水电站压力管道讲课

水电站压力管道讲课第1页/共140页

压力管道规模及技术难度指标：管道内径D（m）和水压H（m）及其乘积HD值。目前HD最大达5000m2。以前水电站压力管道直径最大的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。现为向家坝，直径14.4m。第2页/共140页第3页/共140页第4页/共140页第5页/共140页

二、压力管道的类型及适用条件按布置方式材料明管钢管、钢筋砼管地下埋管不衬砌、锚喷或砼衬砌、钢衬砼衬砌砼坝身埋管钢筋砼结构、钢衬钢筋砼结构第6页/共140页地下埋管明管砼坝体压力管道第7页/共140页（一）按管壁材料分

1、钢管。广泛应用于中高水头电站。第8页/共140页

2、钢筋砼管。抗拉强度低，一般适用于水头较低的中小型水电站。分为普通钢筋砼管、预应力和自应力钢筋砼管、钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。

普通钢筋砼管：适应于HD＜60m2，且H<50m。

预应力和自应力钢筋砼管：适应于HD＜300m2，H≤150m。

预制管管段长一般3-5m，连接方式多为承插式接头。

现场浇制式(适用H<50m)在分段处用套管接头。

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自应力水泥：膨胀值较大的膨胀水泥。

自应力水泥的特性：依靠自身体积膨胀产生的能来张拉任何方向的钢筋，同时砼受到相应的压应力。混凝土中所产生压应力的数值称为自应力值。当自应力钢筋砼管在外力作用下产生较大的拉应力时，就可被水泥的自应力抵消或降低。第10页/共140页

钢筋砼管的支承：通常敷设在由砌石或砼制成的连续管床上。

考虑防冻，可在管道顶面以上填土，填土厚度不小于当地冻土层厚度。第11页/共140页

3、钢衬钢筋砼管。适用于HD值较高情况，利用钢筋强度减小钢管壁厚。

4、玻璃钢管。由玻璃纤维及合成树脂缠绕而成。目前尚无统一设计规范，仅在水头不高且流量较小的中小型水电站中应用。第12页/共140页（二）按管道布置方式分类

1、地面压力管道（明钢管）。广泛应用于中小型引水式地面厂房。第13页/共140页

2、地下压力管道。适用于地下厂房及地形地质条件不宜布置明管时。地下埋管：压力管道埋于岩体中。管道承受部分内水压。

回填管：压力管道敷设在地面开挖的沟槽内后，再以土石回填。管道承受全部内水压。

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3、坝体压力管道

压力管道穿过坝体。适用于砼坝坝式水电站。坝上游面管道坝下游面管道坝内埋管第15页/共140页

（1）坝内埋管：管道全部埋藏于坝体内。

1）坝内埋管的布置第16页/共140页

在立面上：

①倾斜式布置：应用最普遍。

②平式和平斜式布置：坝体厚度不大而管径较大的拱坝采用。

③竖直式布置：坝内厂房；或为避免对坝体施工干扰，在坝体内预留竖井，后期安装钢管。第17页/共140页

在平面上：

①管道在平面上转向坝段一侧布置(a)。厂坝之间不设纵缝连成整体，二者横缝在一条直线上。

②管道在平面上布置在坝段中央(b)。厂坝之间设纵缝，二者横缝相互错开。ab横缝纵缝第18页/共140页

2）坝内埋管的施工方法

方法一：安装一段钢管，浇筑一层混凝土。可省去二期混凝土，但施工干扰较大。

方法二：坝体内预留钢管施工槽→钢管在槽内一次组装→回填混凝土→接缝灌浆。先浇块后浇块第19页/共140页第20页/共140页

4）坝内埋管的埋设方式

①用弹性软垫层将管道与坝体分开－－钢管承受绝大部分内水压力，受力明确。

软垫层：材料为沥青、泡沫等。

②管道与坝体结合为整体－－砼承受绝大部分内水压力。第21页/共140页

5）坝内埋管失稳过程坝体砼首先开裂→钢衬的应力达到其屈服强度破坏。

砼开裂过程：管顶处砼厚度小常先开裂→应力重新分布，导致管底砼开裂→其它断面砼相继开裂。管顶第22页/共140页

（2）坝下游面管道(坝后背管)：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。对坝体削弱少、管道施工与坝体干扰小，但使厂房向下游移动而增加工程量。第23页/共140页

①坝下游面明钢管钢管穿出坝体

→接上弯管(锚固在坝体上)→经伸缩节接明钢管→下弯管(锚固在坝体上)→进入厂房与蜗壳连接。

②坝下游面钢衬钢筋砼管管道内衬钢板外包钢筋砼，用坝下游面的键槽及锚筋与坝体固定。钢衬与外包砼之间不设垫层，紧密结合。第24页/共140页3.2压力管道的线路选择和布置方式一、压力管道的线路选择

1、路线尽可能短直。明管一般布置在陡峻的山脊上。

2、地质条件好。

3、满足施工要求。明管倾角不宜超过40°。地下埋管考虑施工支洞方便。第25页/共140页

4、满足运行安全要求。

减少管道转弯次数，管顶在最低压力线下2m。管道转弯半径≮3倍管径。

地下埋管埋深≮0.4倍水头和3倍洞径。第26页/共140页

二、压力管道的布置方式

1、压力管道的供水方式

一般每根主管供水的机组台数不超过4台。第27页/共140页

（1）单元供水：适用①单机流量大、长度短的地下埋管或明管；②砼坝内管道和明管道。

（2）联合供水：适用水头高、流量小、引水道长的地下埋管和明管。

（3）分组供水：适用管道较长，机组台数多，需要限制管径过大的地下埋管和明管。第28页/共140页

2、压力管道引近厂房的方式

即讨论主管轴线与厂房纵轴线的关系。（1）正向引近：适用于水头较低、管道较短的水电站。

(2)侧(纵)向引近：适用于多用于高、中水头电站。

(3)斜向引近：当地形、地质条件、引水系统及厂房布置要求适宜时采用这种布置方式，多用于分组供水和联合供水。正向引近纵向引近第29页/共140页第30页/共140页3.3明钢管的构造、附件及敷设方式一、明钢管的构造

1、接缝与接头

钢管通常是在工厂用钢板制成管段，然后运到现场安装焊接。管段长度一般为4-6m。第31页/共140页第32页/共140页

（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。

国内：D≤60cm；国外：D≤120cm。

适用：高水头小流量电站，应用不多。第33页/共140页

（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，造价低。

纵缝：焊缝交错排列(工厂焊)，避开横断面垂直轴线和水平轴线，并与其夹角>15°，采用对接焊，焊缝由超声波法或射线法进行探伤。

横缝(环缝)：现场完成。环向焊缝间距≮500mm。钢管横向连接也可由法兰完成。相邻管壁厚度差≯2mm(以利焊接)，内部光滑，外部成台阶状。P89第34页/共140页第35页/共140页

2、弯管和渐缩段

（1）弯管。空间上转弯的管段由钢板焊接而成。弯管曲率半径≮3倍管径。每一折线段两端径向线夹角≯10°，以5-7°为宜。第36页/共140页

（2）渐变管。用于不同直径钢管连接处。收缩角通常采用10°-16°。管段之间以横缝连接。渐变管与弯管位置相近时，合成渐缩弯管。

渐变管与弯管均需埋于镇墩中。第37页/共140页

3、加劲环（刚性环）

用来提高管壁抗外压稳定，在管外侧焊接的环状结构。第38页/共140页

4、分岔管

对称分岔、非对称分岔。第39页/共140页

5、支承环

钢管与支墩之间起支承、加固作用的环向结构。断面可为工字钢、T形、矩形、槽型等。工工第40页/共140页二、明钢管的阀门和附件

1、闸门：压力管道进口设快速闸门(在前池、调压室、水库等位置)。

2、阀门

(1)设置情况

联合供水或分组供水：在水轮机进口前应设快速阀门，通常称为主阀。

单元供水：当H高于120m，Q较大，管路较长也须在水轮机进口前设置。第41页/共140页（2）阀门类型

①平板阀(闸阀)：常用于直径较小的压力钢管。

②蝴蝶阀：适用H<200m，管径较大情况，目前最大管径达8m。第42页/共140页蝴蝶阀关蝴蝶阀开第43页/共140页

③球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。

适用：H>100m高水头水电站。目前最大球阀直径为3.4m，最大水头达850m，最大重量超过100t。第44页/共140页球阀关球阀开第45页/共140页

2、附件

(1)伸缩节由钢板焊接而成。

①功用为消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷，常位于在上镇墩的下游侧第一节管的横向接缝处。第46页/共140页

②作为阀门附件，位于阀门上游侧或下游侧，便于进水阀的安装和拆卸，也可用于补偿坝体和厂房砼不均匀沉降或钢管的伸缩变形。(a)套筒式伸缩节第47页/共140页

(2)通气孔和通气阀：位于进口闸门之后的钢管顶部。

(3)进人孔：设置在镇墩上游侧，水平轴线下方45°处，为直径≮45cm圆孔或≮45cm×50cm的椭圆孔，间距≯150m。

(4)排水管及排水阀：设置在在压力钢管的最低点。

(5)旁通阀：进水阀前后的钢管用旁通管连通。

(6)钢管的保护装置：钢管上安装的测量压力、流量和管壁应力等。第48页/共140页

(7)防腐蚀措施：金属热喷涂、涂料保护、电化学保护与涂料联合等。防腐措施应在钢管安装完毕，焊缝探伤合格后，并除锈达到规定的清洁度和粗糙度后进行。第49页/共140页

另：安装完毕后钢管椭圆度不得大于5D/1000，且≯40mm。

椭圆度：管道剖面上相互垂直的两个直径之差。现场至少测量2组。第50页/共140页

三、明钢管的敷设方式

1、连续式：两镇墩间管身不设伸缩节，少用。

2、分段式：两镇墩之间设置伸缩节。

3、不设镇墩：管道纵坡较缓且管道长度≯200m，可不加镇墩，管段中部设伸缩节。第51页/共140页

四、明钢管的支承结构

1、镇墩及其构造

(1)功用：相当于固定端，水管在此处不产生任何位移。

(2)布置：管道空间转弯处、渐变处或管道直线段距离超过150m。镇墩支墩

(3)类型：封闭式、开敞式。第52页/共140页

(4)尺寸拟定镇墩为重力式结构。

镇墩底面：软基上水平，岩基上呈台阶状。

镇墩尺寸：将钢管的转弯段完全包住。镇墩上游面垂直管轴，管道外包砼厚度≮管径的0.8~1.0倍。管道底距地面≮0.6m。

镇墩埋深：软基上应埋入冰冻线以下1m，对岩基埋入地基≮0.5m。地震区应加大埋深，并适当加大基础面，同时减小镇墩间距。第53页/共140页镇墩尺寸规划好后，应按照《土力学》中抗滑、抗倾覆及地基承载力公式校核。抗滑稳定验算公式地基承载力验算公式第54页/共140页

(5)镇墩施工

分两期施工。砼不低于C15。先浇筑镇墩的一期砼基座(地面以下部分)；安装镇墩处的弯管段，就位后予以固定。向上凸的弯管应配置锚固件。布置镇墩表面温度筋及钢管外环向钢筋。浇筑镇墩二期砼(地面以上部分)。后在砼表面涂敷密闭材料。镇墩支墩第55页/共140页

2、支墩（支座）及其构造

(1)功用：相当于定向支座，允许水管在支墩处沿轴向自由移动。

(2)布置：间距L取6~12m；当D特别大时，L取3m。两镇墩间的支墩应等间距布置，设伸缩节的一跨间距应缩短。第56页/共140页

(3)支墩尺寸拟定

砼不低于C15。底面及埋深要求同镇墩。支墩尺寸规划好后，也应按照《土力学》中抗滑、抗倾覆及地基承载力公式校核。第57页/共140页

(4)支墩支承结构类型：滑动式、滚动式、摆动式。无支承环鞍形支座有支承环鞍形支座有支承环的平面滑动支座滚动式支座摆动式支座第58页/共140页

①滑动式支墩

a.无支承环鞍形支墩：将钢管直接支承在一个鞍形的砼支座上，包角在90～135°之间。

适用于管径D<1m的钢管。为减少f，管径小的可在支墩砼顶面铺设石墨、石棉或油毡等材料；管径大的可在支墩砼顶面装设用锚筋与支墩相固定钢板，并涂润滑剂。第59页/共140页

b、有支承环鞍形支座钢管通过支承环安放在鞍形支座上。

适用于管径D<2m的钢管。

c、有支承环的平面滑动支座适用于管径D＝1~3m的钢管。第60页/共140页

②滚动式支座钢管通过滑轮支承在支墩顶面的固定钢板上，滑轮安装在支承环下端。固定钢板外侧设有防止横向位移的侧挡板。

常用于管径D>2m的钢管。第61页/共140页

③摆动式支座：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。短柱下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的上托板接触。

常用于管径D>2m的钢管。第62页/共140页

(5)支墩施工

应注意在浇筑时预留支墩环底座的地脚螺栓孔。当支墩体积较小时，可事先预制，然后进行埋设。第63页/共140页

五、管道高程

1、上限：保证管内在运行情况下不出现负压，钢管顶部至少在最低压力线以下2m。

2、下限：钢管底与地面净距不得小于0.6m。距地面≮60cm第64页/共140页3.4压力管道的水力计算与尺寸拟定一、压力管道的水力计算

1、恒定流计算：确定管道的直径和水头损失。

2、非恒定流计算确定压力管道荷载和管线(最高压力线和最低压力线)，即水锤计算，在本书第四章详细叙述。

二、压力管道直径D选择前提：确定供水方式→确定每条管道的Q

→选择D

。

▓计算方法：我国目前尚无统一规定。第65页/共140页我国较多的采用彭德舒公式。

随水头H增加，D可逐渐缩小，但变径次数不宜过多，通常在镇墩处变径并设渐变段。

1、经验直径法第66页/共140页

2、经济流速法

对于不重要的工程或缺乏可靠的技术经济资料时，或在可研和初设阶段采用。

Qd－设计流量，等于电站最大引用流量(m3/s)。

Ve－压力管道的经济流速(m/s)，地下埋管和明管为4~6m/s；钢筋砼管为2~4m/s；坝内埋管设计水头在30~70m时为3~6m/s，70~100m时为5~7m/s；不衬砌隧洞一般<2.5m/s

。第67页/共140页

三、明钢管管壁厚度的拟定

计算公式为锅炉公式：

ρw－1000kg/m3。

g－10N/kg。

H－内水压力（静水＋动水），m。初步估算时水锤压力取静水头的15%~30%，高水头电站取小值，低水头电站取大值。

φ－焊缝系数，一般取为0.9(单面对接焊)－0.95(双面对接焊)。第68页/共140页

D－管道内直径，m。

[σ]－钢管设计允许应力，kPa。计算代入时应降低15%~20%。允用应力取值情况见右表。第69页/共140页第70页/共140页另应用此公式估算管壁厚度时应注意：

1、考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，t实际=t计算+2mm（锈蚀厚度）。

2、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tmin。

tmin一般取D/800+4(mm)，且不小于下表数值。钢管外径（mm）<870920~15301630~40404240~60406240~7050最小厚度（mm）68101214

3、各步的计算结果取以mm为单位的整偶数。最终t取各步计算的最大值。第71页/共140页

注：另设计时，钢管管壁厚度变化处宜保持内径不变，管壁厚度级差宜取2mm。不同管壁厚度钢板的对接焊，若厚度差>4mm，应将较厚板的接口处刨成1:3的坡度。关于钢管焊接内容，详见压力钢管相关规范。第72页/共140页

例题8.2mm，取整10mm。第73页/共140页

3.5明钢管结构分析一、作用在钢管上的荷载及荷载组合

1、作用在钢管上荷载

(1)按作用方向分(见图3-24及表3-3)①径向力：半径方向分布，如内水压力。

②轴向力：管道轴线方向分布，如摩擦力等。

③法向力：铅直面内垂直于管轴线方向如管重的在该方向上的分力。表中水压试验内水压力，其值通常为设计水头的1.2~1.3倍。第74页/共140页

2、计算工况与荷载组合（见表3-4）

(1)基本荷载组合

①正常运行工况一：(2)+2+3+5+6+7。

②正常运行工况二：(1)+2+3+5+6+7+8或9。

③放空情况：12+2。

(2)特殊荷载组合

①特殊运行工况：(3)+2+3+5+6+7。

②水压试验情况：(4)+2+3+6。

③施工情况：2+5+8或9+10。

④充水情况：2+4。

⑤地震情况：(1)+2+3+5+6+7+11。第75页/共140页二、管身应力分析方法：弹性力学法、结构力学法。管身应力分析的断面有四个：每个断面上分别按书上给出的公式求环向应力、径向应力、轴向应力及剪应力。第76页/共140页

三、强度校核

目前多采用第四强度理论平面分析校核：若此式不满足，则应适当增大管壁厚度，再重新验算。第77页/共140页

四、明钢管抗外压稳定分析

1、明钢管外压失稳的原因及失稳现象

(1)管道放空时通气孔失灵，管道内产生真空。

(2)机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压。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。因此，必须根据钢管处于真空状态时不致产生不稳定变形的条件来校核管壁厚度或采取措施。第78页/共140页

2、光滑管段的外压稳定分析

(1)稳定性验算：钢管能够抵抗外压临界压力Pcr为：

μs为钢材的泊松比。为了安全起见，引入安全系数K，明钢管可取K=2.0第79页/共140页

(2)改善措施：若验算后光滑管不能满足抗外压失稳条件，则可采用如下措施：

①增加管壁厚度、减小管道直径、提高钢材等级，原理从公式出发；

②设置加劲环。若采用增加管壁的厚度方法致使管壁较厚，加工困难。则可在管壁上增加加劲环，以提高管壁刚度，从而提高管壁的抗外压稳定性。第80页/共140页

3、加劲钢管的外压稳定本知识点的实质：将加劲环断面及加劲环之间管壁断面需同时满足外压稳定作为已知条件，求加劲环的间距及断面尺寸。

(1)加劲环断面的外压稳定

加劲环处管壁变形的有效尺寸为：第81页/共140页

加劲环断面的外压稳定计算公式：计算断面用加劲环的有效断面。以下两公式算得结果取小值。式中：JR—计算断面对自身中和轴的惯性矩；

Rk—加劲环有效断面中心半径；

K—安全系数，取K=2.0；

l—加劲环的间距；Ae－加劲环有效截面面积。第82页/共140页

(2)加劲环之间的管壁外压稳定性两个加劲环的中间光滑部分的临界外压力为：式中：n—相应于最小临界压力的屈曲波数，L为加劲环间距。第83页/共140页

计算过程：首先求出屈曲波数n，并四舍五入取整，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。Pcr也可以用查图表的方法求得，见图3-34。第84页/共140页

※五、明钢管的设计步骤

1、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。

2、选择压力钢管的供水方式。

3、管径确定

4、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、阀门。

5、水力计算

(1)恒定流：确定钢管在不同流量下的h损。

(2)非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。第85页/共140页

6、压力钢管结构设计

(1)初步拟定管壁厚度t；

(2)根据t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允许值的要求，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。在重复上面的步骤，直到满足要求。

7、校核镇墩的稳定及地基应力。第86页/共140页

六、地面压力钢管施工安装简述

1、施工准备工作

(1)在工厂内将钢管制作成管段(直、弯)，并在相应直管段上附着刚性环、支承环和伸缩节端头。管段长度一般为6-8m，管段内架立临时支撑。第87页/共140页

(2)清理平整敷设管道的地基坡面，测量管线，并按设计标出镇墩和中间支墩的位置及高程。第88页/共140页

(3)在管道旁或两侧铺设轻便轨道，在顶部位置设卷扬机，以便用平台车运送安装的管段。第89页/共140页

2、施工安装程序

(1)先浇筑上、下镇墩的一期砼(地面以下部分)；然后安装镇墩处的弯管段，待就位后予以固定并浇筑镇墩二期砼(地面以上部分)。第90页/共140页

(2)浇筑中间砼支墩。

应注意在浇筑时预留支墩环底座的地脚螺栓孔。当支墩体积较小时，可事先预制，然后进行埋设。第91页/共140页

(3)架设管道的临时支架或管床，然后自下而上地进行各直管段的吊装、就位与焊接。当管壁厚度>20mm时，应采用X型坡口两面对焊，并及时检查焊缝质量。第92页/共140页

(4)最后安装具有伸缩节的管段。

安装时可用伸缩节进行管道的结合与调整，调整就位后与上、下管段相焊接。第93页/共140页

(5)在钢管安装完工后，拆去内部与外部支撑并清扫管内外，尤其要注意清除内壁上附着物使管壁保持光滑，以减小水力损失。

为防止管壁锈蚀，在管的内壁和外壁进行防腐处理。第94页/共140页

3.6岔管用以分配水流。在管道需分岔的部位设置。第95页/共140页

一、分岔管的布置形式

(1)卜形布置。即书上的非对称Y型布置。用于主管中分出一支较小的岔管，或两条支管的轴线因故不能作对称布置。多用于纵向和斜向引近的厂房。卜形布置第96页/共140页

(2)对称Y形布置。用于主管分成二个相同的支管，如一管二机。

(3)三岔形布置。用于主管直接分成三个相同的支管。

若机组台数较多时，可采用Y形→卜形或Y形→三岔形组合布置。对称Y形布置三岔形布置第97页/共140页

二、岔管的结构形式

1、三梁岔管在主、支管相贯线上设置两根腰梁和一根U梁。

布置：典型布置为Y形、卜形和三岔形。

应用：内压较高、流量不大的明管道。第98页/共140页

2、贴边式岔管

定义：在主、支管的相贯线处管道外壁或内壁，或内外壁设置与管壳紧密贴合的补强板而成。补强板与管壁焊固形成一个整体。

布置：典型布置为卜形。

应用：中、低水头卜型布置的管道。第99页/共140页

3、球形岔管

定义：通过球面壳体进行分岔，沿圆柱形主、支管与球壳交接处的相贯线，设置圆环形加强梁。球壳内设导流板。

布置：典型布置为Y形和三岔形。

应用：高水头电站。国外采用比较多的一种成熟管型，目前国内应用尚少。第100页/共140页

4、(内加强)月牙肋岔管

定义：并沿支锥的相贯线，内插一月牙状的肋板，焊接在管壁上作为加强构件。

布置：典型布置为Y形、卜形两种。

应用：大中型电站。第101页/共140页第102页/共140页

5、无梁岔管

定义：用主管和支管逐渐扩大的锥壳与中心的球壳比较连续、平顺地联接，不设置任何加固梁。

布置：典型布置为Y形、卜形、三分岔形。

应用：是一种有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。适用于大中型电站的地下埋管，国内应用较少。第103页/共140页

6、隔壁岔管

定义：由扩散段、隔壁段、变形段组成，各级皆为完整的封闭壳体，除隔壁外无其他加强构件。

应用：隔壁岔管是国外新发展起来的适应性强、流态较优、受力条件较好而不需特大锻件的岔管，但我国尚无实践。第104页/共140页

三、岔管的材料

1、钢岔管：一般明钢岔管外包砼镇墩，地下岔管按明岔管设计。设计时只考虑钢板承担内水压力。第105页/共140页

2、地下埋藏式钢筋砼岔管岔管是与围岩结合成整体的钢筋砼结构。钢筋砼岔管工作时允许开裂，故一般围岩固结灌浆要求较高，以防渗。

3、钢衬钢筋砼岔管钢岔管外包钢筋砼。可节省钢板用量，结构安全性也比明钢岔管高。国外已经开始运用，但我国尚无实例，也还缺乏成熟的设计计算方法。第106页/共140页4.7压力隧洞及隧洞式钢管一、水电站压力隧洞的工作特点

1、有压隧洞的衬砌形式

▓压力引水隧洞：单层或双层钢筋砼衬砌。

▓高压引水隧洞：常采用埋置钢管衬砌，称为地下埋管或隧洞式钢管。有压隧洞较长时可在靠近厂房处设调压井压力引水隧洞i=1‰-2‰高压引水隧洞调压室或调压井第107页/共140页地下埋管施工中第108页/共140页

2、地下埋管的性质：钢衬与岩体之间用砼回填后共同受力的组合结构。但回填的砼只传力。若想利用围岩承担内水压力，一般完整岩层覆盖层的厚度应超过三倍开挖洞径。

3、地下埋管施工过程：开挖岩洞→安装钢管→回填岩石与钢管间砼→各种灌浆。第109页/共140页第110页/共140页

4、地下埋管的工作特点

与明管相比：布置灵活方便、减小钢衬厚度、运行安全。但工序多，工艺要求高，施工条件较差，且外压稳定问题突出。第111页/共140页

二、地下埋管(隧洞式钢管)的布置形式

1、竖井式钢管：常用于首部式开发的地下电站，竖井的开挖、钢管的安装、砼的回填，一般都自下而上进行。

竖井开挖方法：自下而上开挖导洞，然后自上而下进行全断面开挖。第112页/共140页

2、斜井：适用于地面和地下厂房，应用最多。为了施工出渣方便，倾角>45˚自下而上开挖；倾角≮35˚自上而下开挖。

3、平洞：作为过渡段使用。第113页/共140页

三、地下埋管的结构

地下埋管相当于多层衬砌的隧洞。

钢衬作用：承担部分水压力和防渗。

回填砼作用：传递力。第114页/共140页

四、地下埋管的施工简述

1、主洞开挖

尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持圆形孔口，减少爆破松动影响。先开挖导洞，然后扩大导洞断面，开挖方向如前。施工时应在不同高程开挖水平施工支洞，作为出渣、钢衬的运输安装和回填砼之用。开挖过程中包括：放线、打眼、装药、放炮、排烟、清除危岩、喷锚支护等。第115页/共140页

TBM掘进机工作过各示意图第116页/共140页

TBM刀盘部分全长100多米，钻头直径8米多，隧洞的衬砌，支护可一气呵成。第117页/共140页

2、钢衬的制作与安装

钢衬在工厂焊制成一定长度的管节后，由平台车运至洞口。倾斜式的管道，从进口到管段就位处一般采用单轮小车沿预先设置的轨道上滑行，并用卷扬机控制其下滑就位。测量定位后用锚环固定，然后卸去小车。整个管道拼装焊接可自下而上进行，并及时调整钢管的椭圆度≯5‰D0，并检查焊缝质量。第118页/共140页

钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸：

需在管外焊接作业时：钢管两侧及顶部至少留0.5m，底部至少留0.6m或更大。加劲环距岩壁应至少留0.3m。

▓应尽量避免现场管外焊接，减少加劲环高度，以节省开挖和回填砼量。≥

0.5m≥0.6m≥0.3m第119页/共140页

3、回填砼一般采用砼泵浇筑。

回填砼分层浇筑。当需加快施工进度时，可在管内架设临时支撑。

回填砼标号一般在C15~C25之间。为振捣方便，砼浇筑可在安装好几段钢管后交叉进行。第120页/共140页◆◆地下埋管的灌浆

①顶拱回填灌浆：平洞、斜井因顶拱处很不容易浇筑好需进行。应在砼浇筑14天后进行。

②固结灌浆：基岩破碎时选用。在回填灌浆7-14天之后进行。

③接缝灌浆：在固结灌浆后14天后进行。

第121页/共140页1、基本工作原理r1五、地下埋管承受内水压力时的强度计算第122页/共140页

2、计算内容

(1)

在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力σθ；

钢衬环向拉应力的计算公式：

(2)

在已知钢衬允许应力的情况下求钢衬厚度。给定允许应力和焊缝系数的情况下，求管壁厚度的计算公式：除公式不同外，计算结果处理同明钢管。r1－管道内直径E′＝Es/(1-μs2)

钢材的P－内水压力第123页/共140页

六、影响钢衬应力因素的分析

1、围岩的单位抗力系数K0。半径为100cm的孔口，受均匀内压时，孔周发生1cm的径向位移时的均匀内压值。可由工程经验或试验的方法得出：K0=Ed/100(1+μd)应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量，途径为灌浆。是否需要需论证。

Ed与μd为围岩的弹模和泊松比，可由试验得出，无论是室内还是现场试验都应注意试验结果的局限性。r1第124页/共140页第125页/共140页

2、初始缝隙Δ。对应力影响大，但不易确定。

(1)施工缝隙Δ0：砼浇筑或接缝灌浆完工后，温度恢复正常时，钢衬与砼衬圈及砼与围岩间的间隙总和。由砼的收缩和施工质量不良造成。

若施工处理较好，可取Δ0

＝0.2mm。r1第126页/共140页

减小施工缝隙的措施

①浇筑砼的水化热消散后在低温时进行接缝灌浆。

②在砼浇筑时降低入仓温度和对钢衬进行冷却，如喷洒冷水。

③采用膨胀砼回填。此法有时可不进行接缝灌浆。

④采用预埋骨料压浆砼。r1第127页/共140页

（2）钢衬冷缩缝隙ΔS（温差缝隙）：其值取决于钢衬竣工时温度(竣工时洞内气温或接缝灌浆时洞内最高温度)与运行时温度(水温)之差Δts。其为非定值，冬季最大。

ΔS=αsΔtsr1(1+μs)

αs