地下钢筋混凝土压力管道设计

1FJD34180FJD水利水电工程技术设计阶段地下钢筋混凝土压力管道设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年8月2工程技术设计阶段地下钢筋混凝土压力管道技术设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目次1引言42设计依据文件和规范43基本资料44设计原则与假定65设计工作内容与方法76专题研究197工程量计算198应提供的设计成果204引言工程位于，是以为主，等综合利用的水利水电枢纽工程。上水库或上水池正常蓄水位、坝高；下水库或下水池正常蓄水位、坝高；地下钢筋混凝土压力管道或称高压管道静水头、最大水锤压力增值、总水头；管道直径、管道长度，管道条。本工程初步设计于年月审查通过。2设计依据文件和规范21有关本工程的文件1工程可行性研究报告；2工程可行性研究报告审批文件；3工程初步设计报告；4工程初步设计报告审批文件；5专题报告。22主要设计规范1SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准山区、丘陵区部分试行及补充规定2SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范试行3SD13484水工隧洞设计规范试行4SD14485水电站压力钢管设计规范试行5DL/T50581996水电站调压室设计规范688水规设字第8号水利水电工程设计工程量计算规定3基本资料31工程等级及建筑物级别1根据SDJ1278表1确定本工程为等工程。2根据地下钢筋混凝土压力管道在电站枢纽工程中所处的位置及其重要性，压力管道为级建筑物。32水文与气象资料范本是按SDJ2078编写的，如用新规范SL/T19196或DL/T50571996，则有关内容需作相应修改。提示尚可根据情况，简述本电站的规模，在电力系统中的作用等。51水库水池水温与气温，如表1。表1水库水池水温与气温单位月份项目与位置123456789101112多年平均上水库上水池月平均气温下水库下水池上水库上水池月平均水温下水库下水池2上水库上水池与下水库下水池的水位流量关系曲线。33高压管道区域的地形、地质资料331高压管道区域的地形资料高压管道区域的地形图1100012000。332高压管道区域围岩工程地质资料1地质平、剖面图110001500。2围岩分类及岩体物理力学指标，见表2。表2高压管道围岩分类及岩体物理力学指标表围岩类别项目名称岩体特征围岩性状断层出露宽度比，以10M洞长计岩石强度单轴饱和抗压强度RW，MPA地震波纵波速度VP，M/S岩体完整性系数KV裂隙发育组数裂隙发育频率，条/M岩体完整性岩体质量指标RQD，动弹模E0，MPA静弹模E0，MPA静变模ED，MPA饱和容重W，KN/M3泊桑比岩体物理力学指标抗拉强度T，MPA6弹性抗力系数K0，MPAF抗剪断强度C，MPA3地应力1实测地应力资料测试方法，地应力数值与方位、倾角。2地应力回归计算后资料。4高压管道区的地温资料。5本工程的地震基本烈度为度，高压管道设防烈度为度。333高压管道区域围岩水文地质资料高压管道围岩水文地质指标，见表3。表3高压管道围岩水文地质指标岩石类别单位吸水量，L/MINMM渗透系数，M/S说明表中的数字均为岩体的单位吸水量及渗透系数。34建筑材料物理力学性质建筑材料的物理力学性质参数，见表4。表4建筑材料物理力学性质指标材料名称标号或等级容重，KN/M3静弹模，MPA泊桑比抗压强度，MPA抗拉强度，MPA混凝土钢筋喷混凝土35衬砌糙率36管道开挖及混凝土衬砌的施工方法37引水系统水力水力过渡过程计算结果4设计原则与假定41设计原则1高压管道的设计，除执行本大纲外，还应符合有关规程、规范、标准的规定和要求。2高压管道设计应做到因地制宜、技术先进、经济合理、运行安全可靠。3设计前应注重调查研究、深入现场，认真收集和分析研究有关工程地质、水文地质、地应力、地形地貌等设计资料。42设计假定421钢筋混凝土衬砌的作用提示关于高压管道在不同工况下的压力、流量、流速等。71使管道表面平整，减少糙率；2承受围岩压力、或与围岩共同承受外水、内水压力及其它荷载；3为高压固结灌浆提供有效灌浆塞的位置；4减少内水外渗。422若高压管道围岩的岩性质量好，衬砌开裂后，内水外渗不致危及围岩及相邻建筑物的安全时，可假定围岩承受绝大部分的内水压力，其数值可通过有限元分析或变形协调条件推导的公式求得。钢筋的作用主要是限制混凝土裂缝开展宽度，同时只承受极小的内水压力，即按限裂设计。423高压固结灌浆，除了起到加固围岩、防止高压水沿构造带渗流的作用外，作用在混凝土衬砌的有效预压应力，将钢筋应力限制在一定的范围内，使在内水压力作用下的混凝土衬砌的裂缝开展宽度得到控制。上述预压应力在缝宽计算时不予考虑。此外，对高压管道围岩应力释放区的高压固结灌浆，将使管道围岩的地应力得到调整，起到加强围岩与混凝土衬砌的联合作用。高压灌浆产生的对混凝土衬砌及灌浆区围岩的预压应力作用、以及有利的地应力调整，增加了高压管道的安全度。5设计工作内容与方法51地下钢筋混凝土压力管道设置条件及位置选择511地下钢筋混凝土压力管道设置条件1高压管道处的地质条件良好。深埋在岩体中，围岩较完整，大部分属、类围岩。2高压管道上覆围岩厚度，应满足上抬理论的要求。对高压管道沿线围岩覆盖厚度的校核，可参照下述经验公式进行。1公式1见图11式中CRM最小岩层覆盖厚度；管内静水头；水容重；R岩石容重；山体平均坡角；K设计采用的安全系数K11。COSRWMRKHC82公式2见图223式中CRV最小垂直岩层覆盖厚度；CRH最小水平岩层覆盖厚度；静水头；水容重；K0大于1的安全系数，对不衬砌管道，K0宜取15。图23高压管道区的最小地应力，宜大于高压管道的静水头，但经过论证其最小地应力可接近高压管道静水头。4围岩的透水性小。512高压管道位置选择1高压管道的线路，应综合考虑地形、地质、水力学、施工、运行、枢纽总布置等各种因素，通过可能方案的综合技术经济比较选定。2在满足枢纽总布置要求的条件下，高压管道的管线宜选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、上覆岩层厚度大、水文地质条件有利及施工方便的地区。3高压管道的管线与岩层、构造断裂面及主要软弱带，应尽量具有较大的夹角。在整体块状结构的岩体中，其夹角不宜小于30；在层状岩体中，其夹角一般不宜小于45。高地应力地区的高压管道，从围岩稳定考虑，宜使管线与最大水平地应力方向一致或尽量减小其夹角。4相邻两钢筋混凝土衬砌的高压管道间的岩体厚度，应根据布置需要、地质条件、施0KHCRWSVVH2图19工方法与运行条件一管有水、邻管无水等因素，综合分析决定。对一管有水、邻管无水的运行条件，宜通过渗流场分析，确定两管间的岩体厚度。5管线在平面上应尽可能布置为直线，如由于布置或其它原因采取曲线时，则应采用较小的转角，弯曲半径不宜小于5倍管径。当转角大于15时，应从施工要求考虑加大弯曲半径如针梁模板，在大于上述转角时，弯曲半径不宜小于100。6管身段必须设置竖曲线时，竖曲线半径不宜小于5倍管径。此外，布置竖曲线时，应考虑采用的施工方法。7高压管道的纵坡，应根据水利枢纽的总体布置、底部高程、地形与高压管道埋深要求的关系，以及施工和检修条件等诸因素综合考虑确定。沿程纵坡不宜变化过多，应避免设置反坡。8由于高压管道结构是按限制裂缝开展宽度计算的，故此高压管道的位置应与地下厂房等建筑物保持一定距离，以保证高压管道混凝土衬砌开裂后产生的渗流，对上述建筑物不会产生有害的影响。钢筋混凝土高压管道与厂房之间宜布置一段钢管，以达到上述目的。52地下钢筋混凝土压力管道的水力计算及横断面尺寸管径决定521水力计算1水力计算是高压管道设计中的重要环节之一，应予以重视。计算的内容有1过流能力；2水头损失；3水力过渡过程计算，其计算工况包括按上游水库正常蓄水位和电站机组满载发电运行时丢弃全部负荷作为设计情况；按上游设计洪水位满载发电时丢弃全部负荷情况作为校核情况。对抽水蓄能电站，除计算上述发电工况外，还应计算上、下游水库正常蓄水位电站满载抽水丢弃全负荷的情况，以确定尾水压力管道的最大内水压力。此外，还应研究高压管道充水、放水和流态等水力现象。2高压管道的过流能力，应根据水流条件按有压管道计算。3高压管道的水头损失，可按压力管道用伯努利能量方程计算其沿程损失及局部损失。对抽水蓄能电站，应分别计算发电工况及抽水工况的水头损失。522断面尺寸管径决定1高压管道的断面尺寸即管径，应作为引水系统的一部分，进行经济管径计算，即根据管道工程费用和能量损失费用之和为最低的原则分析决定。2高压管道的水流流速，在发电工况或抽水工况的情况，均在经济流速的范围内。53地下钢筋混凝土压力管道结构计算10531混凝土衬砌厚度钢筋混凝土高压管道的衬砌厚度，应根据强度、构造要求、并结合施工方法分析决定。其中抗外压要求的混凝土衬砌厚度，按厚壁圆筒公式计算，详见图3。切向应力为4当时，切向应力最大，即56用4式，可求出当外压作用在混凝土衬砌外边缘时，所需的衬砌厚度。式中可取混凝土抗压强度，用负值代入；为外压，包括放空管道检修时的外水压力与作用在混凝土衬砌上的高压灌浆产生的有效预压应力之和。图3厚壁圆筒承受外压QB的应力沿壁厚分布532荷载作用在衬砌上的荷载，按其作用的情况，分为基本荷载和特殊荷载两类。1基本荷载BQA221B2BQA111长期或经常作用在衬砌上的荷载，如设计条件下的内水压力水库正常蓄水位及调压室中产生最高涌浪时，相应管道内的水压力，由水道水力过渡过程计算确定、稳定渗流情况下的地下水压力、围岩压力、衬砌自重、高压固结灌浆对衬砌产生的有效预压应力等。2特殊荷载出现机遇较少的，不经常作用在衬砌上的荷载，如校核洪水位时的内水压力和相应的地下水压力、施工荷载、温度荷载、灌浆压力及地震荷载等。533荷载组合计算荷载应根据上列两类荷载同时存在的可能性，分别组合为基本组合和特殊组合两类。在衬砌计算中应采取各自最不利的组合情况，并分别采用不同的安全系数，其值按SDJ2078规定采用。534结构分析方法的选取535地下钢筋混凝土高压管道结构分析5351高压管道的钢筋布置由于高压管道常有较大的埋深，一般来说其配筋量是按限裂计算确定的，通常采用在内层布置单层钢筋的办法控制混凝土的裂缝宽度。如果布置两层钢筋，亦宜将两层钢筋均布置在衬砌内侧。5352用结构力学法考虑高压管道混凝土衬砌开裂的钢筋面积计算按SD13484有关公式计算。1在、类围岩的管道，直径D小于6时，只按内水压力作用的衬砌静力计算公式计算钢筋面积提示1外水压力当高压管道上部设有排水廊道时，其检修状态下管道衬砌所承受的外水压力，应根据排水廊道的高程与位置予以折减。一般情况下排水廊道高程以下的外水压力按全水头考虑，排水廊道高程以上者应按围岩类别进行折减。2衬砌自重当内水压力或外水压力远大于衬砌自重时，为简化计算，可忽略混凝土衬砌自重影响。提示1高压管道结构计算，在本阶段可根据围岩的分类、荷载作用形式与施工条件等，选用结构力学法、弹性力学法及有限元方法分析。一般情况下，管道四周的围岩稳定性较差，自承力越差，越宜采用偏于安全的方法如结构力学法分析。当用结构力学法分析无法满足裂缝开展宽度时，可按实际的地质断面进行高压管道的有限元分析。2当静水头不按边界力处理而按渗透场考虑时，应作专题研究。上述处理方法仅适用于、类围岩为主的管道段。1278910式中F内圈环向钢筋面积，CM2/M；G钢筋的允许应力，KN/CM2；R钢筋的设计强度，N2；KG钢筋混凝土结构构件的强度安全系数；P均匀内水压力，KN/CM2；E钢筋的弹性模量，N2；K0围岩的单位弹性抗力系数，N3；R高压管道混凝土衬砌内半径；R0高压管道混凝土衬砌外半径；E混凝土弹性模量，N2；E考虑混凝土开裂的弹塑性模量，N2。按7式计算的钢筋面积不得小于衬砌最小配筋率。钢筋应力校核，按下面11式计算11用11式计算出钢筋应力后，再按复核混凝土裂缝开展宽度。2在、类围岩的高压管道，直径D大于6或通过、类围岩的高压管道，在内水压力作用下，按7式计算钢筋截面积。其它荷载作用下，钢筋面积按式12计算，最后叠加。其值不得小于衬砌结构的最小配筋率。12式中0衬砌的有效厚度，；N除内水压力以外的其它荷载产生的轴向力总和，使衬砌断面受压应力者为正，KN；M除内水压力以外的其它荷载产生的弯矩总和，其符号，使衬砌内表面受拉应力的弯矩M为正，KN。GIIGERKMRPF011001IHIELN850GKR01GGIIGIEKFMP20GHMNF13按式13校核钢筋应力13用13式计算出钢筋应力后，再按SDJ2078复核混凝土衬砌裂缝开裂宽度。5353钢筋混凝土衬砌最大裂缝宽度允许值，按SDJ2078表10规定执行。5354用变形协调及弹性力学公式，结合钢筋混凝土限裂计算，确定横截面钢筋面积1用变形协调条件推导围岩承受的内水压力计算式承受内水压力前、后的衬砌，其相应变形变形前及变形后详见图4。1变形协调条件0（）（）14式中C为灌浆后混凝土衬砌的压缩变形；为松动圈围岩的压缩变形。2钢筋的总径向变形为0153上述各量值的表达式161718194在内水压力作用下即可推导出高压管道围岩承受的压力P20以上式中P内水压力；P围岩承受的内水压力；R衬砌混凝土内半径；R受力钢筋内半径；R管道开挖半径；R0管道开挖半径加上松动圈深度；A每米长沿管轴线方向配置钢筋面积；2010GGIIGFHMNEKFMPSRSSEARP120RLNLN0SRCRSSCRREDL01RRP1LNL201RRRSRCSRSRCRERREAR14E钢筋弹模；E0混凝土弹模；E1围岩松动区弹模；E2围岩非松动区弹模；泊松比。图4变形前及变形后的衬砌2按照SDJ2078中的限裂计算式，在确定缝宽，后，假设某一配筋量沿管轴线方向1长的配筋量，可求出相应的钢筋工作应力，采用公式如下212223以上式中平均裂缝间距，；裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，当03时，取03；1、2计算系数，可按下列数值取用，轴心受拉1016，2056。高压管道钢筋混凝土衬砌按轴心受拉考虑；FGFLE10740MAX,61DLFGR215环形受拉钢筋实际应力；受力钢筋直径，；受力钢筋的配筋率，AAA为全部受力钢筋截面面积，A为混凝土横截面有效面积；R混凝土抗裂设计强度；与受力钢筋表面形状有关的系数，螺纹钢筋取，光面钢筋取10；0钢筋初始应力，高压管道结构02000N2。3假定某一配筋量A，在满足缝宽要求的条件下，其钢筋的应力值亦可由美国混凝土协会刊物2242R86“受拉构件的混凝土裂缝宽度”求出。00145A110324A2S25式中裂缝宽度，；钢筋应力，MPA；钢筋重心至混凝土边缘距离，混凝土保护层厚度/2；钢筋直径，；S钢筋间距，。4计算步骤参见图51用21式或24式求出满足裂缝开展宽度要求的某一配筋量A沿管轴线长1相应的钢筋应力。2钢筋承受的内水压力值PS26SGRAP16图53根据力的平衡条件，求出满足混凝土缝宽要求，需加在衬砌外侧的灌浆有效预压应力值P为27式中P内水压力；PS钢筋承受的内水压力；P管周围岩承受的内水压力；R管道开挖半径；R管道衬砌内半径；R钢筋内径。5355用有限元法进行高压管道结构分析1有限元模型模拟高压管道可分为二维有限元及三维有限元模型。二维有限元模型采用平面应变单元模拟衬砌围岩及断层；三维有限元模型用厚壳等参单元模拟衬砌、围岩及RRSBRP提示1对于通过断层的高压管道，用结构力学法或弹性力学法，都无法模拟断层的位置及产状规模，只能将管周的围岩类别降低，当作全部为断层区相应的类或类围岩。这样的假设与实际情况出入较大，计算结果配筋量过大，且不一定能满足水工钢筋混凝土限裂要求。2用有限元模型可以模拟断层的位置及产状规模、断层围岩及衬砌的物理力学性质、钢筋数量、围岩加固情况等因素对结构的影响。17断层。钢筋、岩石锚杆等均可用杆单元模拟。平面有限元计算网格参见图6、图7。图6图72二维有限元模型的计算结果与三维相比较偏于安全。一般情况下，高压管道穿越断层的结构计算是高压管道结构分析的难点，上述问题可用二维有限元模型解决。3用二维有限元模型进行高压管道穿越断层区域的内水压力作用下的结构分析步骤如下1将管道开挖后实测的断层位置或由地质钻孔等方法确定的断层位置投影到横断面上，形成包括围岩、断层、混凝土衬砌、钢筋等单元的有限元网格。上述网格除钢筋用杆单元外，其余均用平面应变单元。2将内水压力按面力处理作用在混凝土衬砌内表面，求出混凝土衬砌单元的主拉应力值。3如果衬砌单元的主拉应力值大于混凝土的极限抗拉强度，则认为混凝土已开裂。4用各向异性材料单元输入混凝土开裂的单元，其中与裂缝垂直方向的混凝土弹模取一较小的值，计算出在内水压力作用下钢筋单元应力及围岩应力值。5用最大的钢筋单元应力值代入SDJ2078裂缝开展宽度计算式，可求出混凝土缝宽，此缝宽应在允许值内，否则加大配筋重算。6计算围岩的地应力通过模型边界加荷的办法实现，此时混凝土衬砌应输入一个很小弹模，以视无地应力作用在衬砌上。7地应力与内水压力在围岩所引起的应力叠加，如果叠加后仍为压应力，则内水压力18不会产生围岩的水力致裂现象。54工程措施541开挖采用光面爆破技术，减少由于爆破引起的围岩松动圈的深度。对通过断层区域，应采取埋设岩石锚杆等有效的支护措施。542灌浆1钢筋混凝土衬砌的顶部，必须回填灌浆。2回填灌浆的范围，一般在顶拱中心角90120以内，其目的在于填补顶拱由于混凝土浇筑不满而留下的空隙。故其灌浆孔深均以打穿混凝土遇到空腔为准，若无空腔时则伸入岩石5以上。3高压管道，一般情况下应进行固结灌浆。特别是对穿越断层的高压管道，更应做好对管道周断层区域的固结灌浆，以提高该区域围岩的整体性及抗渗性。固结灌浆是加固穿越断层区域的高压管道的主要工程措施，增大混凝土衬砌厚度及增加配筋量与灌浆相比为次要工程措施。4对高水头、大洞径的高压管道的固结灌浆，一般宜分两步，即浅孔低压固结灌浆及深孔高压固结灌浆。5压水试验。为了确定灌浆效果，宜在浅孔固结灌浆前进行较低压力的水压试验，在深孔高压灌浆后进行与高压灌浆压力相近的水压试验。上述压水试验宜在水压试验孔进行。建议当吸水率L2时，可认为合格，孔段合格率应在80以上。543防渗与排水1高压管道的防渗与排水设计，应根据管道沿线围岩的工程地质、水文地质、设计条件，综合分析选用堵如衬砌、灌浆、截设置防渗帷幕、排排水廊道、排水孔等措施，以改善衬砌结构和围岩的工作条件。2对于外水压力控制衬砌设计的高压管道，应研究设置排水措施，以减小外水压力。但应注意围岩可承受的水力梯度，防止高压水内水外渗。3为防止渗流的影响，钢筋混凝土高压管道与地下厂房之间，宜设一钢管段，以满足提示图6、图7为广州抽水蓄能电站高压管道通过断层带的平面有限元计算网格，供参考。提示1浅孔低压固结灌浆的目的有三点一是处理混凝土与岩石之间的接触缝隙，使之接触紧密；二是加固因爆破而产生的松动圈；三是为深孔高压固结灌浆较为坚固的塞位。其压力为1MP2MP，孔深2M3包括混凝土衬砌厚。浅孔固结灌浆，排间、排内不分序，但应从底拱孔先开灌。宜将本区段孔全部钻好才开灌，以利于排气及浆液扩散。灌浆过程中如发生串浆现象则不堵塞串浆孔，而把主灌孔移至串浆孔施灌，若多孔串浆则联灌。2深孔高压灌浆，按排间分序，排内分序，即分奇数孔及偶数孔，从底拱灌至顶