地下高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計大綱范本

PAGEPAGE1FJD34250FJD水利水電工程技術(shù)設(shè)計階段地下高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計大綱范本水利水電勘測設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化信息網(wǎng)1998年8月

工程技術(shù)設(shè)計階段地下高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計大綱主編單主編單位總工程師:參編單員:::勘測設(shè)計研究院年月

目錄1引言 42.設(shè)計依據(jù)文件和規(guī)范 43.設(shè)計基本資料 44設(shè)計原則與假定 65設(shè)計工作內(nèi)容與方法 76專題研究 187工程量計算 188應(yīng)提供的設(shè)計成果 19附錄A世界上已建成的高壓鋼筋混凝土岔管及其參數(shù) 20附錄B廣州抽水蓄能電站一期工程高壓鋼筋混凝土岔管有限元分析網(wǎng)格 21

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。上水池(上庫)正常蓄水位m、壩高m；下水池(下庫)正常蓄水位m、壩高m；地下高壓鋼筋混凝土岔管靜水頭m、最大水錘壓力水頭增值m、總水頭m。本工程初步設(shè)計于年月審查通過。提示：世界上已建成的地下高壓鋼筋混凝土岔管及其參數(shù)，見附錄A。2設(shè)計依據(jù)文件和規(guī)范2.1有關(guān)本工程的文件(1)工程可行性研究報告；(2)工程可行性研究報告審批文件；(3)工程初步設(shè)計報告；(4)工程初步設(shè)計報告審批文件；(5)專題報告。2.2主要設(shè)計規(guī)范(1)SDJ12－78水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(山區(qū)、丘陵區(qū)部分)(試行)及補充規(guī)定；(2)SDJ20－78①水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(試行)；(3)SD134－84水工隧洞設(shè)計規(guī)范；(4)(88)水規(guī)設(shè)字第8號文水利水電工程設(shè)計工程量計算規(guī)定(試行)。3基本資料3.1工程等級及建筑物級別(1)根據(jù)SDJ12－78表1確定本工程為等工程；(2)根據(jù)地下高壓鋼筋混凝土岔管在電站樞紐工程中所處的位置及其重要性，岔管為級建筑物。3.2水文與氣象資料(1)水庫(水池)水溫與氣溫，如表1。(2)上水庫(上水池)與下水庫(下水池)水位～流量關(guān)系曲線。范本是按SDJ20-78編寫的，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。

表1水庫(水池)水溫與氣溫單位：℃項目與位置月份多年平均123456789101112月平均氣溫上水庫（上水池）下水庫（下水池）月平均水溫上水庫（上水池）下水庫（下水池）3.3地下高壓鋼筋混凝土岔管區(qū)域的地形、地質(zhì)資料3.3.1高壓鋼筋混凝土岔管地形資料高壓鋼筋混凝土岔管的地形圖(1／1000～1／2000)。3.3.2高壓鋼筋混凝土岔管圍巖工程地質(zhì)資料(1)地質(zhì)平、剖面圖（1／1000～1／500)。(2)圍巖分類及巖體理物力學(xué)指標(biāo)，見表2。表2高壓鋼筋混凝土岔管圍巖分類及物理力學(xué)指標(biāo)表項目名稱圍巖類別ⅠⅡ……圍巖性狀巖體特征斷層出露寬度比，%(以10m洞長計)巖石強度單軸飽和抗壓強度Rw，MPa巖體完整性地震波縱波速度Vp，m/s巖體完整性系數(shù)Kv裂隙發(fā)育組數(shù)裂隙發(fā)育頻率，條/m巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD，%巖體物理力學(xué)指標(biāo)動彈模Eo，MPa靜彈模Eo，MPa靜變模Ed，MPa飽和容重γw，t/m3泊桑比μ抗拉強度T，MPa彈性抗力系數(shù)Ko，MPa抗剪斷強度f'C'，MPa(3)地應(yīng)力：1)實測地應(yīng)力資料(測試方法，地應(yīng)力數(shù)值與方位、傾角)。2)地應(yīng)力回歸計算后資料。(4)高壓鋼筋混凝土岔管區(qū)的地溫資料。(5)本工程的地震基本烈度為度，岔管設(shè)防烈度為度。3.3.3高壓鋼筋混凝土岔管圍巖水文地質(zhì)資料，見表3表3圍巖水文地質(zhì)指標(biāo)巖石類別單位吸水量，L/(min·m·m)滲透系數(shù)，m/s說明：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)號或等級容重，t/m3靜彈模，MPa泊桑比抗壓強度，MPa抗拉強度，MPa混凝土鋼筋噴混凝土說明：表中的抗壓及抗拉強度均是設(shè)計強度。3.5襯砌糙率3.6高壓鋼筋混凝土岔管開挖及混凝土襯砌的施工方法3.7引水系統(tǒng)水力過渡過程計算結(jié)果提示：有關(guān)高壓鋼筋混凝土岔管在不同工況下的壓力、流量、流速等。4設(shè)計原則與假定4.1設(shè)計原則(1)高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計，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)高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計應(yīng)做到因地制宜，技術(shù)先進，經(jīng)濟合理，運行安全可靠。(3)設(shè)計前應(yīng)注重調(diào)查研究，深入現(xiàn)場，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)計資料。4.2設(shè)計假定(1)高壓鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)以岔管群中幾何斷面最大的一個岔口計算。(2)在內(nèi)水壓力下的高壓鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)分析，可采用二維(或三維)的有限元模型。其原因是高壓岔管的圍巖承受絕大部分的內(nèi)水壓力，岔管圍巖的剛度遠(yuǎn)大于混凝土襯砌的剛度，高壓岔管混凝土襯砌的幾何不連續(xù)性對內(nèi)水壓力作用下的高壓岔管影響不大，用二維平面應(yīng)變模型可以滿足內(nèi)水壓力作用下的結(jié)構(gòu)分析要求。(3)高壓鋼筋混凝土岔管外壓作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維有限元模型分析。其原因是：在外壓作用下，高壓鋼筋混凝土岔管襯砌的應(yīng)力與其體型密切相關(guān)，二維模型已無法模擬。(4)未經(jīng)充分論證前，內(nèi)水壓力或外水壓力宜按作用在邊界(混凝土內(nèi)邊界或外邊界)的邊界力處理。在較準(zhǔn)確確定圍巖、斷層、混凝土的滲透系數(shù)及滲流場的最不利邊界條件后并進行滲透場分析后，可以將內(nèi)水壓力中的靜水頭按滲流場分析后的場力考慮，而把水錘壓力作為邊界力考慮。(5)高壓鋼筋混凝土岔管段的圓形段，在外壓力作用下可用二維厚壁圓管理論進行分析；在內(nèi)壓力作用下可按變形協(xié)調(diào)條件推導(dǎo)的公式進行結(jié)構(gòu)分析。(6)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展寬度得到控制。從偏于安全考慮，上述預(yù)壓應(yīng)力在裂縫開展寬度計算時不予考慮。(7)當(dāng)內(nèi)水壓力或外水壓力遠(yuǎn)大于混凝土襯砌自重時，在結(jié)構(gòu)計算時可略去混凝土襯砌自重荷載的影響，以簡化計算。5設(shè)計工作內(nèi)容與方法5.1地下高壓鋼筋混凝土岔管的設(shè)置條件及位置選擇5.1.1高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)置條件(1)高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)置的可行性，應(yīng)在進行完整的工程地質(zhì)勘探及巖石力學(xué)分析的基礎(chǔ)上確定。(2)高壓鋼筋混凝土岔管的設(shè)置條件應(yīng)包括：1)岔管應(yīng)位于Ⅰ類或Ⅱ類圍巖完整的巖體內(nèi)，對Ⅲ類圍巖，經(jīng)論證后亦可采用鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)。2)岔管上的圍巖的最小覆蓋厚度，可按洞內(nèi)靜水頭小于洞頂以上圍巖重量確定，亦可參照下列兩個圍巖最小覆蓋厚度經(jīng)驗公式進行復(fù)核。①“挪威”圍巖最小覆蓋厚度經(jīng)驗公式(圖1)：圖1(1)(1)式中：CRM——圍巖最小覆蓋厚度；ｈs——高壓岔管最大靜水頭；γw——水容重；γR——圍巖容重；β——地面坡角；K——安全系數(shù)，K≥1.1。②“澳大利亞雪山公司”推薦的圍巖最小覆蓋厚度經(jīng)驗公式(圖2)：(2)垂直覆蓋：(2)水平覆蓋：CRH＝2CRV(3)式中：CRV——圍巖最小垂直覆蓋厚度；CRH——圍巖最小水平覆蓋厚度；ｈs——高壓岔管靜水頭；γw——水容重；γR——圍巖容重；K0——為大于1的安全系數(shù)，對不襯砌隧洞，K0≥1.5。圖23)一般來說，高壓鋼筋混凝土岔管所在處的圍巖的最小地應(yīng)力，應(yīng)大于其最大靜水頭。經(jīng)過充分論證后，圍巖的最小地應(yīng)力，可以小于但應(yīng)接近其最大靜水頭。上述的論證應(yīng)確認(rèn)：高壓鋼筋混凝土岔管所在處的圍巖的地應(yīng)力，足以防止由內(nèi)水壓力所引起的圍巖水力致裂。4)圍巖的變形模數(shù)宜接近高壓鋼筋混凝土岔管混凝土的彈性模數(shù)值。若能等于或大于混凝土彈性模數(shù)更好。5)高壓鋼筋混凝土岔管所在處的圍巖滲透性微弱。5.1.2高壓鋼筋混凝土岔管位置選擇(1)合理選擇高壓鋼筋混凝土岔管的位置，是關(guān)系到圍巖和整體穩(wěn)定、工程造價、施工工期和運行安全等問題，是岔管設(shè)計的關(guān)鍵。(2)在滿足工程樞紐總體布置要求的條件下，洞線宜選在Ⅰ、Ⅱ類圍巖地段，地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、巖石堅硬、上覆巖層厚度大、水文地質(zhì)條件好及便于施工的區(qū)域。(3)高壓鋼筋混凝土岔管的上覆巖層厚度，應(yīng)滿足第5.1.1(2)2)條的要求。(4)高壓鋼筋混凝土岔管所在位置的圍巖地應(yīng)力，應(yīng)滿足第5.1.1(2)3)條的要求。對于地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主的圍巖，岔管的平面位置宜位于某一山峰之下。對于高地應(yīng)力地區(qū)的高壓鋼筋混凝土岔管，從圍巖穩(wěn)定考慮，宜減小最大水平地應(yīng)力與岔管的主管軸線夾角。(5)當(dāng)高壓鋼筋混凝土岔管無法避開某些小的地質(zhì)構(gòu)造斷裂面或軟弱破碎帶時，岔管的主管軸線與構(gòu)造斷裂面或軟弱帶應(yīng)盡量有較大的夾角。在整體塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中，其夾角一般不宜小于30°。5.2地下高壓鋼筋混凝土岔管基本布置及其選擇5.2.1高壓鋼筋混凝土岔管的布置，應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、水力條件、樞紐布置特別是廠房布置、施工、運行、檢修等各種因素，通過可能方案的技術(shù)經(jīng)濟比較選定。5.2.2高壓鋼筋混凝土岔管的基本布置，可分成對稱的Y形岔管和不對稱的卜形岔管兩大類。此外，按岔管內(nèi)底拱高程沿縱向軸線是否變化可分成平底岔管和非平底岔管；按高壓岔管主管直徑變化與否可分成等直徑主管及收縮錐管主管兩類。提示：一般來說，對稱的Y形岔管流量分配對稱，均勻，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且水頭損失大于不對稱的卜形岔管。5.2.3對于卜形岔管，主、支管的分岔角度宜在30°～70°的范圍內(nèi)選取，在滿足布置和結(jié)構(gòu)要求的條件下，應(yīng)盡量采用較小的分岔角度。5.3水力設(shè)計及岔管內(nèi)體形尺寸決定提示：岔管是水電站管路系統(tǒng)的一個重要組成部分，當(dāng)管道的末端設(shè)置多臺機組時，管道必須設(shè)置分岔管，甚至形成管群。抽水蓄能電站與常規(guī)水電站不同，它不僅有發(fā)電工況，還有抽水工況，因此其岔管的水力特性和體型設(shè)計等問題，往往比常規(guī)電站復(fù)雜。5.3.1水力計算原則(1)水力計算是岔管設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，應(yīng)予以足夠的重視。水力計算的內(nèi)容有：①過流能力；②水頭損失等。此外還應(yīng)研究流態(tài)等水力現(xiàn)象。(2)高壓岔管的過流能力，按管流計算。(3)高壓岔管的水頭損失分成局部水頭損失和沿程水頭損失。岔管段的沿程水頭損失比局部水頭損失小得多，在水工模型試驗的水頭損失計算中，可歸入岔管的局部水頭損失之中。(4)水工模型試驗的水頭損失計算，為便于與有關(guān)文獻資料比較，宜采用伯努利能量方程計算各岔、支管的水頭損失。發(fā)電工況：(4)水頭損失(4)(5)水頭損失系數(shù)(5)抽水工況：水頭損失(6)(6)(7)水頭損失系數(shù)(7)式中：Hm、Hi——分別為設(shè)置在岔管段主管(設(shè)置在主管分岔之前的斷面)、支管測量斷面的壓力；Vm、Vi——分別為主管、支管相應(yīng)測量斷面的流速。在水頭損失△H中，包含了岔管段的局部水頭損失和沿程水頭損失。5.3.2卜形岔管內(nèi)體形尺寸的決定岔管內(nèi)體形尺寸設(shè)計的主要參數(shù)為(圖3)：分岔角θ、主管錐角α1、支管錐角α、管壁順流轉(zhuǎn)角γ和岔襠角β等。圖3卜形岔管布置示意圖提示：(1)采用較小的分岔角θ對岔管的水流條件是有利的，但這必然會增加在分岔區(qū)主管與支管壁互相切割的岔口面積，在內(nèi)水壓力作用下存在較大的不平衡力，因此，往往與結(jié)構(gòu)要求有矛盾。通常，θ是根據(jù)管道布置的要求、型式、功能和地質(zhì)條件等因素預(yù)先確定。θ角宜在30°～70°范圍內(nèi)選取。當(dāng)θ選定后，γ和β與α密切相關(guān)。(2)在發(fā)電分流工況下，宜采用較小的順流轉(zhuǎn)角γ，過大的γ在岔口轉(zhuǎn)折點后極易產(chǎn)生渦流。通常改善渦流問題的方法是：當(dāng)θ角已確定和滿足結(jié)構(gòu)條件的情況下，稍增大支管的錐角α，或者采用增加岔口上游側(cè)管壁轉(zhuǎn)折次數(shù)的方法，減小轉(zhuǎn)角γ；同理，采用較小的β角有利于分流，若β過大，則岔襠會和水流發(fā)生頂撞，但β對水流的影響不如γ顯著。故此，對于岔管群的各岔管，當(dāng)分岔角θ已確定時，在滿足結(jié)構(gòu)要求的條件下，可適當(dāng)選用稍大的支管錐角α；當(dāng)θ、α選定后，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，若主管段選用等直徑的直管段或主管錐角α1較小的漸變收縮錐管段，對改善岔口附近區(qū)域的流態(tài)是有利的。(3)抽水蓄能電站的工作水頭一般較高，對于高水頭電站而言，岔管內(nèi)的動水壓力較大，岔管段的局部水頭損失占電站總水頭的比例較小，在進行岔管內(nèi)體型設(shè)計時，宜多考慮一些結(jié)構(gòu)方面的問題。5.4結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4.1設(shè)計原則和假定(1)對岔管群，宜取內(nèi)側(cè)體型最大的一個岔口進行結(jié)構(gòu)分析。(2)岔管的內(nèi)水壓力值，應(yīng)按水力(水力過渡過程)計算的岔管最大內(nèi)水壓力(靜水頭＋水錘壓力增值)作為設(shè)計值。(3)岔管承受的外壓力值，應(yīng)為岔管承受的外水壓力與高壓固結(jié)灌漿在岔管混凝土襯砌上產(chǎn)生的有效預(yù)壓應(yīng)力兩者之和。其中岔管承受的外水壓力，應(yīng)根據(jù)岔管上方排水廊道的位置折減外水壓力的數(shù)值。即當(dāng)高壓岔管放空時，岔管混凝土襯砌承受的外水壓力，排水廊道高程以下按全水頭考慮，排水廊道高程以上的水頭考慮折減，其折減系數(shù)視不同的圍巖類別而定。(4)當(dāng)高壓鋼筋混凝土岔管位于Ⅰ、Ⅱ類圍巖堅硬較完整的巖體內(nèi)，斷層裂隙小，可以假定圍巖承受絕大部分的內(nèi)水壓力，而鋼筋只限制裂縫開展寬度的作用。(5)高壓固結(jié)灌漿，除了加固圍巖外，對混凝土襯砌還施加了預(yù)壓應(yīng)力。預(yù)壓應(yīng)力的存在，使襯砌的鋼筋應(yīng)力限制在一定的范圍內(nèi)，從而使混凝土裂縫寬度控制在一定的數(shù)值內(nèi)。此外，高壓固結(jié)灌漿后，管周圍巖的地應(yīng)力將重新調(diào)整。5.4.2彈性力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)等常規(guī)計算方法(1)高壓鋼筋混凝土岔管圓形段混凝土襯砌厚度，可通過外壓作用下的二維厚壁圓管理論確定(圖4)。圖4厚壁圓管承受外壓ｑｂ的應(yīng)力沿壁厚分布(8)外壓作用下厚壁圓管襯砌切向應(yīng)力計算式如下：(8)式中：σθ——襯砌切向應(yīng)力，“一”表示壓應(yīng)力；qb——厚壁圓管外側(cè)承受的外壓，用正值代入；a——圓管內(nèi)半徑；b——圓管外半徑。(9)(9)當(dāng)ｒ＝a時，σθ絕對值最大，即壓應(yīng)力最大，由(8)式可得：(9)(9)考慮到高壓固結(jié)灌漿后，混凝土襯砌被非常粗糙的隧洞開挖巖面有效地內(nèi)鎖，故此不單是混凝土襯砌承受外壓，而且與襯砌接觸的部分圍巖亦承受外壓。所以在用厚壁圓筒公式計算襯砌厚度時，可用混凝土標(biāo)號作為σθ值。(2)圍巖承受內(nèi)水壓力的計算，可假定在內(nèi)水壓力作用下，混凝土沿徑向開裂，開裂后的混凝土只有沿徑向的壓縮變形，圍巖和混凝土均滿足線性的變形規(guī)律，按變形后襯砌的變形協(xié)調(diào)條件可建立圍巖承受內(nèi)水壓力的計算式。變形前及變形后的襯砌詳見圖5。圖5變形前及變形后的襯砌1)變形協(xié)調(diào)條件：tc＋tr＋△0＝△s＋(tc-dc)＋(tr-dr)(10)式中：dc——為混凝土襯砌的壓縮變形；dr——為松動區(qū)域圍巖的壓縮變形；△s——為鋼筋徑向變形。△s＝dc+dr＋△0(11)(16)(15)(14)(13)(12)2)上述各量值的表達式為：(16)(15)(14)(13)(12)3)將上述各式代入(10)式，可求出圍巖承受的內(nèi)水壓力Pr，即以上式中：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——隧洞開挖半徑；R0——隧洞開挖半徑加上松動圈深度；Aｓ——沿洞軸每米長配置鋼筋面積；Eｓ——鋼筋彈模；E0——混凝土彈模；Eｒ1——圍巖松動區(qū)彈模；Eｒ2——圍巖非松動區(qū)彈模；μ——泊松比。(3)混凝土裂縫開展寬度計算沿管道中心線方向每米長的配筋面積As，是通過試算的方法，由混凝土裂縫開展寬度公式確定的。混凝土裂縫寬度計算式，可采用我國SDJ20－78中規(guī)定的計算式，亦可參照美國混凝土協(xié)會刊物№224.2R－86“受拉構(gòu)件的混凝土裂縫寬度”計算式?，F(xiàn)介紹美國公式如下：(17)(17)(18)(18)Ac=2dc·s(19)式中：Wmax——裂縫寬度，mm；fs——鋼筋應(yīng)力，MPa；dc——鋼筋重心到混凝土邊緣距離；Φ——鋼筋直徑，mm；s——為鋼筋間距，mm。用(17)式計算的裂縫寬度較我國SDJ20－78偏大，即鋼筋用量偏多，偏于安全。(4)應(yīng)用圍巖承受內(nèi)水壓力計算式(10)及混凝土裂縫開展寬度計算式(17)計算岔管圓型斷面配筋的步驟：1)先假定配筋直徑及間距，允許縫寬，用混凝土裂縫開展寬度計算式計算鋼筋應(yīng)力fs。2)用有關(guān)數(shù)據(jù)代入圍巖承受內(nèi)水壓力計算式(10)，求出Pr。3)求出沿管道中心線方向每米長配筋面積As，則可求出P＇s(參見圖6)：P＇s=As·fs/Rs(20)4)由圖6的力的平衡條件，可求出滿足混凝土襯砌裂縫寬度所需的有效灌漿預(yù)壓應(yīng)力值Pb。當(dāng)Pb值為0或負(fù)值，表明不需要灌漿預(yù)壓應(yīng)力亦能滿足對混凝土襯砌縫寬的要求。(21)式中：符號與(16)式相同。5.4.3有限元計算5.4.3.1有限元計算的數(shù)學(xué)模型可取岔管群中幾何斷面最大的一個岔口計算。圖65.4.3.2有限元模型包括二維有限元模型和三維有限元模型兩種，其中二維有限元模型可分別采用標(biāo)準(zhǔn)圓斷面和岔管斷面兩種情況。在采用三維模型時，對于分岔區(qū)主、支管相交部位的混凝土及鄰近圍巖的模擬，應(yīng)采用四面體、五面體單元作為過渡，以減少由于六面體厚殼單元的扭曲所引起的過大計算誤差。圖65.4.3.3岔管承受內(nèi)水壓力時的有限元模擬(1)二維有限元模型，均用平面應(yīng)變單元。由于岔管深埋在良好的巖體之中，圍巖的剛度遠(yuǎn)大于混凝土襯砌的剛度，圍巖將承受絕大部分的內(nèi)水壓力。故此，岔管襯砌的幾何不連續(xù)性的影響是次要的，二維數(shù)學(xué)模型可滿足內(nèi)水壓力作用下的岔管結(jié)構(gòu)分析。(2)三維有限元模型，用厚殼等參單元。用包括山體圍巖的岔管三維有限元模型，既可分析在內(nèi)水壓力作用下岔管的應(yīng)力、應(yīng)變，亦可分析在外壓作用及局部灌漿壓力作用下岔管應(yīng)力與應(yīng)變。(3)不論用二維或者三維有限元模型進行岔管承受內(nèi)水壓力工況的結(jié)構(gòu)分析，均應(yīng)計算：1)當(dāng)混凝土襯砌未開裂時，在內(nèi)水壓力作用下混凝土襯砌單元的主拉應(yīng)力及方向。2)當(dāng)混凝土單元的主拉應(yīng)力大于混凝土襯砌的極限抗拉強度時，認(rèn)為該單元已開裂，開裂方向與該單元主拉應(yīng)力方向垂直，此單元開裂方向的混凝土彈模用一個較小的值(一般為千分之一的原彈模值)代入，即用各向異性材料單元輸入開裂后的混凝土單元中，以模擬混凝土開裂。3)用模擬混凝土開裂的模型計算在內(nèi)水壓力作用下的圍巖、混凝土襯砌、應(yīng)力。4)計算地應(yīng)力場在圍巖單元的地應(yīng)力。5)內(nèi)水壓力在圍巖單元所產(chǎn)生的應(yīng)力與地應(yīng)力疊加，確認(rèn)疊加后的結(jié)果仍為壓應(yīng)力，即不會出現(xiàn)圍巖水力致裂現(xiàn)象。6)必要時可用鋼筋桁架單元(桿單元)模擬岔管配筋，以計算出鋼筋在內(nèi)水壓力作用下的工作應(yīng)力，再用混凝土縫寬公式推求混凝土的縫寬。5.4.3.4岔管承受外壓時的有限元模擬(1)當(dāng)岔管放空時，它將承受外壓作用。岔管襯砌的幾何形狀的不連續(xù)性使岔管在外壓作用下的設(shè)計顯得極為重要。該情況宜用三維有限元模型模擬。(2)三維有限元模型模擬岔管承受外壓，可以用5.4.3.3(2)中所述及的三維模型，其中混凝土單元與圍巖單元之間應(yīng)設(shè)縫隙單元，或者將鄰近混凝土單元的圍巖單元之彈模值取一小值，以模擬混凝土與圍巖之間不完全的固結(jié)。外壓力作用在混凝土襯砌上。(3)根據(jù)國外鋼筋混凝土岔管的設(shè)計經(jīng)驗，亦可以用下述的三維模型模擬岔管抗外壓。除了混凝土襯砌外，考慮與襯砌等厚的巖體一起參加抵抗外壓。為模擬圍巖的約束，每一外部結(jié)點附加一沿徑向彈簧約束。外壓力作用在與混凝土襯砌等厚的圍巖單元外表面上。當(dāng)模型承受外壓時，如果彈簧受拉則表明有限元模型外表面與圍巖分離。所以，彈簧受拉則除去，而彈簧受壓則將其保留彈簧約束。(4)上述兩個模型，均需通過多次迭代計算。每次迭代計算，均要通過調(diào)整混凝土襯砌單元的幾何形狀，改善襯砌的應(yīng)力分布。(5)最終確定混凝土襯砌厚度后所進行岔管抗外壓計算，對其計算結(jié)果中主壓應(yīng)力較大的單元應(yīng)繪出單元主應(yīng)力沿厚度分布曲線，超過混凝土極限抗壓強度的部分應(yīng)由鋼筋承擔(dān)，并按建筑物等級考慮相應(yīng)的安全系數(shù)，計算該處的配筋。提示：高壓岔管的有限元網(wǎng)格，可參閱附錄B。5.5工程措施5.5.1開挖(1)開挖程序要求嚴(yán)格控制開挖、光面爆破、巖石支護的程序，以便將巖石爆破松動圈范圍減小到最低的程度。一般情況下，應(yīng)先開挖支管到主管直墻處，應(yīng)預(yù)先在該處巖面打巖石超前錨桿，使松動圈之巖塊與巖體相連，再開挖主管。如果先開挖主管，巖石荷載與應(yīng)力將沿將來開挖的支管開口處重新分布。雖然可以從主管處用巖石錨桿加固支管處巖塊，但其效果不如先開挖支管，然后從支管方向加固更有效。(2)爆破應(yīng)采用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制裝藥量，短進尺，多循環(huán)。(3)巖石支護每一掘進爆破作業(yè)后，應(yīng)在離掌子面1.5m處布設(shè)系統(tǒng)巖石錨桿。對于有斷層、裂隙處應(yīng)用隨機巖石錨桿加固處理。(4)對斷裂較密集的區(qū)域除用隨機巖石錨桿處理外，還應(yīng)至少用厚8cm的噴混凝土覆蓋。5.5.2灌漿與防滲(1)灌漿程序按照回填灌漿、淺孔固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、深孔高壓灌漿四個程序進行。(2)壓水試驗為了確定灌漿效果，宜在淺孔固結(jié)灌漿前進行較低壓力的水壓試驗，在深孔高壓灌漿后進行與高壓灌漿壓力相同(或相近)的水壓試驗。上述壓水試驗宜在水壓試驗孔進行。(3)灌漿試驗為確定及優(yōu)化灌漿參數(shù)(不同灌漿程序的孔數(shù)、排距、孔深、壓力、起始水灰比、灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等)，宜進行灌漿試驗。(4)回填灌漿，目的在于填補頂拱由于混凝土澆筑不滿而留下的空隙，孔深以打穿混凝土遇到空腔為準(zhǔn)。若沒有空腔時，則伸入巖石5cm以上。(5)淺孔低壓固結(jié)灌漿，其目的為處理混凝土與巖石之間的縫隙，使之接觸緊密；加固因爆破而產(chǎn)生的松動圈；為深孔高壓固結(jié)灌漿創(chuàng)造較為堅固的塞位。一般來說，淺孔固結(jié)灌漿的施工，應(yīng)一次性鉆孔完畢后才施灌，有利于排氣及漿液擴散，便于施工。(6)帷幕灌漿，在岔管邊界附近進行帷幕灌漿，可形成防滲帷幕圈或延長漿液外滲滲徑，使高壓灌漿區(qū)域能夠形成高壓區(qū)。此外，可延長高壓水外滲的滲徑。(7)深孔高壓固結(jié)灌漿，其目的可提高圍巖的抗?jié)B性及整體性，并給混凝土襯砌以預(yù)壓應(yīng)力，限制了混凝土裂縫的寬度?？捎梅侄喂嘧⒎ㄊ┕唷?.5.3排水系統(tǒng)(1)為降低高壓岔管及其鄰近的鋼襯支管的外水壓力，確保岔管及鋼襯支管放空時的安全，應(yīng)在岔管上方設(shè)置排水廊道。(2)岔管排水廊道的位置，如有地質(zhì)探洞，則宜充分利用探洞，統(tǒng)一布置排水系統(tǒng)。5.6監(jiān)測儀器設(shè)計5.6.1監(jiān)測儀器設(shè)計原則(1)埋設(shè)在高壓鋼筋混凝土岔管段的監(jiān)測儀器，按其用途可分成兩大類：第一類是對高壓岔管及電站的安全運行所必須的，如滲壓計；第二類是用于科學(xué)研究、驗證設(shè)計理論及方法的儀器，如鋼筋計、混凝土應(yīng)變計、溫度計、無應(yīng)力計、多點位移計。在高壓岔管的監(jiān)測儀器設(shè)計中，必須設(shè)置第一類儀器，即滲壓計；而按照實際需要及儀器的性能，適當(dāng)設(shè)置第二類儀器。(2)滲壓計應(yīng)埋設(shè)在高壓岔管段的斷層、裂隙等滲流活動的區(qū)域。(3)監(jiān)測儀器及其電纜的性能應(yīng)能承受相應(yīng)的設(shè)計水頭。監(jiān)測儀器設(shè)計

6專題研究提示：當(dāng)靜水頭不按邊界力處理而按滲透場力考慮時，應(yīng)進行專題研究。研究的內(nèi)容應(yīng)包括：(1)內(nèi)水壓力作用下的計算①計算荷載提示：當(dāng)靜水頭不按邊界力處理而按滲透場力考慮時，應(yīng)進行專題研究。研究的內(nèi)容應(yīng)包括：(1)內(nèi)水壓力作用下的計算①計算荷載按滲透場力考慮的靜水頭＋按邊界力考慮的水錘壓力②滲流場計算論證選用的參數(shù)(包括圍巖、斷層、混凝土的滲透系數(shù)、模型邊界約束水頭等)的正確性。③應(yīng)力場計算按(1)①的計算荷載計算出鄰近襯砌的圍巖單元的主拉應(yīng)力，與地應(yīng)力疊加后仍為壓應(yīng)力，即內(nèi)水壓力不會引起圍巖水力致裂。另外，按(1)①的計算荷載求出假定某一配筋量的鋼筋單元應(yīng)力，從而計算混