地下埋管PPT課件

1、第四章 地下埋管 4.1 4.1 地下埋管的特點及構(gòu)造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 的組合結(jié)構(gòu)。 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、壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計 (1)初步擬定管壁厚度； (2)進行鋼管外壓穩(wěn)定校核，確定是否設(shè)置 加勁環(huán)，并計算其尺寸； (3)進行強度校核。 7、校核鎮(zhèn)墩的

2、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 布置靈活方便。 鋼管與圍巖共同承擔內(nèi)水壓，減小鋼襯。 運行安全。 (2)缺點 施工安裝工序多，工藝要求 高，施工條件較差。 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)布置在堅固、完整、覆蓋層厚的巖體中。 (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。當同時要求開挖幾條隧洞時， 隧洞間

3、要有足夠的間距。(3D) 水電站廠房 水輪發(fā)電機機組 壓力管道 2、地下埋管的布置形式 豎井：常用于首部式開發(fā)的地下電站。 斜井：適用于地面和地下廠房。 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。 先開挖導洞，后擴大導洞斷面，開挖方向如前。 盡量采用光面、預(yù)裂爆破或掘進機開挖，保持圓形孔口，減 少爆破松動影響。 開挖過程中包括：放線、打眼、裝藥、放炮、排煙、清除危 巖、噴錨支護等。 (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

4、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掘進機工作過各示意圖 TBM刀盤部分 全長100多米，鉆頭直徑8米 多，隧洞的襯砌，支護可一氣呵 成 。 (3)鋼管管壁與圍巖之間的徑向凈空尺寸視施工方法和結(jié)構(gòu)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)盡量避免現(xiàn)場管外焊接，減少加勁環(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一定長度的管節(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

5、的砼僅傳遞徑向內(nèi)壓力，故標號一 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。當需加快施工 進度時，可在管內(nèi)架設(shè)臨時支撐。 為振搗方便，砼澆筑可在安裝好 幾段鋼管后交叉進行。 澆筑時需注意鋼襯外圍和剛性環(huán)附近振搗密實，防止出現(xiàn)空洞， 防止地下水浸入沖走水泥漿造成無強度空洞。 (6)采用合適的原材料和級配、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、均勻并和圍巖及鋼襯密切貼合。 回填砼的缺陷會引起鋼襯的局部彎曲，特別不利，甚至不如明 管。所以這些缺陷常常是造成地下埋管事故的重要原因。 (7)采用預(yù)埋骨料壓漿砼和微膨脹水泥

6、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，并對鋼襯起一定 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。 頂拱回填灌漿：平洞、斜井，在砼澆筑14天后進行。 基巖固結(jié)灌漿可視具體條件選用。 灌漿過程中應(yīng)嚴密監(jiān)視，防止鋼襯失穩(wěn)事故；灌漿后全部灌 漿孔均必須嚴密封堵，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天之后進行。 接縫灌漿：鋼襯與砼、砼與圍巖之間進行，且宜在氣溫最 低的季節(jié)施工，以減少縫隙值。于固結(jié)灌漿14天后進行。 (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)。

7、 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，收集的滲水匯 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。 4.24.2地下埋管承受內(nèi)壓分析地下埋管承受內(nèi)壓分析 一、基本工作原理 1、基本假定 (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，不承擔環(huán)向荷載。 2、基本工作原理 r1 二、計算內(nèi)容 (1) 在已知鋼管厚度情況下，求鋼襯應(yīng)力； 鋼襯環(huán)向拉應(yīng)力的計算公式： (2) 在已知鋼襯允許應(yīng)力的情況下求鋼襯厚度。

8、 給定允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)的情況下，求管壁厚度的計算公式： ErK K /100 100Pr 10 01 E r K 1 0 1 100 Pr 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+d) 應(yīng)該盡量改善圍巖的質(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d可由試驗得出，無論 是室內(nèi)還是現(xiàn)場試驗都應(yīng)注 意試驗結(jié)果的局限性。 ErK K /100 100Pr 10 01 r1 2、初始縫隙。對應(yīng)力影響大，但不易確定。 施工縫隙0：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

9、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0 0.2mm。 ErK K /100 100Pr 10 01 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進行接縫灌漿。 B.在砼澆筑時降低入倉溫度和對鋼襯進行冷卻，如噴灑冷水。 C.采用膨脹砼回填。此法有時可不進行接縫灌漿。 D.采用預(yù)埋骨料壓漿砼。 r1 鋼襯冷縮縫隙S（溫差縫隙）：其值取決于鋼襯竣工時溫 度(無確切資料可用平均地溫)與運行時溫度(最低水溫)之差ts。 其為非定值，冬季最大。 S=stsr1(1+) r1 圍巖冷縮縫隙R ：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。

10、RRdR rt 1 RRdR rt 1 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，破碎軟 弱巖石可取7倍鋼管內(nèi)半徑。 RRdR rt 1 圍巖塑性壓縮縫隙p：巖 體的殘余變形。 r1 一般可用適當降低K0值的方法加以考慮。 計算時初始縫隙的取值 ： = 0+ S + R=(35) 10-4r1。 E r K 1 0 1 100 Pr 注，此式適用條件： 否則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。因為 ： (1) 圍巖的性質(zhì)和初始應(yīng)力狀態(tài)不可能是各向同性的。 (2) 圍巖孔口不是正圓。 (3) 施工縫隙

11、不可能是均勻的而呈復(fù)雜的局部分布狀態(tài)。 (4) 回填的混凝土襯圈未必沿圓周均勻地徑向開裂。 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)果表明： (1)鋼襯應(yīng)力的絕對值和它的不均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 不均勻程度也越大。 (3)圍巖變形模量的絕對值越大，圍巖各向異性對鋼襯應(yīng)力 的影響也大。 (4)混凝土襯圈的非均勻開裂對鋼襯應(yīng)力的不均勻性有相當 影響。 E 五、圍巖承載能力 實質(zhì)：即為確定鋼管外巖石覆蓋層厚度。 同時滿足以下兩個條件： 1、埋管頂部基巖

12、凈厚度Hd不小于管道砼襯圈外直徑三倍，即： Hd6r3 工程上應(yīng)用較多， 但不合理，勢必被淘汰。 2、抗上抬方法 311 /)(rprq 311 /)(rprq )/1000/()1000( 10110111 ErKKpr s 111 )1(rt sss 2、抗上抬方法 當60，可用考慮圍巖摩擦力的側(cè)推平衡原則分析圍巖水 平覆蓋厚度的要求。一般f1，故水平覆蓋厚度應(yīng)大于垂直覆蓋 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。 方便快捷，但參數(shù)的選取比較麻煩，程序本身有待進一步改 進。 4.34.3地下埋管的抗外壓失穩(wěn)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

13、需注意，因為： 地下埋管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，有圍巖聯(lián)合作用，其承受內(nèi)壓 的潛在安全度相當高，但管道放空時所受外壓力的 值可能遠大于大氣壓力，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0.15-0.25 MPa，固 結(jié)灌漿壓力一般為0.45-0.55 MPa，常取為0.5 MPa。 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

14、壓力，其值決定于混凝土一次 澆筑的高度，其值為： 砼 H C 二、埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征 臨界壓力：工程上鋼襯達到屈服強度時的狀態(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)的重要區(qū)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)模式兩種失穩(wěn)模式 (a) n個屈曲波個屈曲波 (b)三個半波三個半波 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到0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)力達到材料屈服值失穩(wěn)。 此形式較符合實 際情況，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

15、界壓力計算 1、阿氏公式(Amstutz) 我國鋼管設(shè)計規(guī)范推薦阿氏公式作為主要計算公式，對于光 面管，阿氏公式為： E r 45.01)( r 46.3 E r 121 r E N0s1 N0s 1 2/3 N 2 1 N 1 (2) E rr P Ns N cr )( 35.01 011臨界壓力公式： (1) E r 45.01)( r 46.3 E r 121 r E N0s1 N0s 1 2/3 N 2 1 N 1 (2) E rr P Ns N cr )( 35.01 011(1) 計算步驟：計算時先由式(1)求出N，再由式(2)求Pcr。 E r 45.01)( r 46.3 E

16、r 121 r E N0s1 N0s 1 2/3 N 2 1 N 1 (2) E rr P Ns N cr )( 35.01 011(1) 求N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s值和鋼襯的主要參數(shù)r1/和 / r1，即可直接由圖查出Pcr，見 P56圖4-4。 E r 45.01)( r 46.3 E r 121 r E N0s1 N0s 1 2/3 N 2 1 N 1 (2) 外壓 kP r P scr 25.0 7.1 1 3440 注：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)注意。 理論公式的計算結(jié)果不可能完全精確地反映實際情況。

17、阿氏公式算出的臨界壓力值較低。 E rr P Ns N cr )( 35.01 011(2) E r K 1 0 1 100 Pr 2、經(jīng)驗公式 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)定不滿足，更常用的是在管壁外設(shè)加勁環(huán)或錨筋、 錨片。 外壓外壓 PkP r P scr 2620 25.0 7.1 1 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 用光面管公式計算。 rl78.0 E r 45.01)( r 46.3 E r 121 r E N0s1 N0s 1 2/

18、3 N 2 1 N 1 (1) E rr P Ns N cr )( 35.01 011臨界壓力公式： (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，而按強度條件控制，即： lrFP scr1 / 式中： F加勁環(huán)有效截面面積； l加勁環(huán)間距。 rl78.0 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，即認為縫隙值很大，這樣偏于安全。（式336、3 37） MPa r Ln n n r E r Ln nr E Pcr2.0 1 12 1 )1(12 1)1(22 22 2 2 23 3 2 22

19、 22 2 4/12/1 74.2 r L r n 3、錨筋式鋼管 用經(jīng)驗公式校核： n同一截面上的錨筋數(shù) l管軸向錨筋間距。 錨筋具體設(shè)計見 水工設(shè)計手冊。 43.0 1 8.1 1 64.04.0 2 1552 r nl r nP scr 加勁環(huán)式鋼襯抗外壓失穩(wěn)的設(shè)計步驟是： 1、根據(jù)設(shè)計外壓力荷載值，算出管壁不失穩(wěn)所需加勁環(huán)間距 l（按式3-36、3-37計算）； 2、根據(jù)間距設(shè)計加勁環(huán)的斷面（按式4-11計算） 。 lrFP scr1 / 22 22 2 2 23 3 2 22 22 2 1 12 1 )1(12 1)1( r Ln n n r E r Ln nr E Pcr 4/12

20、/1 74.2 r L r n 五、防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施 地下埋管鋼襯的嚴重失穩(wěn)事故多發(fā)生在地下水作用的情況。 工程上一般可以采用： (1) 降低地下水水壓力。 此為防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法，排水廊道結(jié)合排水孔是比較 廣泛采用的有效措施。 (2) 精心施工，做好鋼襯與混凝土之間的接縫灌漿，減小縫 隙。 (3)設(shè)加勁環(huán)的方法來提高穩(wěn)定性和在運輸和施工時增加鋼襯 的剛度。 (4) 采用夾膜式鋼筋混凝土管道(即在二層鋼筋混凝土中夾薄 鋼板)，不僅抵抗外壓的能力大大增強，而且具有明顯的經(jīng)濟效益。 (5)流態(tài)混凝土的壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或限制澆筑高度。 4.4 4.4 地下埋管的改進途徑和措施

21、地下埋管的改進途徑和措施 一、現(xiàn)行設(shè)計理論的主要原則及問題 1、設(shè)計理論主要原則 (1) 內(nèi)水壓作用下，鋼襯變形充填縫隙，再使砼襯圈開裂， 并與圍巖按變位相容條件聯(lián)合受力。 (2) 把各向異性、具有裂隙等構(gòu)造的非線彈性巖體當作均勻 介質(zhì)考慮。 (3) 限制鋼襯在其材料的彈性范圍內(nèi)工作，一般將鋼襯的允 許應(yīng)力限制為鋼材屈服強度的0.67倍或更低。 (4) 校核圍巖的承載力，在滿足要求的情況下，為提高圍巖 分擔內(nèi)水壓力百分比采用回填、接縫、固結(jié)灌漿等工程措施來減 小總縫隙，并改善圍巖的力學性能。 (5) 校核外壓穩(wěn)定，必要時以加勁環(huán)、錨筋等措施來增加鋼 襯的抗外壓穩(wěn)定能力。 2、以上設(shè)計理論及工程

22、實踐存在問題 (1) 對鋼襯應(yīng)力有重要影響的一些參數(shù)，如縫隙值和反映圍 巖變形的性能的抗力系數(shù)，取值很難準確，使鋼襯的實際工作應(yīng) 力和計算應(yīng)力可能相差甚遠。 (2) 計算出來的圍巖所分擔的內(nèi)水壓力值與圍巖的實際承載 并無必然聯(lián)系，當圍巖實際承載力超過計算中它所分擔的內(nèi)水壓 力時，圍巖承載力沒有得到充分利用。 (3) 當K(圍巖特性)值較低，而HD值較大，特別水頭高的情 況，需要很厚的鋼襯，超厚板的材質(zhì)不易保證，且焊接困難大， 常需作消除焊接應(yīng)力的熱處理，這在安裝現(xiàn)場往往很難實現(xiàn)。 (4) 目前灌漿技術(shù)還很難適應(yīng)各種各樣的圍巖地質(zhì)條件，灌 漿代價高，費工期，可能造成鋼襯質(zhì)量問題。因此用灌漿措施來

23、 減少鋼材用量，在技術(shù)經(jīng)濟上是否合理也是問題。 二、改善途徑和措施 主要途徑有三方面： |1、研制和采用高強度鋼材。 可降低鋼襯，但也降低了Pcr，且造價高，一些工藝性能 不易保證。 |2、改進設(shè)計理論。 外壓外壓 PkP r P scr 2620 25.0 7.1 1 E r K 1 0 1 100 Pr |3、改進結(jié)構(gòu)型式和工程措施。 采用雙層鋼管作為鋼襯：主要是為了避免鋼襯太厚。但造 價高、施工質(zhì)量不易保證。可在后期加固采用。 雙層鋼管可緊套在一起，也可在中間回填砂漿。 采用箍管：箍管由鍛鋼制成，為特殊的高強鋼，起預(yù)壓和 加勁作用。我國無應(yīng)用。 箍管 加勁環(huán) 采用柔性鋼襯(或其他材料)：

24、僅起防滲作用?？稍趦?nèi)壁加 一層薄砼襯砌提升強度，但施工麻煩。 采用預(yù)應(yīng)力砼砌襯。 取消襯砌，或只在局部做噴錨或素砼襯砌，也可采用鋼筋 混凝土襯砌。 采用隧洞內(nèi)的明鋼管。 作業(yè)： 1、簡述地下埋管的施工程序？ 2、地下埋管的初始縫隙由哪部分組成？分別是由什么引起的？ 計算時初始縫隙值應(yīng)如何選??？原因是什么？ 3、施工過程中，可采用什么措施來減小地下埋管施工縫隙？ 4、簡述施工過程中防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施有哪些？ TBM掘進機工作過各示意圖 (8)灌漿分回填灌漿、接縫灌漿和固結(jié)灌漿。 頂拱回填灌漿：平洞、斜井，在砼澆筑14天后進行。 基巖固結(jié)灌漿可視具體條件選用。 灌漿過程中應(yīng)嚴密監(jiān)視，防止鋼襯失穩(wěn)事故；灌漿后全部灌 漿孔均必