地下鋼筋混凝土壓力管道設(shè)計(jì)大綱范本

FJD34180FJD

水利水電工程技術(shù)設(shè)計(jì)階段

地下鋼筋混凝土壓力管道

設(shè)計(jì)大綱范本

水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化信息網(wǎng)

1998年8月

工程技術(shù)設(shè)計(jì)階段

地下鋼筋混凝土壓力管道技術(shù)設(shè)計(jì)大綱

主編單位:

主編單位總工程師:

參編單位

主要編寫(xiě)人員:

軟件開(kāi)發(fā)單位:

軟件編寫(xiě)人員:

勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

年月

目次

1.弓I言....................................................4

2.設(shè)計(jì)依據(jù)文件和規(guī)范........................................4

3.基本資料....................................................4

4設(shè)計(jì)原則與假定...............................................6

5.設(shè)計(jì)工作內(nèi)容與方法........................................7

6.專題彳講究.....................................................19

7.工程量計(jì)算.................................................19

8.應(yīng)提供的設(shè)計(jì)成果...........................................20

1引言

工程位于,是以為主，等綜合利用的水利水電樞紐工程。上

水庫(kù)(或上水池)正常蓄水位m、壩高m；下水庫(kù)(或下水池)正常蓄水位

m、壩高m；地下鋼筋混凝土壓力管道(或稱高壓管道)靜水頭m、最大水錘

壓力增值m、總水頭m；管道直徑m、管道長(zhǎng)度m,管道條。

提示：尚可根據(jù)情況，簡(jiǎn)述本電站的規(guī)模，在電力系統(tǒng)中的作用等。

本工程初步設(shè)計(jì)于年月審查通過(guò)。

2設(shè)計(jì)依據(jù)文件和規(guī)范

2.1有關(guān)本工程的文件

(1)工程可行性研究報(bào)告;

(2)工程可行性研究報(bào)告審批文件;

(3)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告；

(4)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告審批文件;

(5)專題報(bào)告。

2.2主要設(shè)計(jì)規(guī)范

(DSDJ12—78水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(山區(qū)、丘陵區(qū)部

分)(試行)及補(bǔ)充規(guī)定

(2)SDJ20-780水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)

(3)SD134—84水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)

(4)SD144—85水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)

(5)DL/T5058-1996水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范

(6)(88)水規(guī)設(shè)字第8號(hào)水利水電工程設(shè)計(jì)工程量計(jì)算規(guī)定

3基本資料

3.1工程等級(jí)及建筑物級(jí)別

(1)根據(jù)SDJ12—78表1確定本工程為等工程。

(2)根據(jù)地下鋼筋混凝土壓力管道在電站樞紐工程中所處的位置及其重要性，壓力管道

為級(jí)建筑物。

3.2水文與氣象資料

①范本是按SDJ20-78編寫(xiě)的，如用新規(guī)范SL/T191-96(或DL/T5057-1996),則有關(guān)內(nèi)容需作相應(yīng)修改。

（1）水庫(kù)（水池）水溫與氣溫，如表1。

表1水庫(kù)（水池）水溫與氣溫單位：力

月份多年

項(xiàng)目與位置

123456789101112平均

JJ上水庫(kù)

平（上水池）

均

氣下水庫(kù)

溫（下水池）

月上水庫(kù)

平（上水池）

均

水下水庫(kù)

溫（下水池）

（2）上水庫(kù)（上水池）與下水庫(kù)（下水池）的水位-流量關(guān)系曲線。

3.3高壓管道區(qū)域的地形、地質(zhì)資料

3.3.1高壓管道區(qū)域的地形資料

高壓管道區(qū)域的地形圖（1/1000-1/2000）o

3.3.2高壓管道區(qū)域圍巖工程地質(zhì)資料

（D地質(zhì)平、剖面圖（1/1000?1/500）。

（2）圍巖分類及巖體物理力學(xué)指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2高壓管道圍巖分類及巖體物理力學(xué)指標(biāo)表

圉巖類別

項(xiàng)目名稱

I11.....

巖體特征

圍巖性狀

斷層出露寬度比，%（以10m洞長(zhǎng)計(jì)）

巖石強(qiáng)度單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rw,MPa

地震波縱波速度Vp,m/s

巖

巖體完整性系數(shù)Kv

體

完裂隙發(fā)育組數(shù)

整

裂隙發(fā)育頻率，條小

性

巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD,%

動(dòng)彈模MPa

巖

體靜彈模Eo,MPa

物

靜變模MPa

理

力飽和容重Y-,kN/m3

學(xué)

指泊桑比H

標(biāo)

抗拉強(qiáng)度T,MPa

彈性抗力系數(shù)K。，MPa

f

抗剪斷強(qiáng)度

C,MPa

(3)地應(yīng)力：

1)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料(測(cè)試方法，地應(yīng)力數(shù)值與方位、傾角)。

2)地應(yīng)力回歸計(jì)算后資料

(4)高壓管道區(qū)的地溫資料。

(5)本工程的地震基本烈度為度，高壓管道設(shè)防烈度為度。

3.3.3高壓管道區(qū)域圍巖水文地質(zhì)資料

高壓管道圍巖水文地質(zhì)指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3高壓管道圍巖水文地質(zhì)指標(biāo)

巖石類別單位吸水量，L/(min?ra?m)滲透系數(shù)，m/s

說(shuō)明：表中的數(shù)字均為巖體的單位吸水量及滲透系數(shù)。

3.4建筑材料物理力學(xué)性質(zhì)

建筑材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4建筑材料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

材料名稱標(biāo)號(hào)或等級(jí)容重，kN/m3靜彈模，Mpa泊桑比抗壓強(qiáng)度，Mpa抗拉強(qiáng)度，MPa

混凝土

鋼筋

噴混凝土

3.5襯砌糙率

3.6管道開(kāi)挖及混凝土襯砌的施工方法

3.7引水系統(tǒng)水力(水力過(guò)渡過(guò)程)計(jì)算結(jié)果

提示：關(guān)于高壓管道在不同工況下的壓力、流量、流速等。

4設(shè)計(jì)原則與假定

4.1設(shè)計(jì)原則

(1)高壓管道的設(shè)計(jì)，除執(zhí)行本《大綱》外，還應(yīng)符合有關(guān)規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和

要求。

(2)高壓管道設(shè)計(jì)應(yīng)做到因地制宜、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行安全可靠。

(3)設(shè)計(jì)前應(yīng)注重調(diào)查研究、深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真收集和分析研究有關(guān)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、

地應(yīng)力、地形地貌等設(shè)計(jì)資料。

4.2設(shè)計(jì)假定

4.2.1鋼筋混凝土襯砌的作用

(D使管道表面平整，減少糙率；

(2)承受圍巖壓力、或與圍巖共同承受外水、內(nèi)水壓力及其它荷載；

(3)為高壓固結(jié)灌漿提供有效灌漿塞的位置；

(4)減少內(nèi)水外滲。

4.2.2若高壓管道圍巖的巖性質(zhì)量好，襯砌開(kāi)裂后，內(nèi)水外滲不致危及圍巖及相鄰建筑物

的安全時(shí)，可假定圍巖承受絕大部分的內(nèi)水壓力，其數(shù)值可通過(guò)有限元分析或變形協(xié)調(diào)條件

推導(dǎo)的公式求得。鋼筋的作用主要是限制混凝土裂縫開(kāi)展寬度，同時(shí)只承受極小的內(nèi)水壓力，

即按限裂設(shè)計(jì)。

4.2.3高壓固結(jié)灌漿，除了起到加固圍巖、防止高壓水沿構(gòu)造帶滲流的作用外，作用在混

凝土襯砌的有效預(yù)壓應(yīng)力，將鋼筋應(yīng)力限制在一定的范圍內(nèi)，使在內(nèi)水壓力作用下的混凝土

襯砌的裂縫開(kāi)展寬度得到控制。上述預(yù)壓應(yīng)力在縫寬計(jì)算時(shí)不予考慮。

此外，對(duì)高壓管道圍巖應(yīng)力釋放區(qū)的高壓固結(jié)灌漿，將使管道圍巖的地應(yīng)力得到調(diào)整，

起到加強(qiáng)圍巖與混凝土襯砌的聯(lián)合作用。高壓灌漿產(chǎn)生的對(duì)混凝土襯砌及灌漿區(qū)圍巖的預(yù)壓

應(yīng)力作用、以及有利的地應(yīng)力調(diào)整，增加了高壓管道的安全度。

5設(shè)計(jì)工作內(nèi)容與方法

5.1地下鋼筋混凝土壓力管道設(shè)置條件及位置選擇

5.1.1地下鋼筋混凝土壓力管道設(shè)置條件

(1)高壓管道處的地質(zhì)條件良好。深埋在巖體中，圍巖較完整，大部分屬I、II類圍巖。

(2)高壓管道上覆圍巖厚度，應(yīng)滿足上抬理論的要求。對(duì)高壓管道沿線圍巖覆蓋厚度的

校核，可參照下述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行。

1)公式1(見(jiàn)圖1)：

式中：G”——最小巖層覆蓋厚度；

hs——管內(nèi)靜水頭；

Y*,------水容重；

YR——巖石容重；

B——山體平均坡角；

K——設(shè)計(jì)采用的安全系數(shù)(K2l.1)。

圖1

2)公式2(見(jiàn)圖2)：

⑵

CRH-2CRV⑶

式中：CRv-最小垂直巖層覆蓋厚度；

cm——最小水平巖層覆蓋厚度；

hs——靜水頭；

Y?---水容重；

Ko——大于1的安全系數(shù)，對(duì)不襯砌管道，K。宜取1.5。

(3)高壓管道區(qū)的最小地應(yīng)力，宜大于高壓管道的靜水頭，但經(jīng)過(guò)論證其最小地應(yīng)力可

接近高壓管道靜水頭。

(4)圍巖的透水性小。

5.1.2高壓管道位置選擇

(1)高壓管道的線路，應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、水力學(xué)、施工、運(yùn)行、樞紐總布置等各

種因素，通過(guò)可能方案的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。

(2)在滿足樞紐總布置要求的條件下，高壓管道的管線宜選在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體完整

穩(wěn)定、巖石堅(jiān)硬、上覆巖層厚度大、水文地質(zhì)條件有利及施工方便的地區(qū)。

(3)高壓管道的管線與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要軟弱帶，應(yīng)盡量具有較大的夾角。在整

體塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中，其夾角不宜小于30°；在層狀巖體中，其夾角一般不宜小于45。。

高地應(yīng)力地區(qū)的高壓管道，從圍巖穩(wěn)定考慮，宜使管線與最大水平地應(yīng)力方向一致或盡量減

小其夾角。

(4)相鄰兩鋼筋混凝土襯砌的高壓管道間的巖體厚度，應(yīng)根據(jù)布置需要、地質(zhì)條件、施

工方法與運(yùn)行條件(一管有水、鄰管無(wú)水)等因素，綜合分析決定。對(duì)一管有水、鄰管無(wú)水的

運(yùn)行條件，宜通過(guò)滲流場(chǎng)分析，確定兩管間的巖體厚度。

(5)管線在平面上應(yīng)盡可能布置為直線，如由于布置或其它原因采取曲線時(shí)，則應(yīng)采用

較小的轉(zhuǎn)角，彎曲半徑不宜小于5倍管徑。當(dāng)轉(zhuǎn)角大于15。時(shí)，應(yīng)從施工要求考慮加大彎

曲半徑(如針梁模板，在大于上述轉(zhuǎn)角時(shí)，彎曲半徑不宜小于100m)。

(6)管身段必須設(shè)置豎曲線時(shí)，豎曲線半徑不宜小于5倍管徑。此外，布置豎曲線時(shí)，

應(yīng)考慮采用的施工方法。

(7)高壓管道的縱坡，應(yīng)根據(jù)水利樞紐的總體布置、底部高程、地形與高壓管道埋深要

求的關(guān)系，以及施工和檢修條件等諸因素綜合考慮確定。沿程縱坡不宜變化過(guò)多，應(yīng)避免設(shè)

置反坡。

(8)由于高壓管道結(jié)構(gòu)是按限制裂縫開(kāi)展寬度計(jì)算的，故此高壓管道的位置應(yīng)與地下廠

房等建筑物保持一定距離，以保證高壓管道混凝土襯砌開(kāi)裂后產(chǎn)生的滲流，對(duì)上述建筑物不

會(huì)產(chǎn)生有害的影響。鋼筋混凝土高壓管道與廠房之間宜布置一段鋼管，以達(dá)到上述目的。

5.2地下鋼筋混凝土壓力管道的水力計(jì)算及橫斷面尺寸(管徑)決定

5.2.1水力計(jì)算

(1)水力計(jì)算是高壓管道設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，應(yīng)予以重視。

計(jì)算的內(nèi)容有：

D過(guò)流能力；

2)水頭損失；

3)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，其計(jì)算工況包括：按上游水庫(kù)正常蓄水位和電站機(jī)組滿載發(fā)電運(yùn)

行時(shí)丟棄全部負(fù)荷作為設(shè)計(jì)情況;按上游設(shè)計(jì)洪水位滿載發(fā)電時(shí)丟棄全部負(fù)荷情況作為校核

情況。

對(duì)抽水蓄能電站，除計(jì)算上述發(fā)電工況外，還應(yīng)計(jì)算上、下游水庫(kù)正常蓄水位電站滿載

抽水丟棄全負(fù)荷的情況，以確定尾水壓力管道的最大內(nèi)水壓力。此外，還應(yīng)研究高壓管道充

水、放水和流態(tài)等水力現(xiàn)象。

(2)高壓管道的過(guò)流能力，應(yīng)根據(jù)水流條件按有壓管道計(jì)算。

(3)高壓管道的水頭損失，可按壓力管道用伯努利能量方程計(jì)算其沿程損失及局部損失。

對(duì)抽水蓄能電站，應(yīng)分別計(jì)算發(fā)電工況及抽水工況的水頭損失。

5.2.2斷面尺寸(管徑)決定

(1)高壓管道的斷面尺寸(即管徑)，應(yīng)作為引水系統(tǒng)的一部分，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算，即

根據(jù)管道工程費(fèi)用和能量損失費(fèi)用之和為最低的原則分析決定。

(2)高壓管道的水流流速，在發(fā)電工況或抽水工況的情況，均在經(jīng)濟(jì)流速的范圍內(nèi)。

5.3地下鋼筋混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.3.1混凝土襯砌厚度

鋼筋混凝土高壓管道的襯砌厚度，應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度、構(gòu)造要求、并結(jié)合施工方法分析決定。

其中抗外壓要求的混凝土襯砌厚度，按厚壁圓筒公式計(jì)算，詳見(jiàn)圖3。

切向應(yīng)力。，為：2

1+—

%=—父q?(4)

「土

當(dāng)Y=a時(shí)，切向應(yīng)力。，最大，即

2

一-了%⑸

V々

用(4)式，可求出當(dāng)外壓作用在混凝土襯砌外邊緣時(shí)，所需的襯砌厚度(b-a)o

式中：。?——可取混凝土抗壓強(qiáng)度，用負(fù)值代入；

qb——為外壓，包括放空管道檢修時(shí)的外水壓力與作用在混凝土襯砌上的高壓灌漿

產(chǎn)生的有效預(yù)壓應(yīng)力之和。

圖3厚壁圓筒承受外壓q“的應(yīng)力沿壁厚分布

5.3.2荷載

作用在襯砌上的荷載，按其作用的情況，分為基本荷載和特殊荷載兩類。

(1)基本荷載

長(zhǎng)期或經(jīng)常作用在襯砌上的荷載，如設(shè)計(jì)條件下的內(nèi)水壓力（水庫(kù)正常蓄水位及調(diào)壓室

中產(chǎn)生最高涌浪時(shí)，相應(yīng)管道內(nèi)的水壓力，由水道水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算確定）、穩(wěn)定滲流情況

下的地下水壓力、圍巖壓力、襯砌自重、高壓固結(jié)灌漿對(duì)襯砌產(chǎn)生的有效預(yù)壓應(yīng)力等。

（2）特殊荷載

出現(xiàn)機(jī)遇較少的，不經(jīng)常作用在襯砌上的荷載，如校核洪水位時(shí)的內(nèi)水壓力和相應(yīng)的地

下水壓力、施工荷載、溫度荷載、灌漿壓力及地震荷載等。

提示：（1）外水壓力

當(dāng)高壓管道上部設(shè)有排水廊道時(shí)，其檢修狀態(tài)下管道襯砌所承受的外水壓力，應(yīng)

根據(jù)排水廊道的高程與位置予以折減。一般情況卜.排水廊道高程以卜?的外水壓力

按全水頭考慮，排水廊道高程以上者應(yīng)按圍巖類別進(jìn)行折減。

（2）襯砌自重

當(dāng)內(nèi)水壓力或外水壓力遠(yuǎn)大于襯砌自重時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可忽略混凝土襯砌自重

影響。

5.3.3荷載組合

計(jì)算荷載應(yīng)根據(jù)上列兩類荷載同時(shí)存在的可能性，分別組合為基本組合和特殊組合兩

類。在襯砌計(jì)算中應(yīng)采取各自最不利的組合情況，并分別采用不同的安全系數(shù)，其值按SDJ

20—78規(guī)定采用。

5.3.4結(jié)構(gòu)分析方法的選取

提示：（1）高壓管道結(jié)構(gòu)計(jì)算，在本階段可根據(jù)圍巖的分類、荷載作用形式與施工條件等，選用

結(jié)構(gòu)力學(xué)法、彈性力學(xué)法及有限元方法分析。

一般情況下，管道四周的圍巖穩(wěn)定性較差，自承力越差，越宜采用偏于安全的方法（如

結(jié)構(gòu)力學(xué)法）分析。當(dāng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)法分析無(wú)法滿足裂縫開(kāi)展寬度時(shí)，可按實(shí)際的地質(zhì)

斷面進(jìn)行高壓管道的有限元分析。

（2）當(dāng)靜水頭不按邊界力處理而按滲透場(chǎng)考慮時(shí)，應(yīng)作專題研究。上述處理方法僅適用于

I、II類圍巖為主的管道段。

5.3.5地下鋼筋混凝土高壓管道結(jié)構(gòu)分析

5.3.5.1高壓管道的鋼筋布置

由于高壓管道常有較大的埋深，一般來(lái)說(shuō)其配筋量是按限裂計(jì)算確定的，通常采用在內(nèi)

層布置單層鋼筋的辦法控制混凝土的裂縫寬度。如果布置兩層鋼筋，亦宜將兩層鋼筋均布置

在襯砌內(nèi)側(cè)。

5.3.5.2用結(jié)構(gòu)力學(xué)法考慮高壓管道混凝土襯砌開(kāi)裂的鋼筋面積計(jì)算

按SD134-84有關(guān)公式計(jì)算。

⑴在I、II類圍巖的管道，直徑D小于6m時(shí)，只按內(nèi)水壓力作用的襯砌靜力計(jì)算公式計(jì)

算鋼筋面積：

1K。?八⑺

于=[P?/+1OOK。?根]一

O.OlfaJ0.0001￡?

(8)

⑼

E'h=0.85E%

QJ半(⑻

式中：f----內(nèi)圈環(huán)向鋼筋面積，cnf'/m；

(og)----鋼筋的允許應(yīng)力，kN/cm2；

R.鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，kN/cm'；

Ks-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度安全系數(shù)；

P---均勻內(nèi)水壓力，kN/cm2；

Es——鋼筋的彈性模量，kN/cm*

Ko——圍巖的單位彈性抗力系數(shù)，kN/cm3；

r.——高壓管道混凝土襯砌內(nèi)半徑；

r0——高壓管道混凝土襯砌外半徑；

Eh——混凝土彈性模量，kN/cm?；

z

Eh——考慮混凝土開(kāi)裂的彈塑性模量，kN/cm%

按(7)式計(jì)算的鋼筋面積f不得小于襯砌最小配筋率。

鋼筋應(yīng)力校核，按下面(11)式計(jì)算：

P?/：+100A^?mr、

%=--——n—>[o-J(11)

型0.01/+K^^?v-*

0.0

用(11)式計(jì)算出鋼筋應(yīng)力。gi后，再按sDJ20-78復(fù)核混凝土裂縫開(kāi)展寬度。

⑵在］、II類圍巖的高壓管道，直徑D大于6m或通過(guò)III、IV類圍巖的高壓管道,

在內(nèi)水壓力作用下，按(7)式計(jì)算鋼筋截面積。其它荷載作用下，鋼筋面積按式(12)計(jì)算,

最后疊加。其值不得小于襯砌結(jié)構(gòu)的最小配筋率。

J—2%[4](12)

式中：h0——襯砌的有效厚度，cm；

2N——除內(nèi)水壓力以外的其它荷載產(chǎn)生的軸向力總和，使襯砌斷面受壓應(yīng)力者為正,

——除內(nèi)水壓力以外的其它荷載產(chǎn)生的彎矩總和，其符號(hào)，使襯砌內(nèi)表面受拉應(yīng)

力的彎矩2M為正，kN-emo

按式（⑶校核鋼筋應(yīng)力:

4=匕止1答%可上濘（13）

0.01/+長(zhǎng)。”2%?/

0.01線

用（13）式計(jì)算出鋼筋應(yīng)力。g后，再按SDJ20-78復(fù)核混凝土襯砌裂縫開(kāi)裂寬度。

5.3.5.3鋼筋混凝土襯砌最大裂縫寬度允許值，按SDJ20—78表10規(guī)定執(zhí)行。

5.3.5.4用變形協(xié)調(diào)及彈性力學(xué)公式，結(jié)合鋼筋混凝土限裂計(jì)算，確定橫截面鋼筋面積

（1）用變形協(xié)調(diào)條件推導(dǎo)圍巖承受的內(nèi)水壓力計(jì)算式:

承受內(nèi)水壓力前、后的襯砌，其相應(yīng)變形（變形前及變形后）詳見(jiàn)圖4。

1）變形協(xié)調(diào)條件：

tC+tr+△＜）=△s+（tc—de）+（tr—dr）（14）

式中：dr——為灌漿后混凝土襯砌的壓縮變形；

d..——為松動(dòng)圈圍巖的壓縮變形。

2）鋼筋的總徑向變形為:

△s=dc+dr+Ao(15)

3）上述各量值的表達(dá)式:

A=P?/?./?,P,R,RS

(16)

A?EsA.?Es

pR

(17)

Er2

爭(zhēng)吟）

a(18)

￡()R*EcRs

(19)

4）在內(nèi)水壓力作用下即可推導(dǎo)出高壓管道圍巖承受的壓力匕：

P)…__________AWE『__匕_____________

r'R,R,R、-R，、R,八R,、(20)

-TTT-Trln(-^)+-^-InC-2-)+—^(Z11+//)

EcRsErXRrEr2

以上式中：P---內(nèi)水壓力；

Pr——圍巖承受的內(nèi)水壓力；

R——襯砌（混凝土）內(nèi)半徑；

Rs——受力鋼筋內(nèi)半徑；

Rr——管道開(kāi)挖半徑；

Ro——管道開(kāi)挖半徑加上松動(dòng)圈深度；

As——每米長(zhǎng)（沿管軸線方向）配置鋼筋面積;

Es——鋼筋彈模；

Eo——混凝土彈模；

EM——圍巖松動(dòng)區(qū)彈模；

Er2——圍巖非松動(dòng)區(qū)彈模;

(2)按照SDJ20-78中的限裂計(jì)算式，在確定縫寬6*后，假設(shè)某一配筋量(沿管軸

線方向1m長(zhǎng)的配筋量)，可求出相應(yīng)的鋼筋工作應(yīng)力。，，采用公式如下：

bf.max一0?7xl()4)。⑵)

If+(6+%—)y(22)

y/=-a2——(23)

以上式中：lr——平均裂縫間距，cm；

W-----裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)V<0.3時(shí)，取W=0.3；

-、a2——計(jì)算系數(shù)，可按下列數(shù)值取用，軸心受拉：5=0.16,a2=0.56。高壓

管道鋼筋混凝土襯砌按軸心受拉考慮;

0環(huán)形受拉鋼筋實(shí)際應(yīng)力：

d——受力鋼筋直徑，cm；

u——受力鋼筋的配筋率，口=A?/A(Ag為全部受力鋼筋截面面積，A為混凝土

橫截面有效面積)；

Rr——混凝土抗裂設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

V——與受力鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù)，螺紋鋼筋取V=0.7,光面鋼筋取V

=1.0；

O0----鋼筋初始應(yīng)力，高壓管道結(jié)構(gòu)。0=2000kN/cm:

(3)假定某一配筋量心，在滿足縫寬6f要求的條件下，其鋼筋的應(yīng)力。g值亦可由

美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)刊物N亟24.2R—86"受拉構(gòu)件的混凝土裂縫寬度”求出。

3

8,i=0.0145。e(dc?Ae)l/3?10(24)

Ae=2dc?S(25)

式中：6rmax——裂縫寬度，mm；

。g——鋼筋應(yīng)力，MPa；

dc——鋼筋重心至混凝土邊緣距離，dc=混凝土保護(hù)層厚度+e/2；

6---鋼筋直徑，mm；

S----鋼筋間距，mm。

(4)計(jì)算步驟(參見(jiàn)圖5)：

1)用(21)式或(24)式求出滿足裂縫開(kāi)展寬度6要求的某一配筋量A.(沿管軸線

長(zhǎng)1m)相應(yīng)的鋼筋應(yīng)力。0

2)鋼筋承受的內(nèi)水壓力值/s：

0/?A

Ps=-n—(26)

圖5

3)根據(jù)力的平衡條件，求出滿足混凝土縫寬8要求，需加在襯砌外側(cè)的灌漿有效

預(yù)壓應(yīng)力值Pb為：

(27)

R,

式中：p—內(nèi)水壓力；

P'S---鋼筋承受的內(nèi)水壓力；

Pr——管周圍巖承受的內(nèi)水壓力；

Rr——管道開(kāi)挖半徑；

R——管道襯砌內(nèi)半徑；

Rs——鋼筋內(nèi)徑。

5.3.55用有限元法進(jìn)行高壓管道結(jié)構(gòu)分析

提示：(1)對(duì)于通過(guò)斷層的高壓管道，用結(jié)構(gòu)力學(xué)法或彈性力學(xué)法，都無(wú)法模擬斷層的位置及產(chǎn)

狀規(guī)模，只能將管周的圍巖類別降低，當(dāng)作全部為斷層區(qū)相應(yīng)的W類或HI類圍巖。這

樣的假設(shè)與實(shí)際情況出入較大，計(jì)算結(jié)果配筋量過(guò)大，且不?定能滿足水工鋼筋混凝

土限裂要求。

(2)用有限元模型可以模擬斷層的位置及產(chǎn)狀規(guī)模、斷層圍巖及襯砌的物理力學(xué)性質(zhì)、鋼

筋數(shù)量、圍巖加固情況等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

(1)有限元模型模擬高壓管道可分為二維有限元及三維有限元模型。二維有限元模型采

用平面應(yīng)變單元模擬襯砌圍巖及斷層；三維有限元模型用厚殼等參單元模擬襯砌、圍巖及斷

層。鋼筋、巖石錨桿等均可用桿單元模擬。平面有限元計(jì)算網(wǎng)格參見(jiàn)圖6、圖7。

斷層「

圖6

（2）二維有限元模型的計(jì)算結(jié)果與三維相比較偏于安全。一般情況下，高壓管道穿越斷

層的結(jié)構(gòu)計(jì)算是高壓管道結(jié)構(gòu)分析的難點(diǎn)，上述問(wèn)題可用二維有限元模型解決。

（3）用二維有限元模型進(jìn)行高壓管道穿越斷層區(qū)域的內(nèi)水壓力作用下的結(jié)構(gòu)分析步驟如

下：

1）將管道開(kāi)挖后實(shí)測(cè)的斷層位置（或由地質(zhì)鉆孔等方法確定的斷層位置）投影到橫斷面

上，形成包括圍巖、斷層、混凝土襯砌、鋼筋等單元的有限元網(wǎng)格。上述網(wǎng)格除鋼筋用桿單

元外，其余均用平面應(yīng)變單元。

2）將內(nèi)水壓力按面力處理作用在混凝土襯砌內(nèi)表面，求出混凝土襯砌單元的主拉應(yīng)力

值。

3）如果襯砌單元的主拉應(yīng)力值大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，則認(rèn)為混凝土已開(kāi)裂。

4）用各向異性材料單元輸入混凝土開(kāi)裂的單元，其中與裂縫垂直方向的混凝土彈模取

一較小的值，計(jì)算出在內(nèi)水壓力作用下鋼筋單元應(yīng)力及圍巖應(yīng)力值。

5）用最大的鋼筋單元應(yīng)力值代入SDJ20-78裂縫開(kāi)展寬度計(jì)算式，可求出混凝土縫寬,

此縫寬應(yīng)在允許值內(nèi)，否則加大配筋重算。

6）計(jì)算圍巖的地應(yīng)力（通過(guò)模型邊界加荷的辦法實(shí)現(xiàn),此時(shí)混凝土襯砌應(yīng)輸入一個(gè)很小

彈模，以視無(wú)地應(yīng)力作用在襯砌上）。

7）地應(yīng)力與內(nèi)水壓力在圍巖所引起的應(yīng)力疊加，如果疊加后仍為壓應(yīng)力，則內(nèi)水壓力

不會(huì)產(chǎn)生圍巖的水力致裂現(xiàn)象。

提示：圖6、圖7為廣州抽水蓄能電站高壓管道通過(guò)斷層帶的平面有限元計(jì)算網(wǎng)格，供參考。

5.4工程措施

5.4.1開(kāi)挖

采用光面爆破技術(shù)，減少由于爆破引起的圍巖松動(dòng)圈的深度。對(duì)通過(guò)斷層區(qū)域，應(yīng)采取

埋設(shè)巖石錨桿等有效的支護(hù)措施。

5.4.2灌漿

(1)鋼筋混凝土襯砌的頂部，必須回填灌漿。

(2)回填灌漿的范圍，一般在頂拱中心角90°?120。以內(nèi)，其目的在于填補(bǔ)頂拱由于

混凝土澆筑不滿而留下的空隙。故其灌漿孔深均以打穿混凝土遇到空腔為準(zhǔn)，若無(wú)空腔時(shí)則

伸入巖石5cm以上。

(3)高壓管道，?般情況下應(yīng)進(jìn)行固結(jié)灌漿。特別是對(duì)穿越斷層的高壓管道，更應(yīng)做好

對(duì)管道周斷層區(qū)域的固結(jié)灌漿，以提高該區(qū)域圍巖的整體性及抗?jié)B性。固結(jié)灌漿是加固穿越

斷層區(qū)域的高壓管道的主要工程措施，增大混凝土襯砌厚度及增加配筋量與灌漿相比為次要

工程措施。

(4)對(duì)高水頭、大洞徑的高壓管道的固結(jié)灌漿，一般宜分兩步，即淺孔低壓固結(jié)灌漿及

深孔高壓固結(jié)灌漿。

提示：(1)淺孔低壓固結(jié)灌漿的目的有三點(diǎn)：一是處理混凝土與巖石之間的接觸縫隙，使之接觸

緊密；二是加固因爆破而產(chǎn)生的松動(dòng)圈；三是為深孔高壓固結(jié)灌漿較為堅(jiān)固的塞位。

其壓力為“《^~2k仔2,孔深2m?3m(包括混凝土襯砌厚)。淺孔固結(jié)灌漿，排間、

排內(nèi)不分序，但應(yīng)從底拱孔先開(kāi)灌。宜將本區(qū)段孔全部鉆好才開(kāi)灌，以利于排氣及

漿液擴(kuò)散。灌漿過(guò)程中如發(fā)生串漿現(xiàn)象則不堵塞串漿孔，而把主灌孔移至串漿孔施

灌，若多孔串漿則聯(lián)灌。

(2)深孔高壓灌漿，按排間分序，排內(nèi)分序，即分奇數(shù)孔及偶數(shù)孔，從底拱灌至頂拱。最

大灌漿壓力宜等于或略大于高壓管道靜水頭。

(5)壓水試驗(yàn)