第四章地下埋管資料 埋管

本文格式為Word版，下載可任意編輯——第四章地下埋管資料埋管第四章地下埋管4.1地下埋管的特點及構(gòu)造地下埋管是埋藏于地層巖石之中的鋼管，其為水電站中應(yīng)用最多的一種壓力管道。

一、地下埋管的性質(zhì)地下埋管的性質(zhì)：鋼襯與巖體之間用混凝土回填后共同受力的組合布局。

小結(jié)：明鋼管的設(shè)計步驟1、線路選擇。

2、供水方式選擇。

3、管徑確定。

4、管道布置及附件設(shè)計：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)、進(jìn)人孔、閥門。

5、水力計算(1)恒定流：計算h損。

(2)非恒定流：計算水錘壓力。

6、壓力鋼管布局設(shè)計(1)初步擬定管壁厚度δ；

(2)舉行鋼管外壓穩(wěn)定校核，確定是否設(shè)置加勁環(huán)，并計算其尺寸；

(3)舉行強度校核。

7、校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應(yīng)力。

二、地下埋管的工作特點與明管相比（1）優(yōu)點①布置生動便當(dāng)。

②鋼管與圍巖共同承受內(nèi)水壓，減小鋼襯δ。

③運行安好。

(2)缺點①施工安裝工序多，工藝要求高，施工條件較差。

②外壓穩(wěn)定問題突出。

下彎段鋼管底部隆起錨環(huán)焊縫開裂三、布置1、布置要求(1)線路應(yīng)盡量選擇在地形、地質(zhì)條件優(yōu)越地區(qū)，并與調(diào)壓室和廠房有良好的總體布置。

(2)應(yīng)布置在堅忍、完整、籠罩層厚的巖體中。

(3)管軸線盡量與巖層構(gòu)造面垂直。

(4)布置在地下水位低的巖層中，同時應(yīng)避開地下水壓力和涌水量很大而又不易采取有效排水措施的地段。

(5)地下埋管宜多采用聯(lián)合供水。當(dāng)同時要求開挖幾條隧洞時，隧洞間要有足夠的間距。(3D)水電站廠房水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組壓力管道2、地下埋管的布置形式①豎井：常用于首部式開發(fā)的地下電站。

②斜井：適用于地面和地下廠房。

③平洞：作為過渡段使用。

四、地下埋管的施工要求地下埋管施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支護(hù)等）→安裝鋼管→回填砼→各種灌漿(回填灌漿、固結(jié)灌漿、接縫灌漿)。

(1)洞井開挖可以用不同方法。

先開挖導(dǎo)洞，后擴(kuò)大導(dǎo)洞斷面，開挖方向如前。

盡量采用光面、預(yù)裂爆破或掘進(jìn)機(jī)開挖，保持圓形孔口，裁減爆破松動影響。

開挖過程中包括：放線、打眼、裝藥、放炮、排煙、除掉危巖、噴錨支護(hù)等。

(2)施工時應(yīng)合理地選擇水平施工支洞的高程及平面位置，以利出渣、鋼襯的運輸安裝和回填砼，并考慮作為永久性排水洞和觀測洞的可能。

TBM掘進(jìn)機(jī)工作過各示意圖TBM刀盤片面全長100多米，鉆頭直徑8米多，隧洞的襯砌，支護(hù)可一氣呵成。

(3)鋼管管壁與圍巖之間的徑向凈空尺寸視施工方法和布局布置而定。

鋼管就位以后需要在管外焊接作業(yè)的：兩側(cè)及頂部至少留0.5m，底部至少留0.6m或更大。加勁環(huán)距巖壁應(yīng)至少留0.3m。

▓注：應(yīng)盡量制止現(xiàn)場管外焊接，裁減加勁環(huán)高度，以節(jié)省開挖和回填混凝土量。

≥0.5m≥0.6m≥0.3m(4)鋼襯一般在加工廠焊制成確定長度的管節(jié)，運輸?shù)蕉磧?nèi)用預(yù)埋的錨件固定，校正圓度，壓縫整平后，焊接安裝環(huán)縫。

(5)鋼襯與圍巖之間回填的砼僅傳遞徑向內(nèi)壓力，故標(biāo)號一般在150#-250#之間，且不低于150#(稍低于C15)。

回填砼一般采用砼泵澆筑。

回填砼分層澆筑。當(dāng)需加快施工進(jìn)度時，可在管內(nèi)架設(shè)臨時支撐。

為振搗便當(dāng)，砼澆筑可在安裝好幾段鋼管后交錯舉行。

澆筑時需留神鋼襯外圍和剛性環(huán)鄰近振搗密實，防止展現(xiàn)空洞，防止地下水浸入沖走水泥漿造成無強度空洞。

(6)采用適合的原材料和級配、合理的輸送、澆筑和震搗工藝更為重要，以保證回填混凝土密實、平勻并和圍巖及鋼襯緊密貼合。

回填砼的缺陷會引起鋼襯的局部彎曲，更加不利，甚至不如明管。所以這些缺陷往往是造成地下埋管事故的重要理由。

(7)采用預(yù)埋骨料壓漿砼和微膨脹水泥等，?？扇〉幂^好的效果，而且可將砼澆筑和回填灌漿的工藝結(jié)合為一，并對鋼襯起確定預(yù)壓作用。

采用豎井和較陡的斜井，利于回填砼的質(zhì)量。

(8)灌漿分回填灌漿、接縫灌漿和固結(jié)灌漿。

①頂拱回填灌漿：平洞、斜井，在砼澆筑14天后舉行。

②基巖固結(jié)灌漿可視概括條件選用。

灌漿過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視，防止鋼襯失穩(wěn)事故；

灌漿后全部灌漿孔均務(wù)必嚴(yán)密封堵，以防運行時內(nèi)水外滲，造成事故。固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿7-14天之后舉行。

③接縫灌漿：鋼襯與砼、砼與圍巖之間舉行，且宜在氣溫最低的季節(jié)施工，以裁減縫隙值。于固結(jié)灌漿14天后舉行。

(9)地下水位較高地區(qū)，可打排水洞(效果好)、設(shè)排水管(易堵塞)，也可外設(shè)加勁環(huán)。

可采用環(huán)向、縱向排水暗管。

環(huán)向排水：可用礫石鋪成，每隔6-8m設(shè)一道，收集的滲水搜集后由襯砌下部的縱向排水暗管(例如無砂混凝土管)排向下游。

4.2地下埋管承受內(nèi)壓分析一、根本工作原理1、根本假定(1)圍巖、砼、鋼管為彈性狀態(tài)，巖石為完全彈性體，且各向同性。

(2)巖石開挖后已充分變形，回填砼和鋼襯施工后無初始應(yīng)力。

(3)在設(shè)計內(nèi)壓作用下，回填砼承受荷載開裂以后只傳遞徑向壓力，不承受環(huán)向荷載。

2、根本工作原理r1二、計算內(nèi)容(1)在已知鋼管厚度處境下，求鋼襯應(yīng)力σθ；

鋼襯環(huán)向拉應(yīng)力的計算公式：

(2)在已知鋼襯允許應(yīng)力的處境下求鋼襯厚度。

給定允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)的處境下，求管壁厚度的計算公式：

除公式不同外，計算結(jié)果處理同明鋼管。

三、影響鋼襯應(yīng)力因素的分析1、圍巖的單位抗力系數(shù)K0。概念見教材K0=Ed/100(1+μd)理應(yīng)盡量改善圍巖的質(zhì)量，提高其彈性模量，途徑為固結(jié)灌漿。是否需要需論證Ed與μd可由試驗得出，無論是室內(nèi)還是現(xiàn)場試驗都應(yīng)留神試驗結(jié)果的局限性。

r12、初始縫隙Δ。對應(yīng)力影響大，但不易確定。

①施工縫隙Δ0：砼澆筑或接縫灌漿完工后，溫度恢復(fù)正常時，鋼襯與砼襯圈及砼與圍巖間的間隙總和。由砼的收縮和施工質(zhì)量不良造成。

若施工處理較好，可取Δ0＝0.2mm。

r1減小施工縫隙的措施：

A.澆筑砼的水化熱消散后在低溫時舉行接縫灌漿。

B.在砼澆筑時降低入倉溫度和對鋼襯舉行冷卻，如噴灑冷水。

C.采用膨脹砼回填。此法有時可不舉行接縫灌漿。

D.采用預(yù)埋骨料壓漿砼。

r1②鋼襯冷縮縫隙ΔS（溫差縫隙）：其值取決于鋼襯竣工時溫度(無切當(dāng)資料可用平均地溫)與運行時溫度(最低水溫)之差Δts。

其為非定值，冬季最大。

ΔS=αsΔtsr1(1+μ)r1③圍巖冷縮縫隙ΔR：：管道投入運行后，水溫低管道投入運行后，水溫低于圍巖原始溫度，圍巖降溫冷縮形成的縫隙。于圍巖原始溫度，圍巖降溫冷縮形成的縫隙。

圍巖破碎區(qū)相對半徑影響系數(shù)圍巖破碎區(qū)外半徑r4取值：堅硬完整巖石可取隧洞內(nèi)半徑，破碎薄弱巖石可取7倍鋼管內(nèi)半徑。

④圍巖塑性壓縮縫隙Δp：巖體的剩余變形。

r1一般可用適當(dāng)降低K0值的方法加以考慮。

計算時初始縫隙Δ的取值：

Δ=Δ0+ΔS+ΔR=(3~5)×10-4r1。

注，此式適用條件：

否那么地下埋管壁厚按明管計算。

四、非均質(zhì)圍巖中鋼襯應(yīng)力分析▓實際上任何地下埋管都非軸對稱問題。由于：

(1)圍巖的性質(zhì)和初始應(yīng)力狀態(tài)不成能是各向同性的。

(2)圍巖孔口不是正圓。

(3)施工縫隙不成能是平勻的而呈繁雜的局部分布狀態(tài)。

(4)回填的混凝土襯圈未必沿圓周平勻地徑向開裂。

▓層狀巖體是最典型的各向異性巖體，對這種巖體內(nèi)埋管的研究結(jié)果說明：

(1)鋼襯應(yīng)力的十足值和它的不平勻性受管道軸線與巖層相對位置的影響很大；

鋼襯應(yīng)力最大值發(fā)生在圍巖變形模量最大的方向的位置。

(2)圍巖兩正交方向的變形模量值之比越大，鋼襯應(yīng)力分布的不平勻程度也越大。

(3)圍巖變形模量的十足值越大，圍巖各向異性對鋼襯應(yīng)力的影響也大。

(4)混凝土襯圈的非平勻開裂對鋼襯應(yīng)力的不平勻性有相當(dāng)影響。

五、圍巖承載才能實質(zhì)：即為確定鋼管外巖石籠罩層厚度。

同時得志以下兩個條件：

1、埋管頂部基巖凈厚度Hd不小于管道砼襯圈外直徑三倍，即：

Hd≥6r3工程上應(yīng)用較多，但不合理，勢必被淘汰。

2、抗上抬方法2、抗上抬方法當(dāng)α60°，可用考慮圍巖摩擦力的側(cè)推平衡原那么分析圍巖水平籠罩厚度的要求。一般f＜1，故水平籠罩厚度應(yīng)大于垂直籠罩厚度。

3、數(shù)值分析方法，包括有限元、流線元及DDA等分析方法。

便當(dāng)快捷，但參數(shù)的選取對比麻煩，程序本身有待進(jìn)一步提升。

4.3地下埋管的抗外壓失穩(wěn)地下埋管鋼襯的外壓失穩(wěn)問題比內(nèi)壓問題更需留神，由于：

地下埋管是一種薄殼布局，有圍巖聯(lián)合作用，其承受內(nèi)壓的潛在安好度相當(dāng)高，但管道放空時所受外壓力的值可能遠(yuǎn)大于大氣壓力，造成管道外壓失穩(wěn)。

一、鋼襯的外壓荷載(1)地下水壓力，即工程上常說的外水壓力。

可根據(jù)勘測資料選定。

(2)鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力。計算時接縫灌漿壓力一般為0.2MPa。

另外工程上回填及接觸灌漿的壓力一般為0.15-0.25MPa，固結(jié)灌漿壓力一般為0.45-0.55MPa，常取為0.5MPa。

一、鋼襯的外壓荷載(1)地下水壓力(2)鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力(3)回填砼時流態(tài)混凝土的壓力。

即施工期一次澆筑的流態(tài)砼的壓力，其值抉擇于混凝土一次澆筑的高度，其值為：

二、埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征?臨界壓力：工程上鋼襯達(dá)成屈服強度時的狀態(tài)稱為失穩(wěn)，相應(yīng)的外界壓力稱為臨界壓力。

?埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要識別：地下埋管失穩(wěn)受外圍混凝土的限制。埋管鋼襯的臨界壓力與材料的屈服強度和初始縫隙值直接有關(guān)。

兩種失穩(wěn)模式(a)n個屈曲波(b)三個半波埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征：

外壓↑→鋼襯屈曲→鋼襯變形達(dá)成Δ0→外壓持續(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)成材料屈服值→失穩(wěn)。

此形式較符合實際處境，較常見鋼襯的屈曲失穩(wěn)形式可以是整體的或局部的三、光面鋼襯臨界壓力計算1、阿氏公式(Amstutz)Amstutz)我國鋼管設(shè)計模范推舉阿氏公式作為主要計算公式，對于光面管，阿氏公式為：

(2)臨界壓力公式：

(1)(2)(1)計算步驟：計算時先由式(1)求出σN，再由式(2)求Pcr。

(2)(1)求σN時需要試算。已將阿氏公式制成曲線，根據(jù)鋼襯的屈服強度σs值和鋼襯的主要參數(shù)r1/δ和Δ/r1，即可直接由圖查出Pcr，見P56圖4-4。

(2)注：①采用高強鋼可減小管壁厚度，但可能造成臨界壓力Pcr的降低，工程應(yīng)用時應(yīng)留神。

②理論公式的計算結(jié)果不成能完全精確地反映實際處境。

③阿氏公式算出的臨界壓力值較低。

(2)2、閱歷公式根據(jù)38個模型試驗資料回歸分析的方法建立：

若外壓穩(wěn)定不得志，更常用的是在管壁外設(shè)加勁環(huán)或錨筋、錨片。

四、加勁環(huán)式鋼襯臨界壓力計算地下埋管常采用加勁環(huán)來提高穩(wěn)定性和在運輸、施工時增加鋼襯的剛度。

有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算：

1、加勁環(huán)的穩(wěn)定分析①用光面管公式計算。

(1)臨界壓力公式：

(2)②實際上，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，而按強度條件操縱，即：

式中：

F—加勁環(huán)有效截面面積；

l—加勁環(huán)間距。

2、加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定目前尚無完善計算方法，可套用帶有加勁環(huán)的明管的外壓穩(wěn)定計算公式，即認(rèn)為縫隙值很大，這樣偏于安好。（式3－36、3－37）3、錨筋式鋼管用閱歷公式校核：

n－同一截面上的錨筋數(shù)l－管軸向錨