第八章水電站壓力管道

第八章水電站壓力管道

壓力管道的工作特點、類型及總體布置，壓力管道的尺寸擬定，設計方法和步驟。

第一節(jié)壓力管道的功用和類型

一、功用及特點

（-）功用

壓力管道是從水庫、壓力前池或調(diào)壓室向水輪機輸送水量的水管。

（二）特點

（1）坡度陡

（2）內(nèi)水壓力大，且承受動水壓力的沖擊（水擊壓力）

（3）靠近廠房。嚴重威脅廠房的安全。

壓力管道的主要荷載為內(nèi)水壓力，HD值是標志壓力管道規(guī)模及技術難度的重要參數(shù)值。

當V=5?7m/s時，HD^（0.15-0.18）N&H

當M相同時，H愈大,HD愈大。目前最大達5000/。

目前最大直徑的鋼管是巴基斯坦的塔貝拉水電站第三期擴建工程的隧洞內(nèi)明鋼管，直徑為13.26m。

二、分類

按布置方式分按材料分

明管：暴露在空氣中（無壓引水式電站）鋼管（大中型水電站）

鋼筋混凝土管（小型電站）

不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、

地下埋管（隧洞埋管）：埋入巖體。（有壓引水電站）

鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管

混凝土壩身埋管：依附于壩身（混凝土重力壩及重鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼襯鋼筋混

力拱壩），包括：壩內(nèi)管道、壩上游面管、壩下游面管凝土結(jié)構(gòu)

第二節(jié)壓力管道的線路選擇及尺寸擬定

一、供水方式

1.單元供水：一管一機。不設下閥門。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單（無岔管）、工作可靠、靈活性好，易于制作，無岔管

缺點：造價高

適用：（1）單機流量大、長度短的地下埋管或明管；（2）混凝土壩內(nèi)

管道和明管道

2.聯(lián)合供水：一根主管，向多臺機組供水。設下閥門。

優(yōu)點：造價低

缺點：結(jié)構(gòu)復雜（岔管）、靈活性差

適用：、（1）機組少、單機流量小、引水道長的地下埋管和明管

3.分組供水：設多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水。設下閥門。

適用：壓力水管較長，機組臺數(shù)多，單機流量較小的情況。地卜埋管和明管

二、明管布置

管道與主廠房的關系:

1.正向引近：低水頭電站。水流平順、水頭損失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故時直接危機

廠房安全。

2.縱向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖廠房。

3.斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。

(a)、(b)正向引進(c)、(d)縱向引進(e)斜向引進

壓力水管引進廠房的方式

三、線路選擇

壓力管道的線路選擇應結(jié)合引水系統(tǒng)中的其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。

1.路線盡可能短、直。(經(jīng)濟、水頭損失小、水擊壓力小)一般設在陡峻的山脊上。

2.地質(zhì)條件好。山體穩(wěn)定、地下水位低、避開山崩、雪崩地區(qū)。

3.盡量減小上下起伏，避免出現(xiàn)負壓；轉(zhuǎn)彎半徑R》3D。

四、壓力管道直徑的選擇

壓力管道經(jīng)濟直徑確定是壓力管道的主要設計內(nèi)容之一。

1.動能經(jīng)濟比較法：基本原理與渠道相同(壓力管道要考慮流速、水擊壓力的影響)，擬定幾個直徑,

進行動能經(jīng)濟計算，比較確定最優(yōu)經(jīng)濟直徑。

2.經(jīng)驗公式法：簡化條件推導公式。精度較低，初步設計時采用

tax?壓力管道設計流量，，一設計水頭

3.經(jīng)濟流速法：壓力管道的經(jīng)濟流速一般為a6m/s,最大不超過7m/s,De=QmayVe

注：確定壓力鋼管直徑的公式有很多。經(jīng)驗公式法或經(jīng)濟流速方法的設計結(jié)果可作為參考。

第三節(jié)明鋼管的敷設方式及附件

一、明鋼管的敷設方式和支承方式

明鋼管一般敷設在一系列支墩上，離地面不小于60cm(便于維護和檢修)。水管受力明確，在自重和

水重作用下，水管在支墩上相當于?個多跨連續(xù)梁；每隔120?150m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處(包括平面轉(zhuǎn)彎和立

面轉(zhuǎn)彎)設置鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當于梁的固定端。

明鋼管的敷設

連續(xù)式布置：管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設伸縮節(jié)。溫度應力大，一般較少采用。

分段式：兩鎮(zhèn)墩間設伸縮節(jié)(上鎮(zhèn)墩的下游側(cè))。溫度應力小。

(-)鎮(zhèn)墩

1.功用：固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力。水管在此處不產(chǎn)生任何方向的位移。

2.布置：水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。

3.類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。

(1)封閉式：應用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼材，固定效果好。

(2)開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。

（一）閘門及閥門

1.快速平板閘門（事故門）——壓力管道進口（前池、調(diào)壓室、水庫）。

作用：在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。

2.快速閥門（事故閥或下閥門）——水輪機進口前（聯(lián)合供水或分組供水），

作用：為避免一臺機組檢修影響其他機組的正常運行，或在調(diào)速器、導水葉發(fā)生故障時，為緊急切斷水

流，防止機組產(chǎn)生飛逸。

類型：平板閥、蝴蝶閥、球閥

（1）平板閥：框架+板面構(gòu)成。閥體在門槽中的滑動方式與一般的平板閘門相似。平板閥一般用電動或液

壓操作。這種閥門止水嚴密，運行可靠，但需要很大的啟閉力，動作緩慢，易產(chǎn)生汽蝕，常用于直徑較小的

水管。

（2）蝶閥：由閥殼+閥體組成。閥殼為-短圓筒，閥體形似圓盤，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。閥門關

閉時，閥體平面與水流方向垂直；開啟時.，閥體平面與水流方向一致。

蝶閥關蝶閥開

優(yōu)點：啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價較低；

缺點：在開啟狀態(tài)時由于閥門板對水流的擾動，造成附加水頭損失和閥門內(nèi)汽蝕現(xiàn)象；在關閉狀態(tài)時,

止水不嚴密，不能部分開啟。

適用：大直徑、水頭不很高的情況。

目前蝴蝶閥應用最廣，最大直徑可達8m以上，最大水頭達200m。蝴蝶閥要求在動水中關閉,靜水中開

啟。

（3）球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。

閥體圓筒的軸線與水管軸線一致時，閥門處于開啟狀態(tài)，若將閥體旋轉(zhuǎn)90°,使圓筒一側(cè)的球面封板擋

住水流通路，則閥門處于關閉狀態(tài)。

優(yōu)點：在開啟狀態(tài)時實際上沒有水頭損失，止水嚴密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；

缺點：是尺寸和重量大，造價高。

適用：高水頭電站的水輪機前閥門。

球閥是在動水中關閉，在靜水中開啟。

2.鋼管結(jié)構(gòu)自重；

3.鋼管內(nèi)的滿水重；

4.鋼管充水，放水過程中，管內(nèi)部分水重；

5.由溫度變化引起的力，對分段敷設的明鋼管，即伸縮節(jié)和支墩的摩擦力；

6.管道直徑變化處，轉(zhuǎn)彎處及作用在悶頭，閘閥，伸縮節(jié)上的水壓力；

7.鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉陷引起的力；

8.風荷載；

9.雪荷載；

10.施工荷載；

11.地震荷載；

12.管道放空時通氣設備造成的氣壓差；

要注意荷載的作用方向及作用的時間，在某些情況下有的荷載不可能出現(xiàn)。

（-）荷載種類

按力的作用方向可以將上述作用力歸納為軸向力、徑向力和法向力。

1.軸向力：水重+管重的軸向分力，摩擦力，管徑變化處、轉(zhuǎn)彎處、悶頭、閥門、伸縮節(jié)上的水壓力。

2.徑向力：內(nèi)水壓力

3.法向力：水重+管重的法向分力

第五節(jié)明鋼管的結(jié)構(gòu)分析

一、鋼管管壁厚度估算

在進行鋼管應力分析時，需要先設定管壁厚度。由于內(nèi)水壓力在管壁上產(chǎn)生的環(huán)向應力是其主要應力。

因此用鍋爐公式來初擬管壁厚度，以鋼材的允許應力［。］代替。

cPDyHD

20口［2［口］

根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)0一般取為0.9?0.95,允許應力口］取鋼管材料允許應力的75%?85%?？紤]鋼

管運行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，8炳=8+2mm（銹蝕厚度）；

在實際工程中，考慮到制造、運輸、安裝等條件，必須保持一定的剛度，因而需要限制管壁的最小厚度

bmin。^min一般取為￡>/800+4（mm）,且不宜小于6mm

二、管身的應力分析

鋼管支承在系列支墩的直線管段在法向力的作用下，相當于一根連續(xù)梁。支墩處設有支承環(huán)，由于抗

外壓需要，支承環(huán)之間有時還加有剛性環(huán)（加勁環(huán)）。

一般情況卜，最后一跨的應力最大。根據(jù)受力特點常選四個斷面進行應力分析。

(1)跨中斷面1-1:只有彎距作用，且彎距最大，無局部應力——受力最簡單；

(2)支承環(huán)旁管壁膜應力區(qū)邊緣，斷面2—2：彎距和剪力共同作用，均按最大值計算，無局部應力一

受力比較簡單；

(3)加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3—3：由于加勁環(huán)的約束，存在局部應力；

(4)支承環(huán)及其旁管壁，斷面4-4：應力最復雜，存在彎距和剪力(支承反力)的作用，有局部應力.

分析方法：結(jié)構(gòu)力學法。坐標：軸向X、徑向r、環(huán)向。

(-)跨中段面(1)-(1)的管壁應力

跨中段面屬于膜應力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪力為零。

1.徑向應力

管壁內(nèi)表面：4=-刈，表示壓應力。

管壁外表面：巴=°

由于徑向應力的數(shù)值比較小，所以應力計算中可以忽略。

2.切向(環(huán)向)應力0■網(wǎng)

設壓力水管中心處的水頭為“，而水管軸線與水平面的夾角為。，則在管壁中任意一點(該點半徑與管頂

半徑的夾角為，)的水頭為rcosacos。。

推導出管壁中的切向拉力7和切向應力0'小為：

T=yr(H-rcoscrcos^)

ri

jp丁

(yQX=----=—(//-rcosacos0)=—r(l----cosacos6)

Jx138H

管頂y(n-rcosay

管底Py(“+rcosa)

管壁上內(nèi)水壓力的分布管壁微圓弧的受力平衡

式中P——內(nèi)水壓強；

6——管壁計算厚度；

H——計算水頭；

a——管軸線傾角；

0——管壁中任意一點半徑與管頂半徑的夾角;

水管半徑。

3.軸向應力內(nèi)

軸向應力巴=法向力引起的軸向彎曲應力軸向作用力引起的軸向應力0

(1)法向力作用引起的管壁軸向應力b"

將水重和管重的法向分力視為均布荷載，則鋼管的受力與多跨連續(xù)梁類似，其變形以彎曲為主，并在管

壁上產(chǎn)生彎曲正應力與剪應力。

在相鄰兩鎮(zhèn)墩之間的壓力鋼管放置于支墩之上，支墩相當于連續(xù)梁的中間短軸支座，最下端的鎮(zhèn)墩相當

于固定端，上端伸縮節(jié)處可近似認為是自由端。

在均布荷載作用下，連續(xù)梁的彎矩和剪力如圖所示，二者的正負最大值近似認為相等，其值已在圖中標

示出來。這樣管壁橫斷面上任意一點的軸向應力為

McMc

a=----cos6/=----7—cos6/

xlW7TT5

式中M—水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩，正負號和大小如圖所示;

w一連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)，W=m'8。

如果同時計入地震作用，則軸向應力為

crvl=~cos6+此sin8)

式中%——地震力作用下連續(xù)梁的彎矩，'cosa.

KH——水平地震荷載系數(shù)。

(2)軸向力引起的軸向應力

在軸向力的合力2A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應力為b，2,管壁的斷面積為片貝IJ：

F=成>6*2FnD8

表示壓應力。一般情況下，EA為壓力，即為壓應力，。為管道直徑。

4.剪應力7m

由于跨中斷面的剪力為0,所以該斷面的盯。=0。

跨中斷面應力：徑向應力？、切向(環(huán)向)應力0即、軸向應力4=<JH+%2

(-)支承環(huán)旁管壁膜應力區(qū)邊緣⑵-(2)斷面的管壁應力

(2)-(2)斷面雖然靠近支承環(huán)，但在支承環(huán)的影響范圍之外，即不考慮支承環(huán)對管壁的約束作用。為了安

全起見，認為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等

支承環(huán)斷面和跨中斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，但支承環(huán)處存在剪力幾所以在垂直于管道軸

線的橫斷面上剪應力的計算公式為：

VSKVsin0

“~~hT~7ir8

式中V-管重和水重的法向分力作用下連續(xù)梁的剪力；

SR——計算點以上管壁環(huán)形截面積對重心軸的靜矩，SR=2'2sin6

B——受剪截面寬度，b=2"

J——截面慣性矩，」=就拓恨=。

當夕=0。(管道頂部)和8=180°(管道底部)時，〃=0；

當0=90。(管道側(cè)面中點)時，%=2丫廳，達到最大值。

如果同時計入地震力的作用，則剪應力為

_Vsin6-Vecos0

式中K一—地震力作用下連續(xù)梁的剪力，'cosa

斷面(2)-⑵的正應力6、Ce和＜7',均與斷面(1)-⑴相等，但符號不盡相同

支承環(huán)旁管壁應力分布和方向

三、強度校核

鋼管為三維受力狀態(tài)，計算出各個應力分量后，應按強度理論進行校核。如果不滿足強度要求，則重新

調(diào)整管壁厚度和支墩間距，再重新計算，直到滿足強度條件。

(-)容許應力

水電站壓力鋼管一般要求在各種荷載組合作用下，鋼管的最大應力不超過材料的允許應力。常用

鋼材屈服強度區(qū)的百分比表示。壓力鋼管的容許應力見下表。

鋼管容許應力

應力區(qū)域膜應力區(qū)局部應力區(qū)

荷載組合基本特殊基本特殊

內(nèi)力性質(zhì)軸力物力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩

容許明鋼管0.55os0.7。、0.67%0.85。s0.8。s1.0。S

應力地下埋管0.67%0.9

壩內(nèi)埋管0.670.8os

0.9Os

(-)強度校核

鋼管強度校核我國及多數(shù)國家一般采用第四強度理論(畸變能理論)，即各應力計算點應滿足F式

+。；+司一--(TQe+3(匕+。+3”雙司

式中心、5、％—鋼管的環(huán)向、徑向和軸向應力；

%、"%一管壁中各方向的剪應力；

”——焊縫強度折減系數(shù)，一般取0.90?0.95。

由于水電站壓力鋼管的無、7、，和工。比較小,在強度校核時可以忽略，上式可以簡化為：

加；+另一+5+34<加］

第六節(jié)明鋼管的抗外壓穩(wěn)定

一、明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象

(1)機組運行過程中由于負荷變化產(chǎn)生負水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負壓；

(2)管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。

管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負壓時.，管壁在外部的大氣壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。

二、光滑管段的穩(wěn)定性

當外壓力戶增加到臨界壓力P”時，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。臨界壓力尸”為

八3E832E⑻3

-7X-----------；-=--------z—X—

Per=「12(1-/?)(1-〃2)切

為了安全起見，引入安全系數(shù)K,要求：P/KP。

取K=2.0,P=0.1MPa,鋼材的彈性模量E=2X105MPa,略去廣，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為

三、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定

s>—

按130求出的管壁厚度太大，如果D=650cm,則要求：6250mm,加工困難，因此可采用在管壁

上增加加勁環(huán)以提高管壁剛度的措施，從而提高管壁抗外壓穩(wěn)定性，這樣會比增加管壁厚度更經(jīng)濟。

1.加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性

兩個加勁環(huán)的中間光滑部分的臨界外壓力為:

式中

L——為加勁環(huán)間距。

首先求出屈曲波數(shù)〃，并取整，然后用〃，n-1,n+l三個數(shù)分別帶入上面的公式中，求出的最小值就是

臨界荷載。

2.加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定

設置加勁環(huán)的鋼管，加勁環(huán)斷面必須滿足兩個要求：(1)加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)；(2)加勁環(huán)斷面的壓應

力小于材料的允許值。

加勁環(huán)兩側(cè)附近的管壁與加勁環(huán)一起變形，這一部分的長度為/'=°-78J石，加勁環(huán)有效斷面所示。

加勁環(huán)有效斷面

加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定計算公式，可按照光滑管的公式計算，但是等式右邊應該除以加勁環(huán)的間距L,

其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計算。

式中J一計算斷面對自身中和軸的慣性矩;

Rk——加勁環(huán)有效斷面中心半徑；

K——安全系數(shù)，取K=2。

明鋼管的設計步驟

(1)首先根據(jù)鍋爐公式并考慮銹蝕厚度初步擬定管壁厚度，但在應力和穩(wěn)定計算中，不計銹蝕厚度；

(2)用光滑管外壓穩(wěn)定計算公式進行外壓穩(wěn)定校核，如果不穩(wěn)定設置可加勁環(huán)(也可用支承環(huán)代替)，并選

定其間距；

(3)根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應力小于允許值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；

(4)進行強度校核，如果不滿足要求則增加管壁厚度或縮小加勁環(huán)間距。重復上面的步驟，直到滿足要

求。

第七節(jié)分岔管

一、分岔管的功用、特點

1.功用

作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時，需要設置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。

2.特點

(1)岔管的水流條件較差，引起的水頭損失較大；

(2)岔管由薄殼和剛度較大的加強構(gòu)件組成，管壁厚，構(gòu)件尺寸大，有時需鍛造，焊接工藝要求高，造

價也比較高；

(3)受力條件差，所承受的靜動水壓力最大，又靠近廠房，其安全性十分重要。

我國已經(jīng)建成的水電站岔管大多數(shù)屬于地下岔管，但大多按明管設計，即不考慮周圍巖體分擔荷載。

二、岔管的布置形式

(1)卜形布置?？v向引近和斜向引進的廠房常采用這種布置方式。

(2)對稱Y形布置。用于主管分成二個相同的支管，如一管二機。

(3)三岔形布置。用于主管直接分成三個相同的支管。

三、岔管的結(jié)構(gòu)形式

1.三梁岔管

三梁岔管由相貫線上的兩根腰梁和一根U梁而得名。沿兩支管的相貫線用U梁加強，沿主管和支管的相

貫線則用腰梁加強，U梁承受較大的不平衡水壓力，是梁系中的主要構(gòu)件。將U梁和腰梁端部聯(lián)結(jié)點做成剛

性聯(lián)結(jié)，形成一個薄殼和空間梁系的組合結(jié)構(gòu)，其受力非常復雜。

適用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。

2.內(nèi)加強月牙肋岔管

月牙肋岔管是用一個嵌入管體內(nèi)的月牙形肋板來代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。

內(nèi)加強月牙肋岔管是國內(nèi)外近年來在三梁岔管的基礎上發(fā)展起來的新式岔管，目前在我國已基本取代了

三梁岔管。應用于大中型電站。

3.貼邊式岔管

貼邊式岔管是在卜形布置的主、支管相貫線兩側(cè)用補強板加固，補強板與管壁焊固形成一個整體。補強

板可以焊固于管道外壁或內(nèi)壁，或內(nèi)外壁均有補強板。與加固梁相比，補強板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力

由補強板和管壁共同承擔。

適用：常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。地卜埋藏式岔管，能把大部分不平衡水壓力傳給圍巖。

4.球形岔管

球形岔管是通過球面體進行分岔，它是由球殼，圓柱形主、支管以及補強環(huán)和導流板等組成。在內(nèi)水壓

力作用下，球殼應力僅為同直徑管殼環(huán)向應力的一半。

適用：高水頭大中型電站。球形岔管是國外采用比較多的一種成熟管型，目前國內(nèi)應用尚少。

5.無梁岔管

無梁岔管是在球形岔管的基礎上發(fā)展起來的。用直徑較大的錐管和球殼沿切線方向銜接，使球殼只剩下

上下兩個面積不大的三角形，并在主、支管和這些錐管之間插入幾節(jié)逐漸擴大的過渡段，構(gòu)成?個比較平順

的、無太大不連續(xù)接合線的體型，從而形成無梁岔管。

無梁岔管是一種有發(fā)展前途的管型，能發(fā)揮與圍巖共同受力的優(yōu)點。目前國內(nèi)應用較少。

第八節(jié)地下埋管

一、地下埋管的布置與工作特點

施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支護等）―安裝鋼管一回填混凝土一接處灌漿

類型：斜井、豎井。大型水電站中應用最多。

（-）工作特點及適用條件

地下埋管是我國大中型水電站建設中應用最廣泛的一種引水管道型式。

優(yōu)點：

1.布置靈活方便

地下埋管由于在山體內(nèi)部，管線位置選擇較自由，可選擇地質(zhì)條件好的線路，地質(zhì)條件優(yōu)于地表，可縮

短管道長度。地下廠房般全部或部分采用地下埋管。

巖石力學和地卜工程設計、施工技術的迅速發(fā)展，修建壓力堅井和斜井的技術已經(jīng)很成熱，施工條件和

費用在有的國家已開始優(yōu)于地面管道。

2.鋼管與圍巖共同承擔內(nèi)水壓力（聯(lián)合承載），減小鋼襯厚度。

圍巖分擔內(nèi)水壓力的比例取決于巖石的性質(zhì)。當巖石堅硬、完整時，圍巖承擔較大的內(nèi)水壓力，甚至承

擔全部內(nèi)水壓力，鋼板只起防滲作用；特大容量、高水頭的管道，HD值很大，采用明管技術難于實現(xiàn)，地

下埋管就可能得以解決。當上覆巖石較薄(<3。)，巖石質(zhì)量不好時，設計中往往不考慮巖石的承載能力，通常

情況下是提高鋼襯的允許應力。

《規(guī)范》規(guī)定：基本組合：⑹=0.676s；特殊組合：[6]=0.96s

3.運行安全

地下埋管的運行不受外界條件影響，維護簡單，圍巖的極限承我能力一般很高，鋼材又有良好的塑性，

因此管道的超載能力很大。

缺點：

1.構(gòu)造比較復雜，施工安裝工序多，工藝要求較高，施工條件較差，會增加造價；

2.外壓穩(wěn)定問題突出。國內(nèi)外地下埋管破壞多數(shù)為外壓失穩(wěn)。

(-)布置

地形、地質(zhì)條件優(yōu)越，并與調(diào)壓室和廠房有良好的總體布置。

供水方式：多采用聯(lián)合供水

地質(zhì)條件：應布置在堅固完整、地下水位低的巖層中。

地形條件：保證上覆巖層的穩(wěn)定，留有足夠的巖石厚度。當同時要求開挖幾條隧洞時，要有足夠的間

距，防止出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

布置方式：豎井、斜井、平洞。

二、地下埋管的抗外壓失穩(wěn)

地下埋管的外壓失穩(wěn)問題比內(nèi)壓問題更重要。國內(nèi)外地下埋管發(fā)生的事故中，鋼襯破壞大多是由于受外

壓失穩(wěn)造成的。

地下埋管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，承受內(nèi)壓的潛在能力相當高，而其抵抗外壓的能力較低，但管道放空時所受

外壓力的值可能遠高于大氣壓力。

(-)鋼襯的外壓荷載

(1)地下水壓力。鋼襯所受地下水壓力值，可根據(jù)勘測資料選定。根據(jù)最高地下水位線來確定外水壓力

值是穩(wěn)妥的，但常會使設計值過高。同時要分析水庫蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等因素對地下水位的影響。地卜一水

位線一般不應超過地面。

(2)鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力。接縫灌漿壓力?般為0.2MPa。

(3)回填混凝土時流態(tài)混凝土的壓力。其值決定于混凝土?次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重

乘以一次澆筑高度。

(二)埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征

埋管鋼襯在周圍巖石的約束下承受外壓力產(chǎn)生變形時，與地面鋼管有很大不同。

埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要區(qū)別：埋管鋼襯的臨界壓力與材料的屈服強度和初始縫隙值直接有關“

（三）光面鋼襯臨界壓力計算

我國鋼管設計規(guī)范排薦阿氏公式作為主要計算公式：

對于光面管，阿氏公式為：

[/+%]1+12件[義智=3.46^（av0-<7,v）[1-0.45^^^

[rt）EbLBE

ON

匕=一

ZL1+0.35迪亞

S8E'

其中：ON——鋼襯屈曲部分由外壓直接引起的環(huán)向應力；

Jo=cr,/+/E'=EJQ-求）

計算時先求出0N，再求Per。求ON時需要試算。為了方便，已將阿氏公式制成曲線，根據(jù)鋼襯的。s值和

鋼襯的主要參數(shù)r,/5和A/ri,即可直接由圖查出Pcro

初步計算時也可用下列經(jīng)驗公式：

z\1.7

=3440-靖25

（四）加勁環(huán)式鋼襯臨界壓力計算

地F埋管常常采用增加加勁環(huán)的方法來提高穩(wěn)定性和在運輸和施工時增加鋼襯的剛度。

有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算：加勁環(huán)間管壁的穩(wěn)定計算和加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定計算。

1.加勁環(huán)的穩(wěn)定分析

加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定分析可以用光面管公式進行，但按加勁環(huán)的有效截面進行計算。

實際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)變形時約束大，一般可以不考慮加勁環(huán)的外壓穩(wěn)定性問題，而按

強度條件控制，即：

式中：F—加勁環(huán)有效截面；

I—加勁環(huán)間距。

2.加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定

目前沒有合理的計算方法，可以套用帶有加勁環(huán)的明管的外壓穩(wěn)定計算公式。即認為縫隙值很大。這樣

偏于安全。

(五)防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施

工程上一般可以采用下面的幾種措施來提高鋼襯的抗外壓穩(wěn)定性：

(1)降低地下水水壓力是防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法方法是排水廊道結(jié)合排水孔：

(2)精心施工做好鋼襯與混凝土之間的灌漿，減小縫隙。但灌漿時要注意鼓包問題，可采取臨時措施或

限制灌漿壓力；流態(tài)混凝土的外壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或限制澆筑高度。

(3)地下埋管常常采用增加加勁環(huán)的方法來提高穩(wěn)定性和在運輸和施工時增加鋼襯的剛度。

第九節(jié)混凝土壩體壓力管道

一、混凝土壩體壓力管道的特點、類型和布置

混凝土壩體壓力管道是依附于混凝土壩身，即埋設在壩體內(nèi)或固定在壩面上，并與壩體成為一體的壓力

輸水管道。

特點：

結(jié)構(gòu)緊湊簡單，引水長度最短，水頭損失小，機組調(diào)節(jié)保證條件好，造價低，運行管理集中方便；缺點

是管道安裝會干擾壩體施工，壩內(nèi)埋管空腔削弱壩體，使壩體應力惡化。

適用：混凝土壩壩式水電站。

布置方式：壩內(nèi)埋管、壩體上游面鋼管、壩體下游面鋼管。

二、壩內(nèi)埋管

壩內(nèi)埋管的特點是管道穿過混凝土壩體，全部埋在壩體內(nèi)。

(-)壩內(nèi)埋管的布置

1.布置原則

(1)盡量縮短管道的長度；

(2)減少管道空腔對壩體應力的不利影響。

(3)減少管道對壩體施工的干擾并有利于管道本身的安裝和施工.