取 r6=7r，中等围岩内插选取。 图 3-2 r与 r5/r 的关系曲线 2.1.2 结构分析方法 地下埋管承受内水压力的结构分析方法， 根据缝隙判别条件和覆盖围岩厚度条件，划分为由钢管与围岩共同承载和由钢管单独承载两类情况。 缝隙判别条件： 7022sREr(3-5) 覆盖围岩厚度条件： Hr 6r5(3-
12、6) )tan1(cos22rrrpH+ (3-7) 式中：R钢管结构构件的抗力限值 (N mm2)； Es2平面应变问题的钢材弹性模量 (N mm2)； Hr垂直于管轴的最小覆盖围岩厚度 (mm)，式 (3-6)中 Hr 不应计人全风化层和强风化层，式 (3-7)中 Hr不应计 人全风化层，见图 3-3； p2围岩分担的最大内水压力 (N mm2)，512rtprp= ； p内水压力设计值 (N mm2)； 1内压作用下钢管最小环向正应力 (N mm2)， 201201110001000ssErKtKpr+=； K01围岩单位抗力系数最大可能值 (N mm3)； r围岩重度较小值 (N mm
13、3)； 管轴与水平面夹角 ( )，若 60，则取 =60。 图 3-3 地下埋管上覆围岩厚度定义 71r围岩侧向压力系数。 (1) 钢管与围岩共同承受内水压力情况。 1) 同时满足缝隙判别条件和全部覆盖围岩厚度条件，钢管 壁厚 t 按下式计算： +=2201000sRRErKprt(3-8) 相应钢管最大环向应力按下式计算： RsErKtKpr+=202010001000(3-9) 若由式（ 3-8）求得的 t0 或较小，则钢管壁厚由抗外压稳定和最小壁厚确定。 式中： t钢管管壁厚度 (mm)； K0围岩单位抗力系数较小值 (N mm3)； 钢管环向正应力 (N mm2)。 2) 满足式 (3
14、-5)和式 (3-6)，但不满足式 (3-7)。 令 p2=rHrcos (1+rtan2 ) (3-10) 则 Rrpprt52= (3-11) 以上各式中R均按地下埋管取值。 （ 2） 钢管单独承受内水压力情况 1) 满足式（ 3-6） ，但不满足式（ 3-5） ， t 按式 (3-12)计算，式中R仍按地下埋管取值。 Rprt= (3-12) 2) 不满足式 (3-6)， t 仍按式 (3-12)计算，但式中R按明管取值。 2.2 钢管抗外压稳定分析 722.2.1 光面管 计算临界外压可用经验公式或阿姆斯特兹公式。 (1) 经验公式： 25.07.1612scrrtp = (3-13) 式中： pcr抗外压稳定临界压力计算值 (N mm2)； s钢材屈服点 (N mm2)。 (2) 阿姆斯特兹公式，可用式（ 3-14）计算，亦可查图 3-4。 () +=2235.01skskcrEtrtrp（ 3-14） 图 3-4 地下埋管临界外压曲线（阿氏公式） （ a） s=230N/mm2； (b) s=330N/mm2； (c) s=420N/mm22.2.2 加劲环式钢管 (1) 加劲环间管壁的稳定。加劲环间管壁的临界外压可采用 明管相应公式计算。 (2) 加劲环的稳定。临界外压 pcr可按式 (3-15)计算： 73rlApRscr= (3-15) 式中： AR加劲
