水电站新ppt课件 第八章（3） 水电站的压力管道

水电站

武汉大学水利水电学院水电站教研室第八节地下埋管一、地下埋管的特点和构造

1、特点：①布置灵活方便，易于做到短而直（管线布置不受地表地形条件控制）；②可以利用围岩承担内水压力，特别对高HD值电站意义重大；③运行安全可靠：A）不受外界影响；B）超载系数大（管衬塑性，围岩承载力大）；④构造复杂，施工条件较差；⑤地下水位高时，抗外压稳定需特别注意（国内外埋管失事多为外压失稳）。①供水方式：多采用分组供水和联合供水（以保证各管间有必要的岩壁厚度，减小工程量）竖井+平洞斜井+平洞②型式：2、布置④灌浆：回填灌浆（平洞、斜井）接缝灌浆，减少混凝土干缩缝隙固接灌浆，加固围岩，提高围岩承载力构造：钢衬+回填混凝土+围岩，组成共同承载的组合体，回填混凝土仅传递荷载。施工步骤：①开挖：应尽量减少松动区和超挖；②钢衬安装；③回填混凝土：强度要求不高（150-200#）但要求密实；3、构造与施工二、地下埋管承受内压分析1、基本假定：

①钢衬，回填混凝土、围岩为均质各向同性、线弹性；②混凝土回填前围岩已充分变形，混凝土上不承受围岩变形压力；③回填混凝土在内压下均匀开裂（径向），只传递径向力；④钢衬、混凝土、围岩间存在初始缝隙，合二为一。

2、应力计算①设P为内水压，钢衬承受部分，传给混凝土的为P1。钢衬的传递系数为：②钢衬在内水压强（P-P1

）作用下，径向变位为（变位相容条件）：③混凝土垫层的径向压缩量：r1，r2见图；Ec混凝土弹性模量混凝土传给岩壁的压强为P2，对于开裂混凝土，不承受环向力，只传递径向力，根据力的平衡条件：④假定围岩为弹性材料，能承受切向应力，在P2作用下，岩壁径向变位为：⑤钢衬的径向变位：将上面5个方程联立求解，即可得钢衬的传递系数：设计钢衬可能有两种情况：1.已知内水压强求钢衬的厚度；2.已知内压和钢衬的厚度求钢衬应力。已知内水压强求钢衬的厚度,钢衬用容许应力[σs]

代替：电力版规范：已知内压和钢衬的厚度求钢衬应力：电力版规范：

传递系数ε在0和1之间变化，若ε≥1（相当于Er很大），则不需要钢衬，若ε≤0，则全部内水压力由钢衬承担，即满足条件：在求传递系数ε时比较困难的是如何确定围岩的弹性模量Er和初始缝隙Δ1，

Δ2。又衡量岩体变形与作用力的关系，我国习惯上用单位抗力系数K0而不用弹性模量Er，两者的关系为：3、对覆盖层的要求上面设计理论的中心就是让围岩分担部分内水压力，围岩能否承担它所分担的这部分内压，我国规范作了如下二条要求：①埋深

—最小覆盖层厚度。只有满足此要求，才能按埋管设计。②—上抬理论。上复岩体重量能与分担内压维持平衡。4、参数取值单位抗力系数K0

：与岩石弹模，岩体的节理、裂缝等结构面有关。只能通过现场试验，根据经验慎重选用。公式一般不宜采用。为了提高围岩抗力，一般可通过固结灌浆来提高K0值，但其效果需经试验分析。①由上面分析可知，围岩承担内水压力的大小与K0

、Δ关系密切，但K0

、Δ不易确定。②初始缝隙：它包括如下三部分r（其总值通常约在（3.5-4.3）×10-4r

）：经验修正参数，与破碎范围有关。

(a)施工缝隙：混凝土灌浆干缩及施工不良引起（精心施工作好接缝灌浆接缝灌浆时可取0.2mm）(b)钢衬冷缩缝隙：(c)围岩冷缩缝隙：围岩线胀系数和岩壁充水前后的温差。三、钢衬承受外压时的稳定校核1、概念：结构体型在荷载作用下失去稳定平衡称失稳。临界压力：钢管失去稳定平衡的最小外压力值称临界压力。2、埋管外压稳定校核的荷载地下水压力；钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力；回填混凝土时流态混凝土的压力。外压稳定：要求钢管可能的最大外压小于临界压力，并留有安全裕量。贵州响水电站贵州响水电站埋管失稳示意图①多采用排水管，结合排水廊道降低地下水位线；—减小外压力②减小初始缝隙，精心施工和接缝灌浆。③设加劲环、锚环等—提高结构临界压力。3、埋管防止外压失稳措施加劲环4、埋管外压下屈曲的形态与临界压力计算公式光面管（没设加劲环）：当外压超过钢衬的临界外压时，一部分钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内，两个向外，在被压屈部分，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度。一个半波向内两个半波向外加劲管（设有加劲环）

：加劲环的存在使管壁屈曲波数n增多，波幅减小。受混凝土限制，随着外压增加，应力也增加，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度。n个波（阿式公式）

σN—钢衬屈服部分由外压直接引起的环向应力，σN

需通过试算得到。光面管临界外压的计算式初步分析时可采用经验公式（由38个试验资料回归分析得到）钢衬的容许外压[P]≤Pcr/K,安全系数K取2.0。加劲管临界外压的计算式埋管两加劲环之间的管壁外压稳定计算与明管计算相同。屈曲波数：

分别表示钢管壁厚、半径、直径、泊松比、弹模、屈曲波数、加劲环间距。加劲环本身抗外压稳定计算（阿式公式）

分别为加劲环回转半径，有效截面积，惯性矩，中和轴到外缘的距离，以及加劲环间距。上式为矩形加劲环的计算式，若为T形加劲环，由于混凝土的锚固作用，一般可不进行稳定计算。阴影线部分为加劲环有效截面积第九节坝身管道一、特点与类型1、特点：①结构紧凑简单；②引水道短，机组运行稳定；③运行集中方便，事故及误操作少；④管道施工与坝体施工可能有干扰；⑤坝体空腔使坝体应力恶化。坝身管往往是最经济合理的布置形式，力求将不利因素降至最低。2、基本类型：坝内埋管：特点是管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。坝内埋管又分为联合承载的坝内埋管和设软垫层的坝内埋管。坝上游面管道：特点是管道的大部分位于上游坝面坝体外，仅厂房前较短的一段穿过坝体．这种布置特别适用于薄拱坝。坝下游面管道：钢管大部分布置在坝下游面上，仅进口后较短的一段穿过坝体。从结构形式分又分为坝下游面钢衬钢筋混凝土管和坝下游面明钢管。二、坝内管布置型式1、型式倾斜式平斜式竖直式2、平面布置：一般置于坝段中间，坝体与厂房用纵缝分开3、进水口布置与设施：坝式进口三、坝内埋管结构分析1、设计的主要内容：①决定钢衬材料及壁厚；②管外坝体混凝土等级和配筋；③钢衬抗外压设施。2、坝内埋管的荷载结构强度分析外压稳定分析④坝体渗流压力⑤施工荷载①内水压力②坝体应力(包括自重，库水压力等)③温度变化3、工作原理与应力分析1、仅有单一的内水压力作用；2、把结构简化为轴对称的组合圆环，且具有均匀缝隙；3、钢衬混凝土开裂后形成径向等长的均匀裂缝。坝内埋管计算公式推导的假设条件：在内水压力作用下，坝内埋管计算可能有三种情况，即混凝土未开裂；混凝土未裂穿；混凝土裂穿。（1）判别混凝土开裂情况首先假定钢衬厚度δ和钢筋折算厚度δ3，然后计算出：根据水电站压力钢管规范，可查相应的图判别混凝土是否开裂。若混凝土未裂穿，可由下式推求混凝土相对开裂深度：式中：前面方程中ψ有双解，取其小值。若ψ≤r0/r5表示混凝土未开裂；若ψ>1，则混凝土已裂穿。ψ用试算求解，在压力钢管设计规范中有曲线可查。1、混凝土未开裂钢衬环向应力混凝土环向应力钢筋接近孔口内缘应力（2）计算各部分应力2、混凝土未裂穿钢筋环向应力钢衬环向应力3、混凝土裂穿钢衬环向应力钢筋环向应力——钢衬内半径；——环向钢筋中心线半径；——混凝土开裂区外半径；——混凝土完整区外半径；——钢衬壁厚；——环向钢筋折算厚度；——钢衬与混凝土之间的缝隙值；——内水压力；——钢衬传给混凝土的内水压力；——钢材弹模；——混凝土弹模；——混凝土泊松比；——混凝土允许拉应力；——钢衬环向拉应力；——混凝土最大环向拉应力；——钢筋拉应力。上述计算仅为承受内水压力情况。在坝体荷载作用下孔口有附加环向应力。将内压荷载和坝体荷载在孔口引起的环向应力叠加，通过配筋计算求出钢筋用量。讨论分析：上述设计方法存在问题：①平面应变轴对称问题简化——粗糙；②混凝土等厚度均匀开裂假定——与实际相差较大；③配筋计算时将混凝土假定为均质弹性体，按拉应力配筋—与混凝土开裂矛盾；④温度应力考虑还很粗糙。四、设软垫层的坝内管当管经D较大，H不很大时，为防止坝体开裂，保证坝体安全，钢衬与坝体混凝土间设置软垫层，让坝体少承担内水压力，提高钢衬应力。当D大，H也大时，则不宜用，因此时所需钢衬厚度太大，加工困难。

如福建水口、云南漫湾等电站均采用设软垫层的坝内埋管。对于设软垫层的坝内管，对软垫材料的弹模、厚度、以及包角等都需研究。福建水口水电站五、坝下游面明钢管坝下游面明钢管的优点：1、管道结构简单、受力明确；2、施工简便，现场安装工作量小，进度快，与坝体施工干扰小。加拿大里维尔斯托克水电站伊泰普水电站缺点：1、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难度。2、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。六、坝下游面钢衬钢筋混凝土管道钢衬钢筋混凝土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。湖南东江水电站这种管道结构的优点是：１、管道位于坝体外，所以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陷引起的集中破裂口带来的严重后果。