第三章压力管道总论及明钢管

第三章压力管道总论及明钢管 第八章 水电站压力管道 第一节 压力管道的功用、类型 一、功用和特点 压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。其特点是集中了水电站大部分或全部的水头，另外坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力)，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。所以压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求。 压力管道的主要荷载为内水压力，管道的内直径D(m)和其承受的水头H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。HD值最高 2的常见于抽水蓄能电站，已超过5 000m。 二、分类 压力管道可按照布置型式和所用的材料分类，见表8-1。 表8-1 压力管道类型 按 结 构 型 式 分 按 材 料 分 明管(露天式):布置在地面上 钢管，钢筋混凝土管，木管 地下埋管:埋入地下山岩中 不衬砌，锚喷或混凝土衬砌，钢衬混凝土 衬砌，聚酯材料管 混凝土坝身管道:依附于坝身，包括:(1) 坝内管道;(2) 钢筋混凝土结构，钢衬钢筋混凝土结构，坝上游面管;(3) 坝下游面管 预应力钢筋钢衬混凝土结构 其中，明管适用于引水式地面厂房，地下埋管多为引水式地面或地下厂房采用，混凝土坝身管道则只能在混凝土坝式厂房中使用。 由于钢材强度高，防渗性能好，故钢管或钢衬混凝土衬砌管道主要用于中、高水头电站;而钢筋混凝土管适用于中小型电站。 26 — — (一) 钢管 钢管按其自身的结构又可分为: (1) 无缝钢管。其直径较小，适用于高 水头小流量的情况。 (2) 焊接钢管。适用于较大直径的情况。 焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接而成，焊图8-1 焊缝布置图 缝结构如图8-1所示，一般相邻两节管道的 纵缝应错开一定角度，以避免焊缝薄弱点在同一直线上。 2(3) 箍管。当HD>1 000m时，钢板厚度一般会超过40mm，其加工比较困难，因而在这种情况下常采用箍管。箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从而使管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁钢板的厚度。 钢管所使用的钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素参照#设计#选定。 (二) 钢筋混凝土管 钢筋混凝土管具有造价低、刚度较大、经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。除了普通的钢筋混凝土管外，还有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝 2网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋混凝土管适用于HD<50m的情况，预应 2力和自应力钢筋混凝土管的HD可达到200m，而预应力钢丝网水泥管的抗裂性能好， 2HD可超过300m。 (三) 钢衬钢筋混凝土管 钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬钢板。在内水压力作用下，刚衬与钢筋混凝土联合受力，从而可以减小钢板的厚度，适用于HD较高的情况。由于钢衬可以防渗，外包的钢筋混凝土允许开裂，有利于充分发挥钢筋的作用。 除了表8-1中所列出的压力管道类型以外，还有回填管(多用于尾矿坝排水管)、土坝下埋管、木管、铸铁管等。这些类型的管道目前在大中型水电站中较少采用，但在小型水电站中有时还能见到。 27 — — 第二节 压力管道的线路选择及尺寸拟定 一、供水方式 压力管道向多台机组供水的方式有三种，即单元供水、联合供水、分组供水。 1. 单元供水(单管单机)。即每台机组都有一条压力管道供水，如图8-2(a)，不设下阀门。其特点是:结构简单(无岔管)，工作可靠，灵活性好，当某根管道检修或发生事故时，只影响一台机组工作，其它机组照常工作。另外，单元供水的管道易于制作，无岔管，但管道在平面上所占尺寸大，造价高。适用于单机流量大或长度短的地下埋管或明管，混凝土坝身管道也常用这种供水方式。 2. 联合供水(一管多机)。即一根主管向多台机组供水，在厂房前分岔，在进入机组前的每根支管上设快速阀门，如图8-2(b)。其特点是单管规模大，分岔管多，容易布置，但造价较低，此外一旦主管道检修或发生事故，需全厂停机。适用于单机流量小、机组少、引水管道较长的引水式水电站。地下埋管中开挖距离相近的几根管井多有一定困难，所以常采用这种方式。 3. 分组供水(多管多机)。即设多根主管，每根主管向数台机组供水，在进入机组前的每根支管上设快速阀门，如图8-2(c)。其特点介于上面两种供水方式之间。适用于压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的地下埋管和明管。 图8-2 压力水管的供水方式 (a) 单元供水 (b) 联合供水 (c) 分组供水 o—有时可以不设的阀门; ×—必须设置的阀门或闸门 钢管首部的快速闸门(阀)和事故闸门(阀)必须在中央控制室和现场设置操作装置，并要求有可靠的电源为其供电。 28 — — 二、明管布置 管道与主厂房的关系主要取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，常采用的明钢管引近厂房的方式有三种: 1. 正向引近。如图8-3(a)和(b)，管道的轴线与电站厂房的纵轴线垂直。其工作特点是水流平顺，水头损失小，开挖量小，交通方便，但钢管发生事故时直接危及厂房安全。适用于中、低水头电站。 2. 纵向引近:如图8-3(c)和(d)，管道的轴线与电站厂房的纵轴线平行。其工作特点是一旦钢管破裂时可以避免水流直冲厂房，但水流条件不太好，增加了水头损失，且开挖工程量较大。适用于高、中水头电站。 3. 斜向引近。如图8-3(e)，其管道的轴线与电站厂房的纵轴线斜交。其工作特点介于上述两种布置方式之间，常用于分组供水和联合供水的水电站。 图8-3 压力水管引近厂房的方式 (a)、(b) 正向引进 (c)、(d) 纵向引进 (e) 斜向引进 三、线路选择 压力管道的线路选择应结合引水系统中其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房的布置统一考虑，选择在地形和地质条件优越的地段。明钢管线路选择的一般原则为: (1) 管道路线应尽可能短而直，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力，改善机组运行条件。因此，地面压力管道一般敷设在陡峻的山脊上。 (2) 选择良好的地质条件。通常要求山体稳定、地下水位低，避开山崩、雪崩、沉陷量很大的地区、洪水集中的地区、村镇居民区和交通道路等。如果无法满足要求， 29 — — 要有切实可行的防护措施，若不能避开村镇居民区，要考虑工程对环境的影响。 (3) 尽量减小管道线路的上下起伏和波折，避免出现负压;如果需要在平面上转弯时，转弯半径可采用2~3倍管道直径D;尽量避免与其它管道或交通道路交叉。 (4) 水头高线路长的管线，要满足钢管运输安装和运行管理、维修等交通要求。 此外，为了避免钢管一旦发生意外事故时，危机电站设备和人身安全，需要设置事故排水和和防冲工程设施。与水渠、道路、输电线、通信线路等交叉时，要设置必要的交叉建筑物和防护设施。 沿管线一般要设置交通道路，并有照明设施。根据工程具体情况，可在交通道路沿线设置休息平台、扶手栏杆、越过钢管的爬梯或管底通道等。 对于地下埋管，其线路也应选择在地质和地形条件优越的地区，岩石要尽量坚固、完整，要有足够的上覆岩石厚度，以利用围岩承担内水压力。埋管轴线要尽量与岩层构造面垂直，并避开活动断层、滑坡、地下水压力和勇水量很大的地带，以避免钢衬在外水压力作用下失稳，同时应注意施工的便利。进水口应选择在相对优良的地段。如果选用多根管道，相邻管道间的岩体要满足施工期和运行期的稳定和强度要求。 四、压力管道直径的选择 压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之一。管道的直径越小，管道的用材和造价越低，但管道中的流速也就越高，水头损失和发电量损失也越大。因此，管道直径的确定不仅是一个技术问题，还是一个经济问题，应通过技术经济比较确定。目前国内外计算压力钢管经济直径的理论公式和经验公式很多，但其基本原理和基本方法都相似。 实际设计中，由于有些因素(如施工工艺和技术水平等)无法在计算公式中考虑，所以按照公式计算的结果一般作为参考。通常可以根据已有工程经验和计算公式确定几种直径，再分别进行造价和电量计算，再考虑技术方面的因素后，选择最优直径。 在可行性研究和初步设计阶段，也可以用下面的经验公式法或经济流速方法确定压力钢管的直径。 (1) 经验公式法 35.2Qmax7 (8-1) D,H 3式中 Q——压力管道设计流量，m/s; max 30 — — H——设计水头(包括水锤压力)，m。 (2) 经济流速法 最大不超过7m/s。选定经济流速V后，根据压力管道的经济流速一般为4~6m/s，e水管引用流量Q用下面的公式确定管道直径: (8-2) D,1.13QVe 第三节 明钢管的钢管的材料和管身构造 一、钢管的材料 钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素选定。 钢管主要受力构件(包括管壁、支承环、岔管加强构件等)可采用下列钢种:Q235—C、D级碳素结构钢，Q345—C、D级及Q390—C、D级低合金结构钢;20R、16MnR、15MnNbR、15MnVR等压力容器钢;07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高强度压力容器钢。明管宜采用容器钢。如需采用其他钢种，应先研究其性能，确定相应的焊接方式热处理工艺等。 明管支座辊轮可采用下列钢种:Q235—A、B、C级钢;Q345—A、B、C级钢;30、35、40、45优质碳素结构钢;ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570等铸件。 支座支承板可采用与管材、支承环相同的材料。支座垫板可采用上列钢板或铸件。 二、钢材的性能要求 1、机械性能 屈服强度ζ、抗拉强度ζ;塑性指标:断裂时的延伸率ε、断面收缩率ψ;冲击韧sb 性a。要求强度高、塑性好(冲击、低温、加工)可焊性能好。 k A3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。 2当HD>600m，δ=32mm,40mm，不易加工。 当HD较高时采用16Mn，其强度高，但塑性差: 强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。 2、加工性能 辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性变形小，加工后无残 31 — — 余应力，焊缝和热影响区不产生裂纹。 3、化学成份 影响钢材的强度、ε、焊接性能，含碳不要过高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。 三、容许应力 钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到，即 [σ]=σ/K s 不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。 表8-2 钢材的允许应力 应力区域 膜应力区 局部应力区 荷载组合 基本 特殊 基本 特殊 产生应力的内力 轴力 轴力 轴力和弯矩 轴力 轴力和弯矩 明钢管 0.55σs 0.7σs 0.67σs 0.85σs 0.8σs 1.0σs 地下埋管 0.67σs 0.9σs 允许 应力 0.8σs 坝内埋管 0.67σs 0.9σs 按明管校核情况 四、管身构造 1、无缝钢管:无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度高，造价高，施工困难。 国内:D?60cm;国外:D?120cm。适用高水头小流量电站。 2、焊接管:钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于各种直径、水头，造成价低。 (1) 纵缝:焊缝交错排列，避开两个中心轴 (2) 相邻管壁厚度差?2mm，内部光滑，外部成台阶状。 3、箍管:钢管外加钢箍。 4、钢管的结构要求:钢管最小厚度:δmin?(D/800+4)mm，或6mm 防腐、防锈措施:涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。 32 — — 第四节 敷设方式及附件 一、明钢管的敷设方式和支承方式 由于明钢管一般长度都很大，所以常分段敷设，即在直线段每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，以固定钢管，防止钢管发生位移。在两镇墩间设置伸缩节，其作用是当温度发生变化时，管身可以自由伸缩，从而减小温度应力。伸缩节一般放在镇墩的下游侧。镇墩之间的管段用一系列等间距的支墩支承，支墩的间距由钢管应力，并考虑钢管的安装条件、地基条件和支墩型式，经技术经济比较确定。靠近伸缩节的一跨，支墩间距可缩短一些。管身离地面不小于60cm，以便于维护和检修。这种敷设方式的水管受力明确，在自重和水重作用下，水管相当于一个多跨连续梁，镇墩将水管完全固定，相当于梁的固定端，见图8-4。 图8-4 明钢管的敷设 (一) 镇墩 镇墩的作用是靠本身的重量固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力，防止水管产生位移。镇墩一般由混凝土浇制而成，混凝土强度等级一般不低于C15。在寒冷地区，墩底基面应深埋在冻土线以下。分封闭式和开敞式两种型式。 1(封闭式:如图8-5所示，钢管被埋在封闭的混凝土体中。镇墩表层需布置温度筋，钢管周围设置环向筋和一定数量锚筋。这种布置方式结构简单，节约钢材，固定 33 — — 效果好，应用较广泛。 2(开敞式:如图8-6所示，利用锚栓将钢管固定在混凝土基础上。镇墩处的管壁受力不均匀，锚环施工复杂，其优点是便于检查维修。这种镇墩在我国很少采用。 (二) 支墩 支墩用于承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。按支墩上的支座与管身相对位移的特征，有以下几种型式: 图8-5 封闭式镇墩 图8-6 开敞式镇墩 1(滑动支墩。钢管发生轴向伸缩时，沿支座顶面滑动。滑动式支墩又可分为无支承环鞍形支墩、有支承环鞍形支墩和有支承环滑动支墩三种。无支承环鞍形支墩，见 oo图8-7(a)，是将钢管直接支承在一个鞍形混凝土支座上，其包角β在90~120之间。为了减少管壁与支座之间的摩擦力，在支座上铺设钢板并在接触面上加润滑剂。这种支墩结构简单，但管身受力不均匀，摩擦力大。适用于管径1m以下的钢管。有支承环滑动支墩，见图8-7(b)，支承环放在金属的支承板上，比上面两种支墩的摩擦力更小。适用于管径1,3m的钢管。 2(滚动支墩。如图8-8所示，在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，钢管发生轴向伸缩时，辊轴滚动，摩擦系数约为0.1，适用于垂直荷载较小而管径大于2m的钢管。 (摆动支墩。如图8-9所示，在支承环与支承面之间设置一摆动短柱。短柱下端3 与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的承板接触。钢管沿轴向伸缩时，短柱以铰为中心前后摆动。其摩擦力很小，能承受较大的垂直荷载，适用于管径大于2m的钢管。 34 — — 图8-7滑动式支墩 (a) 鞍式; (b) 支承环式 图8-8滚动式支墩 图8-9摆动式支墩 二、钢管上的闸门和附件 (一) 闸门及阀门 在压力水管的进口处一般都设置平板闸门，以便在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。平板闸门价格便宜，构造简单，便于制造，常以此代替阀门。对于上游有压力前池或调压室的明管，为了在发生事故时紧急关闭和检修放空水管的需要，在钢管进口处一般也要设置闸门，闸门装在压力前池或调压室内。 阀门一般设置在紧靠压力管道末端，即水轮机蜗壳进口处的钢管上。在分组供水和联合供水时，为避免一台机组检修影响其他机组的正常运行，或在调速器、导水叶发生故障时紧急切断水流，防止机组产生飞逸，在每台机组前都应设置阀门，通常称为下阀门。坝内埋管长度较小，只须在进口处设置闸门，不设下阀门。有时虽是单独供水，但水头较高、容量较大时也要设下阀门。水电站压力水管的阀门常见的有三种。 (1) 平板阀。平板阀由框架和板面构成，阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸 35 — — 门相似，如图9,10所示。平板阀一般用电动或液压操作。这种阀门止水严密，运行可靠，但需要很大的启闭力，动作缓慢，易产生汽蚀，常用于直径较小的水管。 ,11所示，蝴蝶阀由阀壳和阀体组成。阀壳为一短圆筒，阀体(2) 蝴蝶阀。如图9 形似圆盘，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。阀门关闭时，阀体平面与水流方向垂直;开启时，阀体平面与水流方向一致。蝴蝶阀的操作有电动和液压两种，前者用于小型，后者用于大型。这种阀门启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低;但在开启状态时由于阀门板对水流的扰动，造成附加水头损失和阀门内汽蚀现象;在关闭状态时，止水不严密，不能部分开启。适用于大直径、水头不很高的情况。 目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。蝴蝶阀可在动水中关闭，但必须用旁通管平压后在静水中开启。 (3) 球阀。球阀由球形外壳、可旋转的圆筒形阀体及其他附件组成，如图8-12所 o示。阀体圆筒的轴线与水管轴线一致时，阀门处于开启状态，若将阀体旋转90，使圆筒一侧的球面封板挡住水流通路，则阀门处于关闭状态。 球阀的优点是在开启状态时实际上没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压;缺点是尺寸和重量大，造价高。适于作高水头电站的水轮机前阀门。球阀是在动水中关闭，但需要用旁通阀平压后在静水中开启。 图8-10 平板阀门 图8-11 蝴蝶阀 36 — — 图8-12 球阀 (a) 关闭状态 (b) 开启状态 (二) 附件 (1) 伸缩节。露天式压力钢管受到温度变化或水温变化的影响时，为了使管身能沿轴线自由伸缩，以消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷，常在上镇墩的下游侧设置伸缩节。对伸缩界的基本要求是:能随温度变化自由伸缩，能适应镇墩和支墩的基础变形而产生的线变位和角变位，并留有足够余度。伸缩节的型式较多，较常见的几种见图8-13。在阀门处的伸缩节应便于阀门拆卸，并允许产生微小的角位移。 (a) (b) (c) (d) 图9,13 伸缩节 (a)套筒式伸缩节 (b)压盖式限拉伸缩节 (c)波纹管伸缩节 (d)波纹密封套筒式伸缩节 37 — — (2) 通气阀。通气阀常布置在阀门之后。当阀门紧急关闭时，水管中的负压使通气阀打开向管内充气，以消除管中负压;水管充水时，管中空气从通气阀排出，然后再关闭阀门。 (3) 进人孔。为了检修方便，在钢管镇墩的上游侧通常设置进人孔。进人孔间距一般为150m，不宜超过300m。进人孔为圆形或椭圆形，其直径(或短轴)一般不小于45cm。为保证正常运行期间不漏水，进人孔盖与外接套管之间要设止水盘根，如图8-14所示。 (4) 旁通阀。旁通阀设在水轮机进水阀门处，与闸门处的旁通管作用相同，使阀门前后平压后开启，以减小启闭力。 (5) 排水设施。在压力水管的最低点应设置排水管，在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。 严寒地区的明钢管，应有防止钢管本身及其附件结冰的保温措施。 图8-14 进人孔 1-孔盖; 2-垫圈; 3-螺栓; 4-接管 第五节 作用在钢管上的荷载及其组合 一、荷载计算 按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力和法向力。各种作用力计算公式及作用方向见表8-3，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅《水工建筑物荷载设计规范》。 二、荷载组合 钢管结构设计应根据承载能力极限状态的要求，对不同设计状况下可能同时出现的作用，进行相应的作用效应组合，对明钢管要求的组合见表8-4。 38 — — -3 明钢管荷载计算公式 表8 指向 受力部位 序作用力作 用 力 名 称 计 算 公 式 管支镇号 方向 上段 下段 壁 墩 墩 P,,H径向 内水压力强度P ? ? 1.1 Q,qLcos,钢管自重的分力Q? ? ? 2.1 ss垂直 s Q,qLcos,管轴 管内水重的分力Q? ? ? 2.2 www ，，A,qLsin,,钢管自重的分力A1s顺 顺 ? ? 3.1 1 2 A,,DP/4关闭的阀门及闷头上的力A顺或逆 顺或逆 ? ? 3.2 2 20 22 A,,(D,D)P/4渐缩管上的内水压力A 顺 顺 ? ? 3.3 3maxmin322 A,,(D,D)P/4伸缩节端部的内水压力A 顺 逆 ? ? 3.4 平 41242 A,,DP/4弯管上内水压力的分力A 顺 逆 ? ? 3.5 5 50 22行 A,,D,v/4g弯管上水流离心力的分力A 顺 逆 ? ? 3.6 6 w600 温变时伸缩节止水填料 A,,Db,P顺 逆 逆 顺 ? ? 温3.7 71PP 管 的摩擦力A 7度 A,(q，q)L,cos,,温变时支座垫板与钢管81sw顺 逆 逆 顺 ? ? 作轴 间或支座上下垫板间的 A,(q，q)L,cos,用 逆 顺 顺 逆 ? 82sw 摩擦力A 3.8 8 情 况 温温温温 升 降 升 降 注: 1(“上段”和“下段”分别指镇墩上游侧和下游侧管段，管段从伸缩节断开。 2(“顺”和“逆”分别表示发电工况顺水流方向和逆水流方向，序号3.2作用力及顺水流抬高的管段的其他作用力指向应具体判断。 表8-3中各计算式种符号的含义为:P — 内水压力设计值;— 水的重度;H — ,w计算截面管轴处内水压力作用水头(包括静水压力和水锤压力);q— 单位管长钢管自s 重设计值;q— 单位管长管内水重设计值;L — 支墩间距;α — 管轴与水平面夹w 角;D— 钢管内径;D和D— 渐缩管的最大内径和最小内径;D和D— 伸0 maxmin 12 缩节内套管的外径和内径;v— 机组满负荷时钢管内水流流速;g — 重力加速度;0 b— 伸缩节止水填料长度;μ— 伸缩节止水填料与钢管间的摩擦系数;μ — 支座p p 垫板与钢管间或支座上下垫板间的摩擦系数。 39 — — 表8-4 明钢管荷载组合与计算情况 基本荷载组合 特殊荷载组合 序荷载 正常运行 特殊水压号 放空 施工 充水 地震 运行 试验 (一) (二) 正常蓄水位的静水压力 ? ? 内 正常工况最高压力 ? 水1 压 特殊工况最高压力 ? 力 水压试验内水压力 ? 2 钢管结构自重 ? ? ? ? ? ? ? 3 钢管内的满水重 ? ? ? ? ? 钢管充水、放水过程中，管内4 ? 部分水重 5 温度变化引起的力 ? ? ? ? ? 第六节 明钢管的结构分析 一、钢管管壁厚度估算 在进行钢管设计时，需要先设定管壁厚度。由于内水压力在管壁上产生的环向应力是其主要应力，因此常用锅炉公式来初拟管壁厚度。取单位长度承受较高水头的压力钢管，将其沿水平直径切开，由力的平衡条件可以得出管壁中的环向拉应力: (8-3) ,,PD2,,,HD2,, 以钢管结构构件的抗力限值代替，并考虑焊缝的强度降低，引入焊缝系数,,,R φ，整理得: ,PDHD, (8-4) ,,2,,2,,RR 上面二式中: P —— 内水压力;D —— 钢管直径;δ —— 管壁厚度;γ—— 水 的比重;H —— 钢管内的水头。 根据规范要求，焊缝系数φ一般取为0.9~0.95。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁厚度至少比计算值加2mm。另外，在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度δ。δminmin一般取为D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm。 40 — — 二、管身的应力分析 前面已经指出，明钢管敷设在一系列支墩上，为了改善钢管的受力条件及保持管壁的外压稳定，有时需要在管壁上加设支承环和加劲环。钢管承受的荷载分为径向力、轴向力、法向力。可以利用叠加原理对其进行应力分析。在管重和水重作用下，钢管相当于一根连续梁;在轴向力作用下钢管可用轴向受压构件计算;径向力作用只会引起钢管的环向变形。根据受力特点，管身的应力分析可选择四个基本断面，如图8-15所示。(1)-(1)断面在跨中，只有弯距作用，且弯距最大,剪力为零，无局部应力，受力最简单;(2)-(2)断面位于支承环旁管壁膜应力区的边缘，弯距和剪力共同作用，无局部应力，受力比较简单;(3)-(3)断面是加劲环及其旁管壁，由于加劲环的约束，存在局部应力;(4)-(4)断面指支承环及其旁管壁，应力最复杂，弯距和剪力(支承反力)共同作用，存在局部应力。在压力钢管的应力分析中，其坐标系规定为:轴向x、径向r、环向θ，如图8-16所示。 (一) 跨中段面(1)-(1)的管壁应力 跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。下面分别介绍径向应力、切向(环向)应力和轴向应力的计算。 图8-15 明钢管应力分析的几个断面 图8-16 管壁应力计算坐标系 1(径向应力 ,r 水管的内表面承受内水压力，所以内表面的径向应力等于该处的水压强，即 ，“-”表示压应力。管壁外表面的。由于径向应力的数值比较小，,,,,H,,0rr 所以应力计算中可以忽略。 2(切向(环向)应力, ,1 41 — — 设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为α，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为θ，见图8-17)的水头为。在管H,rcos,cos, ，其圆周长为。沿轴线方向取单位长度，则由力的平衡(图壁中取出一段微圆弧d,rd, 8-18)，可以推导出管壁中的切向拉力T和切向应力为: ,,1 (8-5) T,,r(H,rcos,cos,) ,Tr，， ,,,H,rcos,cos,,1，1,, Pr,r, (8-6) (1cos,cos,)H, 式中 P —— 内水压强; δ —— 管壁计算厚度; H —— 计算水头; α—— 管轴线倾角; θ —— 管壁中任意一点半径与管顶半径的夹角; r —— 水管半径。 图8-17 管壁上内水压力的分布 图8-18 管壁微圆弧的受力平衡 3(轴向应力 ,x 跨中段面的轴向应力由两部分组成，即法向力引起的轴向弯曲应力和轴向作,x1用力引起的轴向应力,。 x2 (1) 法向力作用引起的管壁轴向应力,。将水重和管重的法向分力视为均布荷x1 载，则钢管的受力与多跨连续梁类似，其变形以弯曲为主，并在管壁上产生弯曲正应 42 — — 力与剪应力。在相邻两镇墩之间的压力钢管放置于支墩之上，支墩相当于连续梁的中间辊轴支座，最下端的镇墩相当于固定端，上端伸缩节处可近似认为是自由端。在均 -19，其他情况用结构力学方法求出，布荷载作用下，三跨连续梁的弯矩和剪力见图8 或查规范计算。这样管壁横断面上任意一点的轴向应力为 MM (8-7) ,,,cos,,,cos,x12Wr,, 式中 M——水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩，钢管底部受拉为正; 2 W——连续梁(空心圆环)的断面模数，。 W,,r, 图8-19 三跨连续梁截面内力 (2) 轴向力引起的轴向应力。 ,x2 在轴向力合力?A作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为F，则: ,x2 F,,D, AA,,,,,,, (8-8) x2F,D, “-”表示压应力。一般情况下，?A为压力，即为压应力，D为管道直径。 ,x2 4(剪应力 ,x, 由于跨中断面的剪力为0，所以该断面的,=0。 x, (二)、支承环旁管壁膜应力区边缘(2)-(2)断面的管壁应力 (2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。对于连续梁，跨中断面和支承环断面的管道弯矩，方向相反，顾可用式(9-7)计算弯曲应力。此外支承环处存在剪力V，在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为: 43 — — ,VSVsinR, (8-9) ,,,xbJ,r, 式中 V——管重和水重的法向分力作用下连续梁的剪力; 2 S——计算点以上管壁环形截面积对重心轴的静矩，; S,2,rsin,RR ——受剪截面宽度，; bb,2, 33 J——截面惯性矩，。 J,,D,8,,r, 当θ=0?(管道顶部)和θ=180?(管道底部)时，=0;当θ=90?(管道侧面中点),x, 时，，达到最大值。 ,,2VFx, 的分布如图8-20，该图为以上各,x, 应力的综合图。 断面(2)-(2)的其他正应力ζ、ζ和ζθr 均与断面(1)-(1)相等，但符号不尽相同。 x (三) 加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3) 管壁应力 的 图 8,20 支承环旁管壁应力分布和方向 1(轴向应力ζ。 x3 由于加劲环存在，管壁在内水压力作用下的径向变形受到了限制，因而将产生局 ,,部应力，变形状态如图8-21(a)所示。加劲环对管壁约束的影响范围，每侧为。又ll称等效翼缘宽度。由弹性理论分析可得 ,r,l,,0.78r, (8-10) 243(1,), 式中 μ——钢材的泊松比。 ,对于范围以外的管壁，认为不受加劲环的影响，即不存在局部应力。在计算时，l 加劲环有效断面面积F，等于其自身净断面F?加上两侧各长为0.78的管壁面积。 r, 在内水压力作用下，其变形具有轴对称特性，因此管壁圆周上各处的弯矩和剪力值都相等。设想将加劲环与管壁切开，根据变形相容条件可以证明，在切口处存在着均布的径向弯矩M和剪力V，如图8,21(b)所示。设在内水压力P和管壁传来的剪力V作用下，加劲环向外径向变位为Δ;加劲环影响范围以外的管壁向外径向变位为Δ;12如果没有M和V的作用，全部管壁都将有相同的变位Δ;但是在M和V作用下，钢2 管与加劲环连接处的变位应该与加劲环的变位相同，等于Δ。我们可以看作M和V作1 用下使钢管在断面(3)-(3)处发生一个变位等于Δ。根据变形连续条件，，,,,,,3321 44 — — 同时管壁在M和V作用下没有角变位(转角)。 (1) 求Δ。在加劲环影响范围以外的管壁变位Δ，是由均匀内水压力产生的。Δ222 为半径的增加。根据虎克定律可得 (b) 图8,21 加劲环及其旁管壁变形示意图 (a) 管壁局部变形;(b) 切口处均布的径向弯矩和剪力 2,DPDDPr,,,,, (8-11) 2E22,E2,E 式中 E——钢材弹性模量。 (2) 求Δ。用类似的方法可以推导出: 12r,,Pa，V，， (8-12) 21,FE 式中 a——加劲环宽度; F'——加劲环净截面积，不包括管壁翼缘。 (3) 求Δ。根据弹性理论，M与V之间存在关系如下: 3 VM, (8-13) 2k 在M与V的共同作用下，该处管壁的径向变位减小Δ3 2,V,3(1),, (8-14) 333kE, 式中 k——等效翼缘宽度的倒数，即: 45 — — 11 k,, ,l0.78r, 根据连续条件，，将式(8,11)、(8,12)、(8,14)代入，得 ,,,,,321 222,V,Prr3(1),,Pa，V (8-15) ，，233,k,EE,FE 2,3(1),2再将代入上式，化简后得 k,r, P (8-16) V,,k 代入式(8,13)得 P M, (8-17) ,22k ,,,FaFaFa,,,,,, (8-18) ,,,,,,,FkFlF，2，2,, 式中 F——加劲环有效截面积，包括管壁的等效翼缘。 最后可得局部弯矩M产生的管壁局部轴向应力ζ为 x3 33PrPr,,,,,,, (8-19) x322,3(1,)1,,,, 取μ=0.3，则 Pr,, (8-20) ,,1.816x3, 式中的正号代表管壁内缘受拉，负号代表管壁外缘受压。由于0,,,1，当F'很大时， β?1，而没有加劲环时，F'=aδ, β?0。 2(剪应力 ,xr 上述分布剪力V在加劲环旁管壁内产生剪应力，的作用方向指向管中心，,,xrxr其值用公式(管壁中面)或(管壁内、外缘)计算。一般的值,,1.5,Pk,,,0,xrxrxr 较小，且管壁总应力的控制点在管壁内外缘，故可忽略不计。 ,xr 3(切向应力ζ θ2 加劲环净截面除承受径向的均匀内水压力Pa外，还承受外侧径向剪力2V，如图 8-21(a)。总切向拉应力为 r,,(Pa，2V) (8-21) ,2,F 46 — — 将式(8,16)代入上式得 ,rPPr, (8-22) ,,(Pa，2),(a，2l,),2,,FkF 根据式(8,18)可得 ,,,(2l，a),F, (8-23) 1,, 将上式代入式(8,22)，即可得 Pr (8-24) ,,(1,,),2, 4(剪应力 ,,x 由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪应力用式(8,9)计算，而由剪应力互,x, 等定理可知 = (8-25) ,,x,,x 断面(3)-(3)的轴向应力ζ、ζ和剪应x1x2 力的计算，均与断面(2)-(2)相同。 ,x, 综合断面(3)-(3)各应力方向和分布，如 图8-22所示。 (四) 支承环及其旁管壁，断面(4),(4) 的管壁应力 图8,22加劲环断面管壁应力分布 支承环与加劲环从形式上看都是一个和方向示意图 套焊在管壁外缘的钢环，因此断面(4)-(4)的 管壁应力的计算均与断面(3)-(3)相同。但支承环由于承担管重和水重法向力Q而在支墩处引起的支承反力R，从而在支承环内产生附加应力。随着支承方式和结构不同，应力状态也不同。 1(支承环的支承方式 大中型水电站明钢管上的支承环支承方式有侧支承和下支承两种形式，如图8-23所示。图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为b，支承反力为。 Q2cos, 2(支承环内力计算 支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方法进行。因为钢管断面是一个 47 — — 对称圆环，是一个三次超静定结构，可用弹性中心法计算支承环上各点的内力。 当采用侧支承时，设支承反力离支承环重心轴距离为b。根据分析，在设计时取=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。b oo采用下支承时，一般ε=30,90较经济。符号ε的意义见图8,23(b)。 图8,23支承环支承方式 (a) 侧支承;(b) 下支承 (1) 侧支承式支承环的内力计算。支承环所承受的荷载主要是管重和水重法向分力产生的剪力(表现为支承环两侧管壁上的剪应力)，以及支墩两侧的反力0.5Q，还有,x, 支承环自重，但相对较小，可以不计。钢管一般都是倾斜布置，支承反力为。0.5Qcos, Q管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为，因此沿管,,sin,cos,x,2r,, 壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为 Q S,2,,,,1,sin,cos, (8-26) x,x,r, 要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一个封闭圆环各断面上的弯矩M、剪力T和轴力N。其计算简图如图8,24所示。利用结构力学中的弹性中心法，RRR 将圆环顶部切开加上内力T和M;由于圆环是对称图形，该处没有剪力。把内力移GG 到弹性中心，令弹性中心处的力矩为M，推力为T。由弹性中心法可以求得 00 Mdss, (8-27) M,,0ds, Mydss, (8-28) T,02yds, 48 — — 式中 M——圆弧上各点的静定力矩，以顺时针方向为正; s y——圆弧的纵坐标; ds——弧长的微分。 求出弹性中心处的M及T后，即可得到环顶切口处的内力M、T，从而可推求00GG出封闭圆环(支承环)任一断面上的内力。 导出的内力M、T和N在一些特殊点处的计算公式列于表8,3。从表中可以看RRR 出，支承环内力除取决于它的几何尺寸及荷载Q、以外，还与支点的位置b有关。Sx, 当b=0.04R时，支承环各断面的内力分布情况如图8-25所示。 图8-24 支承环计算简图 图8-25 b=0.04R时支承环内力图 图中弯矩画在受拉一边，正的M表示支承环外侧受拉，正的N表示拉力，正的0RT方向如??。 R (2) 下支承式支承环的内力计算。下支承环支点位置用ε角度来确定，如图8,23(b)所示。仍用弹性中心法计算内力，计算简图如图8,24(b)。支承环任意断面内力 49 — — 计算公式可查《水电站压力钢管设计规范》DL/T 5141-2001。不论是侧支承或是下支承，当需要考虑地震时尚需计算横向地震力作用下产生的内力，计算公式见上述规范。 表8-5 支承环内力计算公式 时的截面内力 ,,0:,,2,,内力 象限 任一段面的内力 QR2b3QRb M,[,sin,，(，)cos, M,,[0.07,0.43]RR ,,0:2R2,2,RI或II b, 弯 ,(1，)]QbQb2RM，M ,,, 矩 ,,,2RRQR2b344 M,,[(,,,)sin,,(，)cos,MRR 2R2,QRbIV或III b, M,[0.07,0.43],(1，)] R,,,2R2R, Qr,b N,(,0.75),Qr,b3，， R,,0:,, Ncos,sin,,,,,R,,R,,I或II R42,,,，，轴 QQ， NN,,,力 ,,,2RR44NR ,,,,Q，rb3，,, ,,，Ncos,sin,,,R,,Qr,bIV或III R42,,,，， N,,(,0.75) R,,,,R T,0,,Q，rb5， ,,,,0:R ,,,，Tsin,cos,,,R,,I或II R42剪 ,,,，，Qr,b T,,(,1.25)力 ,,,2R,R,,，,,，Qrb5,,T R ,,,,Tsin,cos,,,R,,IV或III R42,,,，， T,0 ,,,R 计算出支承反力产生的弯矩M、轴力N和剪力T后，它们所产生的应力分别为RRR (见图8-25): NR ,, (8-29) ,3F MZMRRR (8-30) ,,,,4JWRRTSRR(支承环腹板) (8-31) ,,r,JaR 上面三式中 N——支承环横截面上的轴力; R 50 — — M——支承环横截面上的弯矩; R Z——计算点与重心轴的距离; R J——支承环有效截面对重心轴R 的惯性矩; W——支承环有效截面对重心轴R 的面积矩; T——支承环横断面上的剪力; R图8-26 支承环断面管壁应力分布和方向示意图 S——支承环有效截面上，计算R 点以外部分对重心轴的静矩; a——支承环腹板厚度; F——支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘。 断面(4)-(4)各应力的方向和分布，如图8-26所示。 四个断面的应力计算公式汇总在表8-6中。 表8-6 明钢管应力计算公式汇总表 应 力 断计 算 公 式 面 (1)-(1) (2)-(2) (3)-(3) (4)-(4) Pr ,,,1,1 ,r,,(1cos,cos,),1H, Pr ,,,,(1,,) ,2,2,2纵 , NR , ,,,3,3F断 MZM RRR ,,, , ,4,4 JWRR面 TSRR(支承环腹板) ,,r , ,,rJaR ,,,,,, ,x,x,x,xx, 1 ,,,,,,(,Mcos,，Msin,)x1x1x1x1x1e2r,,横 A, ,,,,,,,x2x2x2x2x2 ,D,断 Pr , , ,, ,,1.816(管壁内缘+，外缘-) x3x3x3,面 ,,VVsin,cose, , , , ,x,x,x,,x,r, 51 — — 三、强度验算 钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，应按强度理论进行验算。如果不满足要求，则重新调整管壁厚度或支墩间距，重新计算，直到满足要求。 按照第四强度理论(畸变能理论)，各应力计算点的等效应力为 222222,,,，,，,,,,,,,,,,，3(,，,，,) (8-33) xr,x,xrr,xrx,r, 222或简化为 (8-34) ,,,，,,,,，3,x,x,x, 要求: ζ<φ[ζ] 第七节 明钢管的抗外压稳定 一、明钢管外压失稳的原因及失稳现象 钢管是一种薄壁结构，可以承受较高的内压，但承受外压力的能力较差。 机组运行过程中由于负荷变化产生负水锤，而使管道内产生负压，或者管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。所以，必须根据钢管处于真空中状态时不至于产生不稳定变形的条件来校核管壁的厚度或采取工程措施。 二、抗外压稳定性校核 钢管承受均布外压荷载时，其抗外压稳定性可按下式验算: (8-35) KP,Pc0kcr 其中:K—抗外压稳定安全系数，对明钢管一般取为2.0; c P—径向均布外压力标准值; 0k P—抗外压稳定临界压力计算值。 cr 三、光滑管段的临界外压力 取单位长度的圆环考虑，在均匀外压力作用下产生变形，如图8-27示。当外压力P增加到临界压力P时，钢管管壁就丧失稳定。在P作用下，管壁维持一定的变形crcr 状态。经过推导，得出临界压力P为 cr32E,,,P,， (8-36) ,,cr2(1,)D,,, 式中 D —— 圆环直径; 52 — — E —— 钢的弹性模量; μ—— 钢的泊松比; δ —— 钢管厚度。 图8-27 管壁在外压下的屈曲 三、加劲钢管的外压稳定 当管径较大时按公式(8-36)求出的管壁厚度太大，可能无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施，不但可以增加其抗外压稳定性，也可以降低生产难度，并降低造价(比增加管壁厚度更经济)。 (一) 加劲环之间的管壁临界外压力 加劲环的刚度要足够大，在设计外压下不失稳。管壁由于受到加劲环的约束，其变形与光滑管不相同，其变形形态如图8-28所示，变形的特点是发生多波屈曲。发生多波屈曲所需的外压力比发生双波屈曲的外压力要大，但这与加劲环的间距有关。当加劲环的间距较小时，其间的光滑部分与加劲环一同变形，管壁的临界压力即加劲环的临界压力;当加劲环的间距较大时，假设加劲环的刚度足够大，不会失稳，则两个加劲环的中间光滑部分的临界外压力为: ,,,,32,,,EE2n,1,2,,,，，,，Pn1 (8-37) cr2223222,nL,,12r(1,),,nL21，,,,,,，r(n1)12222,,,r,,,r,, 1/21/4rr,,,,,2.74n (8-38) ,,,,,L,,,, 53 — — 式中 n——相应于最小临界压力的屈曲波数，用(8-37)估算; L——为加劲环间距。 屈曲波数n应为整数，但求出的n不一定是整数，需对其取整。因此按上面的公式计算时，首先求出屈曲波数n，并取整，然后用n，n-1，n+1三个数分别带入上面的公式中，求出的最小值就是临界荷载。 用公式(8-37)和(8-38)计算临界压力非常繁琐，也可以用查图表的方法求临界压力，图表是根据上述公式绘制而成，见图8-29。 图8-28 有加劲环的钢管管壁屈曲波形示意图 图8-29 加劲环间管壁屈曲压力计算曲线 54 — — (二) 加劲环断面的临界外压力 加劲环两侧附近的管壁与加劲环一起变形，这 ,一部分的长度为，加劲环有效断面l,0.78r, 如图8-30所示。 加劲环断面的外压稳定计算公式，可按照光 图8-30 加劲环有效断面 滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环 的间距L，其他参数用加劲环有效断面计算。 EJ3 (8-39) P,cr3RLk 式中 J ——计算断面对自身中和轴的惯性矩; R加劲环有效断面中心半径; ——k 最后，总结一下明钢管的设计步骤:(1) 首先根据锅炉公式并考虑锈蚀厚度初步拟定管壁厚度，但在应力和稳定计算中，不计锈蚀厚度;(2) 再由管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定可设置加劲环(也可用支承环代替)，并选定其间距;(3) 根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于钢管构件抗力限值的要求，确定加劲环的尺寸;(4) 进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。重复上面的步骤，直到满足要求。 第八节 分岔管 一、分岔管的功用、特点和要求 采用联合供水或分组供水时，即一根管道需要供应两台或更多机组用水时，需要设置分岔管，这种岔管位于厂房上游侧，其作用是分配水流。 有时，一条压力引水道需要分成二根以上的压力管道，也是分岔管，通常位于调压井底部或调压井下游。几台机组的尾水管往往在下游合成一条压力尾水洞，汇合处也是分岔管，不过水流方向相反。上下游压力引水道上的分岔管往往尺寸较大，但内压较低。 我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。本节主要讨论厂房前的分岔管。 一般来说，岔管的水流条件较差，引起的水头损失较大;另外，岔管由薄壳和刚 55 — — 度较大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价也比较高;由于其受力条件差，且所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，因此其安全性十分重要。 从设计和施工来说，岔管应满足下列要求: (1) 运行安全可靠。 (2) 水流平顺，水头损失小，避免涡流和振动。试验研究说明，当水流通过岔管各断面的平均流速接近相等，或水流缓慢加速(分岔前断面积大于分岔后面积之和)时，可 oo避免涡流，减少水头损失。分支管宜采用锥管过渡，半锥角一般是5,10，宜采用较 oo小的分岔角β，常用范围是45,60。岔裆角γ和顺流转角θ也宜采用较小值。但这些要求有时是互相矛盾的，例如增加α可减小θ，但会使γ加大，因此需要全面考虑2 选择。 (3) 结构合理简单，受力条件好，不产生过大的应力集中和变形。 (4) 制作、运输、安装方便。 (5) 经济合理。 图8-30 岔管示意图 以上水力学条件和结构、工艺的要求也常常互相矛盾。例如分岔角越小对水流有利，但此时主支管相互切割的破口也越大，对结构不利，而且会增加岔裆处的焊接困难。对于低水头电站，应更多考虑减少水头损失;对高水头电站，有时为了使结构合理简单，可以容许水头损失稍大一些。 二、岔管的布置形式 岔管的典型布置有以下三种，如图8-31所示。 (1) 非对称Y形布置，见图8-31(a)。如果要从主管中分出一支较小的岔管，或者两条支管的轴线因故不能作对称布置时，可以用不对称的卜形布置。 56 — — (a) (b) (c) 图8-31 岔管的布置方式 (2) 对称Y形布置，见图8-31(b)。用于主管分成二个相同的支管，如一管二机。 (3) 三岔形布置，见图8-31(c)。用于主管直接分成三个相同的支管。 若机组台数较多，可采用对称Y形—非对称Y形或对称Y形—三岔形组合布置。 我国已建钢岔管的布置形式中卜形布置居多。除因卜形布置灵活简便外，还因以往建造的钢岔管规模较小，采用贴边岔管较多，较适合于卜形布置。岔管的主、支管中心线宜布置在同一平面内，使结构简单。 主、支管管壁的交线，称为相贯线。由于在相贯线处主支管互相切割，常常需要沿相贯线用构件加强。为了便于加强构件的制造和焊接，希望相贯线是平面曲线。可以在几何上证明，相贯线是平面曲线的必 要和充分条件是主支管有一公切球，如图 8-32所示。 如果主、支管的直径相差较大，或因 其它原因，主、支管公切于一个球有困难， 则相贯线将位于曲面上，沿相贯线的加强 构件将是一个曲面构件，计算、制造、安 图8-32 锥管公切球 装等都比较困难。 三、岔管的结构形式 (一) 三梁岔管 在压力钢管的分岔处，由于管壳相互切割，不再是一个完整的圆形，如图8-33所示。在内水压力作用下，管壁所承担的环向拉应力无法平衡。这样，在主管与支管及支管间的相贯线上，作用着主、支管壳体传来的环向拉力和轴力等复杂外力，因此需 57 — — 要增加管壁厚度，并用两根腰梁和一根U梁进行加固，使之有足够的强度和刚度。以正Y形对称分岔为例(见图8-33)，主管一般为圆柱管，支管为锥管。沿两支管的相贯线用U梁加强，沿主管和支管的相贯线则用腰梁加强，U梁承受较大的不平衡水压力，是梁系中的主要构件。将U梁和腰梁端部联结点做成刚性联结，形成一个薄壳和空间梁系的组合结构，其受力非常复杂。 根据我国已建7个三梁岔管的结构试验证明，在管壁上实测的应力集中系数(实测 图3-33 三梁岔管 1-腰梁; 2-主管; 3-公切球; 4-支管; 5-U型梁 应力与主管理论膜应力之比)为1.3,2.6。其中五个岔管U梁插入管壁内20,100cm深，应力集中系数为1.3,1.9。另两个岔管U梁未插入管壁内，应力集中系数增加为2.4,2.6。因此，当没有计算分析和试验资料时，考虑到U梁插入管壁内，则局部应力集中系数可以取1.5~2.0。常用的加固梁断面为矩形或T形，在材料允许时应避免采用瘦 高型截面，以矮胖形截面为好。U梁断面尺寸庞大，为改善其应力状态和布置情况，降低岔管壁的应力集中系数，U梁应适当插入管壳内。插入深度在腰梁连接端为零，中部断面处最大。梁内侧应修圆角，并应设导流墙。 三梁岔管的主要缺点是梁系中的应力以弯曲应力为主，材料的强度未得到充分利用，三个曲梁(特别是U梁)常常需要高大的截面，不但浪费了材料，还加大了岔管的轮廓尺寸，而且可能需要锻造，焊接后还需要进行热处理。由于梁的刚度较大，对管壳有较强的约束，使梁附近的管壳产生较大的局部应力。同时，在内压的作用下，由于相贯线的垂直变位较小，用于埋管则不能充分利用围岩的抗力。因此，三梁岔管虽有长期的设计、制造和运行的经验，但由于存在上述缺点，不能认为是一种很理想的 58 — — 岔管。三梁岔管适用于内压较高、直径不大的明管道。 (二) 内加强月牙肋岔管 ,34，内加强月牙肋岔管是国内外近年来在三梁岔管的基础上发展起来的新如图9 式岔管，目前在我国已基本取代了三梁岔管。 如上所述，三梁岔管的U梁插入管壳内能改善U梁和管壳的应力状态，一般来讲，插入愈深，往往是应力愈均匀。月牙肋岔管是用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。 月牙肋岔管的主管为倒锥管，两个支管为顺锥管，三者有一公切球，使相贯线成为平面曲线。 图3-34 内加强月牙肋岔管 (a) 卜型; (b) Y型 这种岔管有下述特点: (1) 月牙肋板只承受轴心拉应力而无弯曲应力，拉应力的分布比较均匀，其数值与邻近管壳上的拉应力相近;(2) 改善了水流条件，使水头损失比一般岔管低许多，特别是对称流态情况可减少一半;(3) 由于取消外加固U梁和腰梁，使岔管外形尺寸大为减小，对埋管可减少开挖工程量。由于外型规整，内水压力也易于通过管壳传给混凝土衬砌和围岩，使围岩的弹性抗力得到更好地发挥。这种岔管在生产建设中通过理论分析、模型试验和原型观测已经积累了一些经验，可应用于大中型电站。鉴于国内已建的大月牙胁岔管均为埋管，对于高水头、大直径的明管，还应深入地研究。 59 — — (三) 贴边式岔管 贴边式岔管是在卜形布置的主、支 管相贯线两侧用补强板加固，如图8-35 所示，补强板与管壁焊固形成一个整体。 补强板可以焊固于管道外壁或内壁，或 内外壁均有补强板。与加固梁相比，补 强板刚度较小，不平衡区的水压力由补 强板和管壁共同承担。在内水压力作用 下，由于补强板刚度较小，有可能发生 图8-35 贴边式岔管 较大的向外的位移，因此常用于埋藏式1-主管;2-补强板;3-支管 岔管，能把大部分不平衡水压力传给围 岩。 贴边式岔管常用于中、低水头Y型布置的地下埋管，尤其是支、主管直径之比(d/D)在0.5以下的情况，如果d/D大于0.7，不宜采用贴边式岔管。 加强板的宽度应不小于(0.12,0.18)D，其中D为主支管轴线相交处的主管直径。当采用内外补强板时，宜取内、外层板的宽度不等。 (四) 球形岔管 球形岔管是通过球面体进行分岔，它是由球壳，圆柱形主、支管以及补强环和导流板等组成，如图9,36所示。在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半，因此，这种岔管适用于高水头大中型电站。球形岔管是国外采用比较多的一种成熟管型，目前国内应用尚少。 球壳所承受的荷载主要为内水压力、补强环的约束力和主、支管的轴向力。主、支管的轴向力对球壳应力有很大影响，在结构上应认真对待。垂直方向的支管应加以锚定，若为具有伸缩节的自由端，则管壁不能传递轴向力，作用于球壳上的轴向水压力将无法平衡。 球壳厚度可按内水压力作用下球壳的膜应力来确定，并考虑热加工及锈蚀等余量。补强环与球壳铆接，而与主、支管用焊接连结。从理论上讲，球壳在内压力作用下不产生弯矩，但是，在球壳与主、支管连接处，由于结构的不连续性，仍需用三个补强环加固。 60 — — 补强环上的作用荷载有球壳作用力、管壳作用力和补强环直接承受的内水压力。应当力求使上述三种力通过补强环断面的形心，以使补强环为一轴心受拉圆环，而不使断面产生扭转。 球形岔管突然扩大的球体对水流不利。为了改善水流条件，常在球壳内设导流板。导流板上设平压孔，因此不承受内水压力，仅起导流作用。 图3-36 球形岔管 (五) 无梁岔管 无梁岔管是在球形岔管的基础上发展起来的。球形岔管利用球壳改善了结构的受力条件，球壳与主支管圆柱壳衔接处存在结构的不连续性，要加设三个补强环。补强环需要锻造，与管壳焊接时要预热，球壳一般也要加热压制成形，有的球岔在制成后还需进行整体退火，因此工艺复杂。另外补强环与管壳刚度不协调的矛盾仍未解决。 为了改善受力条件，可以用直径较大的锥管和球壳沿切线方向衔接，使球壳只剩下上下两个面积不大的三角形，并在主、支管和这些锥管之间插入几节逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管，如图8-37所示。无梁岔管是一种有发展前途的管型，目前国内应用较少，能发挥与围岩共同受力的优点。 另外，国外的电站还采用了隔壁岔管，由扩散段、隔壁段、变形段组成，各级皆为完整的封闭壳体，除隔壁外，无其它加强构件，受力条件很好，水流流态较优，且不需要大的锻件，见图8-38。 61 — — 我国50年代建造的岔管，尺寸及内压不大，多为贴边式;60年代由于高水头电站的出现，梁式岔管应用较多;随着钢管的规模增大，大直径、高内压的三梁岔管，制作安装困难较大，技术经济指标不佳，逐渐采用月牙肋岔管，少数工程还采用了球形岔管和无梁岔管。 图8-37 无梁岔管 图8-38 隔壁岔管 第九节 地下埋管 一、地下埋管的布置与工作特点 地下埋管是埋藏在地下岩层之中的管道，其施工过程是:首先在岩石中开挖隧洞，并清理石渣，进行支护等，然后安装钢管，再在钢管和岩石洞壁之间回填混凝土，最后进行接触灌浆。在大型水电站中应用较多。根据其轴线的方向，有斜井和竖井两类。也称为隧洞式压力管道或地下压力管道。 (一) 工作特点及适用条件 地下埋管是我国大中型水电站建设中应用最广泛的一种引水管道型式，国外装机容量在1000MW以上的水电站中，采用地下埋管的占40%左右。这是因为与明钢管相比，地下埋管有一些突出的优点。 (1) 布置灵活方便 地下埋管由于在山体内部，管线位置选择较自由，与地面管线相比，一般可以缩短长度。在大多数情况下，地质条件优于地表，容易选择地质条件好的线路。在不易修建明钢管的地方，一般可以布置地下埋管。地下厂房一般全部或部分采用地下埋管。 另外，由于岩石力学和地下工程设计、施工技术的迅速发展，修建压力坚井和斜 62 — — 井的技术已经很成热，施工条件和费用在有的国家已开始优于地面管道。 (2) 钢管与围岩共同承担内水压力，从而可减小钢衬厚度。围岩分担内水压力的比例取决于岩石的性质。当岩石坚硬、完整时，围岩承担较大的内水压力，甚至承担全部内水压力，钢板只起防渗作用;特大容量、高水头的管道，HD值很大，采用明管技术难于实现，地下埋管就可能得以解决。当上覆岩石较薄(<3D)，岩石质量不好时，设计中往往不考虑岩石的承载能力，但提高钢衬的允许应力。地下埋管的允许应力见本章第五节表8-5。 (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。 当然，地下埋管也有一些缺点，如构造比较复杂，施工安装工序多，工艺要求较高，施工条件较差，会增加造价;由于地下埋管所承受的外压力较大，所以外压稳定问题突出等。 由于围岩承担了一部分荷载，管壁较薄，节省了钢材，但放空检修、施工期灌浆压力、水库蓄水后地下水(外水压力)很容易造成外压失稳破坏。国内外地下埋管破坏多数为外压失稳。 (二) 布置 地下埋管的线路选择见本章第二节。 地下埋管一般多采用联合供水方式，但如果管道较短、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易开挖大断面洞井，则经技术经济比较，也可采用两根或更多的管道，用分组供水或单元供水方式向机组输水。相邻两管道之间应有足够的间距，以保证其岩体的强度，防止出现失稳情况。 为保证施工运行安全，地下管道应布置在坚固完整、地下水位低的岩层中。对管线的地质构造(岩石走向、节理裂隙)进行认真研究，以防塌方和岩石脱落，地下施工要考虑出碴和浇筑混凝土要求，管道与水平面夹角不宜小于40?。 为了保证上覆岩层的稳定，应留有足够的岩石厚度。 洞井的布置方式有竖井、斜井和平洞三种，应根据工程布置、施工条件、施工机械和施工方法选用。 63 — — (三) 构造与施工要求 地下埋管是钢衬、回填混凝土、岩体共同受力的组合结构。其施工程序包括洞井开挖、钢衬安装、混凝土回填和灌浆四个工序。 (1) 洞井开挖 洞井开挖要尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，以保持圆形孔口，使洞壁尽量平整，并减少爆破松动影响。另外，要合理选择施工支洞的高程和位置，以方便出碴、运输钢衬和混凝土浇筑，并考虑作为永久排水洞和观测洞。钢管管壁与围岩之间的净空间尺寸，根据施工方法和结构布置(开挖、回填、焊接等施工方法以及有无锚固加劲环等)确定。需要在管壁外侧进行焊接者，两侧和顶部至少留0.5m，底部至少留0.6m。加劲环距岩壁至少0.3m。应尽量减少现场管外焊接，减小加劲环高度，以减少岩石开挖和混凝土回填方量。 (2) 钢衬安装 钢衬一般在工厂制成一定长度的管节，运输到洞内，用预埋锚件固定，校正圆度、压缝整平后进行焊接。 (3) 混凝土回填 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承受环向拉力，标号不必太高，但也不宜低于C15。更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，以保证回填混凝士密实、均匀、围岩和钢衬紧密贴合。平管的底部，止水环和加劲环附近加强振捣，严禁出现疏松区和空洞区。混凝土回填的缺陷对钢衬外压稳定非常不利。采用预埋骨料压浆混凝土和微膨胀水泥等，常会取得较好的效果。 (4) 灌浆 灌浆分为回填灌浆，接缝灌浆和固结灌浆。我国钢管设计规范规定:平洞、斜井应作顶拱回填灌浆，灌浆压力不应小于0.2MPa，但也不得大于钢管抗外压临界压力。钢管与混凝土衬圈之间如果存在超过设计允许的缝隙，应进行接缝灌浆。接触灌浆宜在气温最低的季节施工，以减少缝隙值，其灌浆压力不宜大于0.2MPa，并保证钢管在灌浆过程中的变形不超过设计允许值。基岩固结灌浆可视围岩情况、内水压力、设计假定、开挖爆破方式等情况确定，其灌浆压力不宜小于0.5MPa。 灌浆过程中，应严密监视，防止钢管失稳等事故，必要时可采取临时支护措施。灌浆后，全部灌浆孔必须严密封闭，以防运行时内水外渗，造成事故。 64 — — 二、地下埋管承受内压时的强度计算 从结构上来看，地下埋管相当于一个圆筒型多层组合结构，其结构计算基于以下假定: (1) 结构中的各层材料(钢材、混凝土、岩石等)均处于弹性状态，且为各向同性体; (2) 钢衬安装后回填混凝土之前，围岩已经充分变形，故混凝土层和钢衬中不存在初始应力; (3) 在钢衬与混凝土、混凝土和围岩之间存在微小的初始缝隙。 地下埋管的结构分析方法，根据缝隙条件和覆盖围岩厚度，分为钢管与围岩共同承受荷载和由钢管单独承受荷载两类情况。单独承担和载情况的计算与明钢管相同。共同承担荷载时，地下埋管在内压作用下发生变形，变形前后的状态和荷载传递情况见图8-39所示。图的上下两部分分别为地下埋管受内水压力前后的部分横断面图。埋 图8-39 地下埋管的变形 管承受内压后，钢衬发生径向位移，待缝隙消失后，继续向混凝土衬圈传递内压，使混凝土内发生环向拉应力，从而在衬圈内产生径向裂缝。内压通过混凝土楔块继续向围岩传递，围岩产生向外的径向位移并形成围岩抗力，使埋管在内压下得到平衡。如果缝隙是均匀的，岩石又是各向同性的，那末地下埋管是对称的组合圆筒结构，在均匀内压下的位移和应力可按平面应变下的相容条件得出解析解答。地下埋管承受内压时的计算包括两方面，其一是在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力ζ，其二是在已知θ钢衬允许应力的情况下求解钢衬厚度。 65 — — 在内水压力P作用下，设已经开裂的混凝士衬圈与围岩之间的径向接触应力为q，则根据衬圈楔块的力的平衡条件，钢衬与衬圈之间的接触应力: qr3 (8-40) P,cr2 钢衬在内压P和外压P作用下的环向拉应力: c ，， (8-41) ,,P,Pr/,,c1 钢衬的径向位移(离心方向): 2,rP,Pr，，,c11 ,,, (8-42) st,,EE, 2, E,E/(1,,) 上二式中:E——钢衬的弹性模量; μ——钢衬的泊松比。 混凝士衬圈的楔块仅在径向受到P及q的作用，在混凝土浇筑质量得到保证的情c 况下，其径向压缩位移量很小，可以忽略不记。围岩在内压q作用下的径向位移 (8-43) ,,q/Kr 式中，K称为围岩的抗力系数，其定义是围岩中给定半径的圆形孔口受均匀内压作用下，孔周发生1cm径向位移值时所需的均匀内压值，单位为MPa/cm。工程上常使用单位抗力系数K，即半径为100cm的孔口受均匀内压时，孔周发生1cm径向位移值时0 均匀内压值，如果围岩是线弹性体，则存在下列关系 K,100K/r (8-44) 03 于是 (8-45) ,,qr/100Kr30 根据钢衬、混凝土衬圈和围岩径向位移必须相容的条件，有 ,,,，,str 将各表达式代入化简，并考虑r?r，可得 212,,,,Prr111,,,,Pr (8-46) ,,,，1c,,,,,,E,E,100K0,,,, 2,,,,Prr111,,,,qr (8-47) ,,,，3,,,,,,E,E,100K0,,,, 因此可以得出钢衬应力的计算公式，或在给定钢管构件抗力限值的情况下，求管壁厚度的计算公式: 66 — — Pr，100K,10, (8-48) ,,,,，100Kr/E01 ,,Prr,11,,, (8-49) ,，K,1000,,,,,ERR,, 三、影响钢衬应力的因素 对钢衬应力影响比较大的是岩体特性和初始缝隙。 1(围岩单位抗力系数K的影响 0 首先看一下单位抗力系数K的影响程度。设有一地下埋管，其r=200cm，δ,011.2cm、P,2MPa，Δ,0时，K分别等于0(围岩无抗力)及40MPa/cm，则钢衬应力由0 333MPa降为85.5MPa。可见K值是很重要的。 0 但是工程设计中很难准确地选取K值。因为岩体中常存在比较软弱的节理和裂隙，0 所以岩体本身并不是线弹性各向同性体，在试验室中也无法准确地确定岩体的参数，所以岩体的参数只有靠大规模现场试验或工程经验确定。但一方面现场试验成本高，另外隧洞线路较长，各部分的参数不尽相同，且试验探洞的部位以及荷载大小等都对结果有影响，所以选用计算参数时要非常谨慎。 在确定了岩体的弹性模量E和泊松比μ后，可以由下式计算单位抗力系数K rr0 (8-50) K,E/100(1，,)0rr 2(初始缝隙值Δ对钢衬应力的影响 初始缝隙值Δ对钢衬应力的影响也可由下面的算例看出，设r=200cm，δ,1.2cm、1 P,2MPa，K,40MPa/cm，则Δ由0变为1mm时，钢衬应力由85.5MPa增加到171MPa。 0 初始缝隙值Δ的变化很大，影响其大小的因素很多，也相当复杂，不易准确确定。初始缝隙主要由以下几种缝隙组成: (1) 施工缝隙Δ:回填的混凝土在凝固过程中释放的水化热使钢衬膨胀，混凝土0 凝固以后温度恢复正常，混凝土和钢衬均发生收缩，在钢衬和混凝土以及混凝土与岩石之间形成缝隙。 施工缝隙的大小与混凝土的收缩和施工质量有很大关系，各工程和钢管的不同部位也都不相同。平洞和坡度较小的斜井在浇筑混凝土时，钢管两侧易于平仓振捣，回填混凝土的质量较易保证;而顶、底拱部位易于形成较大空隙，故施工缝隙沿管周的分布是不均匀的。减小施工缝隙的有效措施是提高混凝土垫层的浇筑质量和进行回填及接缝灌浆。一般情况下，如果管外的混凝土填筑质量很好，并进行了认真的接缝灌 67 — — 浆，则Δ可取0.2mm。 0 (2) 岩石的塑性蠕变缝隙Δ。岩石不是完全弹性体，在长期反复荷载作用下，有rc 部分变形在卸荷后不能复原，形成残余变形，且在一定时间内会逐渐增大，其原因是岩体的节理和裂隙在加荷后闭合而卸荷后不能完全复原，这种残余变形称为塑性蠕变缝隙。塑性蠕变缝隙的大小与岩体的破碎程度有关。完整岩体的残余变形很小。例如，我国某电站埋管，围岩较好，建成后5年之内实测的钢衬应力基本没有变化。对于较破碎的岩体进行固结灌浆，封堵节理和裂隙，能有效地减小岩体的残余变形。 日本东川电站的现场试验研究表明，岩体的残余变形和弹性变形存在良好的相关关系，残余变形可用与弹性变形的比值β表示，即 r rPc2 (8-51) ,,(1，),,rcrrEr 该电站实测的β=0.3,0.6。 r (3) 温度收缩缝隙。钢管通水后，因水温较低，钢管和围岩冷却收缩，与混凝土垫层间形成缝隙。在埋管水压试验的稳压阶段，在一定时间之内钢衬应力会随时间逐渐增大，就是由于钢衬和围岩因热交换逐渐冷却的结果。钢衬的径向温降收缩可用下式计算 ,,,(1，,),trstsss 式中，和分别为钢材的线胀系数和泊松比，为钢衬充水前后的温差。 ,,,tsss 如果施工季节选择不当，Δ可以达到相当数值。 st 围岩破碎区和开裂的混凝土衬圈，温降后缝隙值增加。其径向变位为 , ,,,,tr,rtrr1r ,式中，和分别为围岩的线胀系数和岩壁充水前后的温差，为围岩破碎区影响,,,trrr 系数，可按表8-6查取。 实际计算中，总缝隙值取上述三种缝隙之和: Δ=Δ+Δ+Δ (8-52) 0strc 但在实际计算中，由于岩性比较复杂，围岩和混凝土衬圈收缩引起的缝隙值难以精确确定，且数值不大，一般可以不计。 , 表8-6 取 值 ,r r/r 1 2 3 5 7 9 10 11 41’0 0.8389 1.460 2.312 2.822 3.089 3.151 3.170 Δ r 68 — — 四、地下埋管的抗外压稳定分析 地下埋管的钢衬也存在外压作用 下失稳的问题。国内外地下埋管发生 的事故中，钢衬破坏大多是由于受外 压失稳造成的。这是因为地下埋管是 一种薄壳结构，承受内压的潜在能力 相当高，而其抵抗外压的能力较低， 但管道放空时所受外压力的值可能远 高于大气压力。 (一) 钢衬的外压荷载 地下埋管钢衬所承受的外压力有 以下几种: 图8-40 钢衬外压失稳 (1) 地下水压力。钢衬所受地下水 压力值，可根据勘测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分析水库蓄水和引水系统渗漏等因素对地下水位的影响。地下水位线一般不应超过地面。 (2) 钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。接缝灌浆压力一般为0.2MPa。 (3) 回填混凝土时流态混凝土的压力。其值决定于混凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次浇筑高度。 (二) 埋管钢衬在外压下失稳的特征 钢村承受流态混凝土压力时，因钢衬尚无约束，类似明钢管承受外压。钢村在承受地下水压力和灌浆压力时，已经受到混凝土垫层的约束。灌浆压力沿管周不是均布的，地下水压力则可认为是均布的。 埋管钢衬在周围岩石的约束下承受外压力产生变形时，与地面钢管有很大不同，如图8-40所示。如果外压值增加到一定值时，钢衬将发生塑性流动而导致大变形，部分钢衬脱离混凝土，而其余部分钢衬则与混凝土紧密接触，此时钢衬已丧失其使用性能，其相应的外压力为临界压力。 埋管钢衬的临界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值直接有关。这是埋管与明钢管外压下失稳的重要区别。 69 — — (三) 钢衬临界外压力计算 1(光面钢管 在均匀外水压力作用下，光面钢管的计算公式颇多，在我国比较常用的是阿姆斯图兹(Amstutz)公式。国内外实际工程的地下埋管失稳破坏和模型实验失稳破坏的实例说明，其破坏形态与阿氏公式假设的变形形态相符，阿氏公式的计算结果比较接近模型试验值。因此我国钢管设计规范推荐阿氏公式作为主要计算公式。阿氏假定，当外压超过钢衬的临界外压时，一部分的钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内，两个向外，如图8-40所示。在被压屈部分，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度ζ。s根据以上假定，阿氏导出的临界外压力的公式为 3/22，，,,,,,,rrr,，，,,s0N11N1= (8-53) ,,,3.46()10.45,,E，1，12,,,,,,,s0NN,,,,,,ErE,,,，，,,,,1,,，， ,NP, (8-54) cr,,r,r()，，1s0N1，10.35,,,,,E，， 其中 ζ——钢衬屈曲部分由外压直接引起的环向应力; N 2 ,,,/1,,，,ss0 2, E,E/(1,,) ss 计算时由式(8-53)先用试算法求出ζ，再由式(8-54)求P。 Ncr 如果采用高强度钢，若ζ>0.67ζ(ζ为钢材的极限强度)，则采用ζ=0.67ζ。 sbbsb 需要指出的是，影响埋管外压稳定的因素很多，而且很多因素难于确定，例如外压力的大小和分布，缝隙的大小和分布，钢衬的不圆度和局部缺陷等。因此理论公式的计算结果只能起参考作用。初步计算时也可用下面的经验公式: 1.7,,,0.25,, P612, (8-55) ,crs,,r1,, 该公式是根据38个不同国家、不同试验者在不同时期得出的模型试验资料，用回 2归分析的方法建立的，其相关性很好。计算时，P和σ的单位均采用N/mm。 crs 2(有加劲环的埋管 地下埋管的外压稳定是设计中的主要问题，所以也常常采用增加加劲环的方法来 70 — — 提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。 有加劲环的埋藏式钢管的抗外压稳定计算包括加劲环间管壁的稳定计算和加劲环断面的稳定计算两个方面。 (1) 加劲环的稳定分析 加劲环断面的稳定分析理论上也可以按照埋藏式光面管公式进行，但需要按加劲环的有效截面进行计算。但实际上，加劲环嵌固在混凝土中，向内变形时约束大，很难像光滑管壁那样脱离混凝土向内屈曲，所以一般可以不考虑加劲环的外压稳定性问题，而按强度条件控制，即钢衬在外压作用下加劲环内平均压应力不超过材料屈服强度的条件来确定临界压力: (8-56) P,,F/rlcrs1 式中: F——加劲环有效截面; l——加劲环间距。 (2) 加劲环之间的管壁外压稳定 对加劲环之间的管壁外压稳定，目前没有合理的计算方法，可以套用带有加劲环的明管的外压稳定计算公式，即认为缝隙值很大，这样偏于安全。 (四) 防止埋管钢衬受外压失稳的措施 工程上一般可以采用下面的几种措施来提高钢衬的抗外压稳定性: (1) 降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法，比较广泛采用的方法是排水廊道结合排水孔; (2) 精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小缝隙。但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时措施或限制灌浆压力; (3) 流态混凝土的外压力稳定可用临时支撑解决或限制浇筑高度。 五、不用钢衬砌的地下管道 为了节约投资和加快施工进度，取消钢衬是近代埋藏式压力管道设计的一个发展方向。充分利用围岩承担内水压力是其设计的指导思想。 地下管道的衬砌形式除钢板衬砌外，尚有混凝土及钢筋混凝土衬砌、预应力混凝土衬砌和具有防渗薄膜的混凝土衬砌等。 1(混凝土及钢筋混凝土衬砌 混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌在低水头压力管道中应用较多，但若用于高水头情 71 — — 况，在内水压力作用下，混凝土衬砌难免开裂，所以应用较少。在高水头情况下，防渗和承担内水压力主要靠围岩。因此，其工作机理与不衬砌隧洞相似。衬砌主要只能起到平整洞壁的作用。为了防渗和承担内水压力，围岩必须较新鲜完整，同时，其原始的最小主压应力应不小于该点的内水压强，并有1.2,1.4的安全系数，以防在充水后围岩被水力劈裂。洞室开挖后的二次应力与充水后的三次应力不但与洞室的尺寸和形状有关，而且决定于原始地应力场。因此，确定原始地应力场是地下工程设计的重要内容。但对小型工程和在设计的初步阶段，由于地质资料不足，原始地应力场难以确定，在这种情况下，也可根据岩石的覆盖厚度初步确定管道的位置和线路。根据挪威的经验，管顶以上岩体的最小覆盖厚度应满足 ,KHw (8-57) L,r,cos,r 式中 L——计算点至岩面的最小距离，见图8,41; r γ、H——水的容重和计算点的静水压; w γ、α——岩体容重和山坡倾角; r K——安全系数，可取1.2,1.4。 围岩的覆盖厚度除满足上述要求外，还应该是新鲜完整的，以满足防渗要求。 图8-41 围岩覆盖厚度 2(预应力混凝土衬砌 预应力混凝土衬砌是在管道充水之前在衬砌中施加预压应力，使管道充水后衬砌中不出现拉应力，或在局部只有很小的拉应力。混凝土衬砌中预压应力的施加方法主要有以下三种: (1) 高压灌浆。在混凝土衬砌与围岩之间进行高压灌浆，给衬砌施加预压应力。这种方法简单可靠，应用较广，但要求围岩新鲜完整，并有足够的厚度。 (2) 钢缆施压。在混凝土衬砌外围预设钢缆，待混凝土强度足够后，张拉钢缆给衬 72 — — 砌施加预压应力。这种做法安全可靠，对围岩的要求不高，但施工复杂，造价较高。 (3) 用膨胀混凝土衬砌。在混凝土的凝固过程中，因自身膨胀形成压应力。若围岩不够完整或覆盖厚度不够，可在衬砌靠围岩一侧布置钢筋，使其在衬砌混凝土的膨胀过程中承受拉应力，以确保混凝土能够形成足够的压应力并减小混凝土膨胀在围岩中引起的应力。 第十节 混凝土坝体压力管道 一、混凝土坝体压力管道的特点、类型和布置 混凝土坝体压力管道是依附于混凝土坝身，即埋设在坝体内或固定在坝面上，并与坝体成为一体的压力输水管道。其特点是结构紧凑简单，引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好，造价低，运行管理集中方便，但是管道安装会干扰坝体施工，坝内埋管空腔削弱坝体，使坝体应力恶化。 混凝土重力坝和坝内钢管及坝后厂房是应用非常广泛的传统型式，近年来混凝土坝下游面压力管道也逐渐得到应用，混凝土坝坝式水电站采用坝体管道的愈加普遍。常见的混凝土坝体压力管道分为两种:坝内埋管、坝体下游面钢管(坝后背管)。 二、坝内埋管 坝内埋管的特点是管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。 (一) 坝内埋管的布置 坝内埋管在坝体内的布置原则是:尽量缩短管道的长度;减少管道空腔对坝体应力的不利影响，特别要减少因管道引起的坝体内拉应力区的范围和拉应力值;还应减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道本身的安装和施工。 在立面上，坝内埋管有三种典型的布置形式: (1) 倾斜式布置:管轴线与下游坝面近于平行并尽量靠近下游坝面，如图8-42所示。其优点是进水口位置较高，承受水压小，有利于进水口的各种设施布置;管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行，可以减轻管道周围坝体的应力恶化;与坝体施工干扰较少。缺点是管道较长，弯段多。此外，管道与下游坝面间的混凝土厚度较小。 (2) 平式和平斜式布置:管道布置在坝体下部，如图8-43所示。优缺点与倾斜式布置相反。对于拱坝，坝体厚度不大，而管径却较大时， 常采用这种布置方式。 73 — — 图8-42 倾斜式布置 图8-43 平斜式布置 (3) 竖直式布置:管道的大部分竖直布置，如图8-44。这种布置通常适用于坝内厂房，或者为了避免钢管安装对坝体施工的干扰，在坝体内预留竖井，后期在井内安装 74 — — 钢管。缺点是管道曲率大，水头损失大，管道空腔对坝体应力不利。 在平面上，坝内埋管最好布置在坝段中央，管径不宜大于坝段宽度的三分之一。这样，管外两侧混凝土较厚，且受力对称。通常在这种情况下，厂坝之间有纵缝，厂房机组段间横缝与坝段间的横缝相互错开，如图8-45(b)。坝与厂房之间不设纵缝而厂坝连成整体时，由于二者横缝也必须在一条直线上，管道在平面上不得不转向一侧布置，这时钢管两侧外包混凝土厚度不同，如图8-45(a)。 坝内埋管(以及其它型式的坝体管道)采用坝式进水口，其布置和设施必须满足进水口的所有要求。进水口的拦污栅一般布置在坝体悬臂上以增加过水面积，检修闸门及工作闸门槽通常布置在坝体内，紧接门槽后是由矩形变为圆形的渐变段，然后接管道的上水平段或上弯段;有时渐变段可与上弯段合并，渐变段直接联接斜直段。 进水口位于坝体内，过水断面较大，宜做成窄高型，渐变段要尽量短，以便较快过渡到圆形断面，这样有利于闸门结构及坝体应力。 应注意保证通气孔的必要面积和出口高程及合理位置，以免进气时产生巨大吸入气流，影响通气孔出口附近设备及运行人员安全。应使进口处所设充水阀和旁通管面积不过大，以免充水时从通气孔向外溢水和喷水，影响厂坝之间电气设备的正常运行。 图8-44 竖直式布置 75 — — (a) (b) 图8-45 管道在坝内的平面布置 (二) 坝内埋管的结构计算 坝内埋管的结构计算可以用有限元方法或近似解析法，下面主要介绍近似解析法。从与管道轴线方向垂直的平面内截取单位厚度，并假定其属于轴对称平面应变问题，其计算简图如图8-46。根据钢管、钢筋和混凝土的变形协调关系，推导出计算公式。其计算步骤如下: (1) 判断混凝土开裂情况。在内水压力作用下，钢管外围混凝土可能有未开裂、开裂但未裂穿和裂穿三种情况。首先，假定钢管的壁厚δ和外围钢筋的数量(将钢筋折算成连续的壁厚δ)，根据图9,47判别混凝土的开裂情况。 3 若混凝土未裂穿，可由下式进一步推求混凝土的相对开裂深度 ,,rr45 222,,，，,,,,,,,,,,,r,,PErr1,E1，,,3500,,,,,= (8-58) ,,,1，，ln，，,,,,c22,,,,,1Errr1，,,r,,,,c033,,,,st5，，,, 2,E,E/(1,,) s 2,E,E/(1,,) ccc ,,,,/(1,,) ccc 式中 P——内水压强; 76 — — 图8-46 坝内埋管计算简图 图8-47 混凝土开裂情况判断图 r、r——钢管和钢筋层半径; 03 E、μ——钢材的弹性模量和泊松比; s E、μ——混凝土的弹性模量和泊松比; cc ζ——判断混凝土开裂的拉应力取值; ct ?——钢管与混凝土间的缝隙。 式(8-58)中的ψ有双解，取其小值。若ψ,r/r，表示混凝土未开裂;若ψ,1，则05 混凝土已裂穿。ψ用试算求解，也可查压力钢管设计规范中的曲线。 (2) 计算各部分应力 1) 混凝土未开裂。混凝土分担的内水压强 ,,E,P,2r0P, (8-59) 122,,,,rr，E50,,,1，，,c22,,,Errr,c050,, 混凝土内缘的环向应力 77 — — 22，P(rr)150 (8-60) ,,c22,rr50 钢筋的应力可用下式计算 Es (8-61) ,,,3cEc 钢管的环向应力 (P,P)r10, (8-62) ,1, 2) 混凝土未裂穿。混凝土部分开裂，钢筋应力 ,,，，,,,rrE,,ss,, (8-63) ,m，n,,,,ln,,,,,3l,,,Err,,,,c33，，,, 2,1,,m, 21，, 21,，, n,,，c21,, 钢管的环向应力 ,rE,,33 (8-64) ,，,1rr00 3) 混凝土裂穿。此时混凝土不能参与承载，钢管传给混凝土的内水压强 ,,E,P,2r0 P, (8-65) 1r,31，r,30 钢管的环向应力 (P,P)r10, (8-66) ,1, 钢筋的环向应力 P1, (8-67) ,r30,3 上述计算为内水压力作用下的应力计算。除此以外，坝体荷载也会在孔口周围产 生附加环向应力。应将这两种作用产生的环向应力叠加，再进行配筋计算。如果求出 的钢筋数量不超过并接近假定的钢筋数量，则认为满足要求。否则应重新假定钢筋数 量，再进行上述计算，直到满意为止。 78 — — (三) 坝内埋管钢衬的抗外压稳定性 坝内埋管钢衬抗外压失稳分析的原理和方法与地下埋管钢衬相同。坝内埋管钢衬的外压荷载主要有外水压力、施工时的流态混凝土压力和灌浆压力。施工期临时荷载，不宜作为设计控制条件，应靠加设临时支撑，控制混凝土浇筑高度等工程措施来解决。钢衬所受外水压力来源于从钢衬始端沿钢衬外壁向下的渗流。渗流水压力可假定沿管轴线直线变化。 为安全计，钢衬最小外压力不小于0.2MPa。钢衬上游段承受的内压值小，管壁薄，但钢衬外渗流水压大，是抗外压失稳的重点。应该在钢衬首端采取阻水环等防渗措施，并在阻水环后设排水措施，这样可以比较有效地降低钢衬外渗压。接缝灌浆可减小缝隙，也有利钢衬抗外压失稳。坝内埋管钢衬在放空时外压失稳的事故比较少见。 三、坝后背管 为了解决钢管安装与坝体混凝土浇筑的矛盾，一些大型坝后式水电站将钢管布置在混凝土坝的下游坝面上，形成下游面管道，或称为坝后背管。下游面管道除进水口后一小段管道穿过坝体外，主要部分沿坝下游面铺设，如图8-48。 与坝内埋管相比，下游面管道有如下优点:便于布置;减少管道空腔对坝体的削弱，有利于坝体安全;坝体施工不受管道施工与安装的干扰，可以提高坝体施工的质量，并加快进度和提前发电;管道可以随机组的投产先后分期施工，有利于合理安排施工进度，且减少投资积压，机组台数较多时，效益更为显著。 混凝土坝下游面管道有两种结构型式:坝下游面明钢管和坝下游面钢衬钢筋混凝土管。 1(坝下游面明钢管。现场安装工作量小，进度快，与坝体施工干扰小。但当钢管直径和水头很大时，会引起钢管材料和工艺上的技术困难。敷设在下游坝面上的明管一旦失事，水流直冲厂房，后果严重。 2(坝下游面钢衬钢筋混凝土管。管道是内衬钢板外包钢筋混凝土的组合结构，用坝下游面的键槽及锚筋与坝体固定。钢衬与外包混凝土之间不设垫层，紧密结合，二者共同承受内水压力等荷载。这种管道结构的优点是: (1) 管道位于坝体外，允许管壁混凝土开裂，使钢衬和钢筋可以充分发挥承载作用; (2) 利用钢筋承载，减少了钢板厚度，避免采用高强钢引起的技术和经济问题; (3) 环向钢筋接头是分散的，工艺缺陷不会集中，因此可以避免钢管材质及焊缝缺 79 — — 陷引起的集中破裂口带来的严重后果; (4) 减少外界因素对管道破坏的可能性，在严寒地区有利于管道防冻。 图8-48 坝下游面管道 80 — —