水电站压力管道.ppt

1、水水水水电电电电站站站站武汉大学水利水电学院水电站教研室武汉大学水利水电学院水电站教研室第八节第八节 地下埋管地下埋管一、地下埋管的特点和构造一、地下埋管的特点和构造 1 1、特点：、特点：布置灵活方便，易于做到短而直（管线布置不完全受地表地布置灵活方便，易于做到短而直（管线布置不完全受地表地形条件控制）；形条件控制）；可以利用围岩承担内水压力，特别对高可以利用围岩承担内水压力，特别对高HDHD值电站意义重大；值电站意义重大；运行安全可靠运行安全可靠 ：A A）不受外界影响（环保）；）不受外界影响（环保）；B B）超载系数）超载系数大（围岩承载力大）；大（围岩承载力大）；构造复杂，施工条件较差

2、；构造复杂，施工条件较差；地下水位高时，抗外压稳定需特别注意（国内外埋管失事多地下水位高时，抗外压稳定需特别注意（国内外埋管失事多为外压失稳）。为外压失稳）。平平面面布布置置（供供水水方方式式）：多多采采用用分分组组供供水水和和联联合合供供水水（以以保保证证各各管管间间有有必必要要的的岩岩壁壁厚度，减小工程量）厚度，减小工程量）竖井竖井+平洞平洞斜井斜井+平洞平洞立面布置立面布置（型式）：型式）：2 2、布置、布置斜井斜井+平洞平洞灌浆灌浆：回填灌浆（平洞、斜井）：回填灌浆（平洞、斜井）接缝灌浆，减少混凝土干缩缝隙接缝灌浆，减少混凝土干缩缝隙 固接灌浆，加固围岩，提高围岩承载力固接灌浆，加固围

3、岩，提高围岩承载力构造：构造：钢衬钢衬+回填混凝土回填混凝土+围岩围岩，组成共同承载，组成共同承载的组合体，回填混凝土仅传递荷载。的组合体，回填混凝土仅传递荷载。施工步骤：施工步骤：开挖开挖：应尽量减少松动区和超挖；：应尽量减少松动区和超挖；钢衬安装钢衬安装；回填混凝土回填混凝土：强度要求不高（：强度要求不高（C15-C20 C15-C20）,但但要求密实；要求密实；3 3、构造与施工、构造与施工电力版规范荷载分类电力版规范荷载分类地下埋管荷载地下埋管荷载电力版规范荷载分类（续）电力版规范荷载分类（续）二、二、地下埋管承受地下埋管承受内压分析内压分析1 1、基本假定：、基本假定：钢衬，回填混凝

4、土、围岩钢衬，回填混凝土、围岩为为均质各向同性、线弹性；均质各向同性、线弹性；混凝土回填前混凝土回填前围岩已充分变形围岩已充分变形，混凝土不承，混凝土不承受围岩变形压力；受围岩变形压力；回填混凝土在内压下回填混凝土在内压下均匀开裂均匀开裂（径向），（径向），只只传递径向力传递径向力；钢衬、混凝土、围岩间存在钢衬、混凝土、围岩间存在初始缝隙，合二初始缝隙，合二为一为一。2 2、应力计算、应力计算设设P P为内水压力，钢衬承受一部分后，传给为内水压力，钢衬承受一部分后，传给混凝土的为混凝土的为P P1 1。钢衬的传递系数为钢衬的传递系数为：钢衬在内水压强（钢衬在内水压强（P-PP-P1 1 ）作用

5、下，径）作用下，径向变位为（向变位为（变位相容条件变位相容条件）：）：混凝土的径向压缩量：混凝土的径向压缩量：r r1 1，r r2 2见图；见图；EcEc混凝土弹性模量混凝土弹性模量混凝土传给岩壁的压强为混凝土传给岩壁的压强为P P2 2，对于开裂混凝对于开裂混凝土，不承受环向力，只传递径向力土，不承受环向力，只传递径向力，根据力，根据力的平衡条件：的平衡条件：假定围岩为弹性材料，能承受切向应力，假定围岩为弹性材料，能承受切向应力，在在P P2 2作用下，岩壁径向变位为：作用下，岩壁径向变位为：钢衬的径向变位：钢衬的径向变位：将上面将上面5 5个方程联立求解，可得钢衬传递系数：个方程联立求解

6、，可得钢衬传递系数：设计钢衬可能有两种情况：设计钢衬可能有两种情况：1.1.已知内水压强求钢衬的厚度；已知内水压强求钢衬的厚度；2.2.已知内压和钢衬的厚度求钢衬应力。已知内压和钢衬的厚度求钢衬应力。已知内水压力求钢衬的厚度已知内水压力求钢衬的厚度,钢衬用容许应力钢衬用容许应力s s 代替：代替：电力版规范：电力版规范：已知内压和钢衬的厚度求钢衬应力：已知内压和钢衬的厚度求钢衬应力：电力版规范：电力版规范：传递系数传递系数在在0 0和和1 1之间变化之间变化，若，若11（相当于相当于E Er r很大很大），则不需要钢衬，若），则不需要钢衬，若00，则全部内水压力，则全部内水压力由钢衬承担，即满

7、足条件：由钢衬承担，即满足条件：在求传递系数在求传递系数时比较困难的是如何确定围岩的弹时比较困难的是如何确定围岩的弹性模量性模量ErEr和初始缝隙和初始缝隙1 1，2 2。衡量岩体变形与作用力的关系，我国习惯上用衡量岩体变形与作用力的关系，我国习惯上用单单位抗力系数位抗力系数K K0 0而不用弹性模量而不用弹性模量ErEr，两者的关系为：，两者的关系为：3 3、对覆盖层的要求、对覆盖层的要求上上面面设设计计理理论论的的中中心心就就是是让让围围岩岩分分担担部部分分内内水水压压力力，围围岩岩能能否否承承担担它它所所分分担担的的这这部部分分内内压压，我国规范作了如下二条要求：我国规范作了如下二条要求

8、：埋深埋深 最小覆盖层厚度最小覆盖层厚度。只有满足此要求，才能按埋管设计。只有满足此要求，才能按埋管设计。上抬理论上抬理论。上覆岩体重量能。上覆岩体重量能与分担的内压维持平衡。与分担的内压维持平衡。三、地下埋管承受外压时的稳定校核三、地下埋管承受外压时的稳定校核1 1、地下埋管承受的、地下埋管承受的外压荷载外压荷载地下水压力地下水压力；回填混凝土时流态混凝土的压力回填混凝土时流态混凝土的压力；钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。2 2、埋管外压下屈曲的形态与临界压力计算公式、埋管外压下屈曲的形态与临界压力计算公式光面管（无加劲环）光面管（无加劲环）：当外压超过钢衬的临界

9、：当外压超过钢衬的临界外压时，一部分钢衬首先失稳，外压时，一部分钢衬首先失稳，屈曲成三个半屈曲成三个半波，一个向内，两个向外波，一个向内，两个向外，在被压屈部分，钢，在被压屈部分，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度。衬中的最大应力达到了材料的屈服强度。一个半波向内一个半波向内两个半波向外两个半波向外（阿式公式）（阿式公式）N钢衬屈服部分由外压直接引起的环向应力，钢衬屈服部分由外压直接引起的环向应力，N 需通过试算得到。需通过试算得到。光面管临界外压的计算式光面管临界外压的计算式光面管临界外压的图解法光面管临界外压的图解法（a）s=230MPa（b）s=330MPa（c）s=420MPa初初步

10、步分分析析时时可可采采用用经经验验公公式式（由由3838个个试试验验资资料料回归分析得到）回归分析得到）钢衬的钢衬的设计外压设计外压PPPPcrcr/K,/K,安全系数安全系数K K取取1 1.8.8。加劲管（设有加劲环）加劲管（设有加劲环）：加劲环的存在使管：加劲环的存在使管壁壁屈曲波数屈曲波数n n增多，波幅减小增多，波幅减小。因管壁与混凝。因管壁与混凝土之间存在初始缝隙，混凝土对管壁变形的土之间存在初始缝隙，混凝土对管壁变形的约束作用不大，故管壁的临界外压仍然用约束作用不大，故管壁的临界外压仍然用MisesMises公式。公式。n n个波个波加劲管临界外压的计算式加劲管临界外压的计算式埋

11、管埋管两加劲环之间的管壁两加劲环之间的管壁外压稳定计算与外压稳定计算与明明管管计算相同。计算相同。屈曲波数：屈曲波数：分别表示钢管壁厚、半径、直径、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。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加劲环本身抗外压稳定计算（阿式公式）（阿式公式）分别为加劲环回转半径，有效截面积，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，以及加劲环间惯性矩，中和轴到外缘的距离，以及加劲环间距。距。多采用多采用排水排水管，结合排水廊道降低地下水位管，结合排水廊道降低地下水位线；线；减小外压力减小外压力减小初始缝隙减小初

12、始缝隙，精心施工和接缝灌浆。，精心施工和接缝灌浆。设加劲环、锚环设加劲环、锚环等等提高结构临界压力。提高结构临界压力。3 3、埋管、埋管防止外压失稳措施防止外压失稳措施3 3、埋管防止外压失稳措施、埋管防止外压失稳措施第九节第九节 坝身管道坝身管道一、特点与类型一、特点与类型1 1、特点、特点：结构紧凑简单；结构紧凑简单；引水道短，机组运行稳定；引水道短，机组运行稳定；运行集中方便，事故及误操作少；运行集中方便，事故及误操作少；管道施工与坝体施工可能有干扰；管道施工与坝体施工可能有干扰；坝体空腔使坝体应力恶化。坝体空腔使坝体应力恶化。2 2、基本类型基本类型：坝内埋管：坝内埋管：管道穿过混凝土

13、坝体，全管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。部埋在坝体内。坝内埋管又分为联合承载的坝内埋管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。和设软垫层的坝内埋管。坝上游面管道：坝上游面管道：管道的大部分位于上管道的大部分位于上游坝面坝体外，仅厂房前较短的一段游坝面坝体外，仅厂房前较短的一段穿过坝体穿过坝体这种布置特别适用于薄拱坝。这种布置特别适用于薄拱坝。坝下游面管道：坝下游面管道：钢管大部分布置在坝下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。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。混凝

14、土管和坝下游面明钢管。二、坝内埋管布置型式二、坝内埋管布置型式1 1、型式型式倾斜式倾斜式 平斜式平斜式 竖直式竖直式2 2、平面布置：、平面布置：一般置于坝段中间，坝体与厂一般置于坝段中间，坝体与厂房用纵缝分开房用纵缝分开3 3、进水口布置与设施：、进水口布置与设施：坝式进口坝式进口三、坝内埋管结构分析三、坝内埋管结构分析1 1、设计的主要内容设计的主要内容：决定钢衬材料及壁厚；决定钢衬材料及壁厚；管外坝体混凝土等级和配筋；管外坝体混凝土等级和配筋；钢衬抗外压稳定计算钢衬抗外压稳定计算加劲环、锚环。加劲环、锚环。2 2、坝内埋管的荷载、坝内埋管的荷载结构强度分析结构强度分析外压稳定分析外压稳

15、定分析坝体渗流压力坝体渗流压力灌浆压力灌浆压力内水压力内水压力坝体荷载坝体荷载(包括自重，包括自重，库水压力等库水压力等)温度变化温度变化电力版规范荷载分类电力版规范荷载分类坝内埋管荷载坝内埋管荷载电力版规范荷载分类（续）电力版规范荷载分类（续）3 3、工作原理与应力分析、工作原理与应力分析（1 1）仅仅有有单单一一的的内内水水压压力力作用；作用；（2 2）把把结结构构简简化化为为轴轴对对称称的的组组合合圆圆环环，且且具具有有均均匀匀缝隙；缝隙；（3 3）钢钢衬衬混混凝凝土土开开裂裂后后形形成径向等长的均匀裂缝。成径向等长的均匀裂缝。具体计算公式略。具体计算公式略。坝内埋管计算公式推导的假设条

16、件：坝内埋管计算公式推导的假设条件：四、四、设软垫层的坝内埋管设软垫层的坝内埋管当当管管经经D D较较大大，而而H不不大大但但砼砼较较薄薄时时，为为防防止止坝坝体体开开裂裂，钢钢衬衬与与坝坝体体混混凝凝土土间间设设置置软软垫垫层层，让让坝体少承担内水压力，提高钢衬应力坝体少承担内水压力，提高钢衬应力。当当D D大大，H H也也大大时时，则则不不宜宜用用，因因此此时时所所需需钢钢衬衬厚度太大，加工困难。厚度太大，加工困难。如福建如福建水口水口、云南、云南漫湾漫湾等电站均采用设软垫层等电站均采用设软垫层的坝内埋管。的坝内埋管。对于设软垫层的坝内管，对对于设软垫层的坝内管，对软垫材料软垫材料的的弹模弹模、厚度厚度、以及、以及包角包角等都需研究。等都需研究。福建水口水电站福建水口水电站 五、坝下游面明钢管五、坝下游面明钢管坝下游面明钢管坝下游面明钢管优点优点:（1 1）管道结构简单、）管道结构简单、受力明确；受力明确；（2 2）施工简便，现场）施工简便，现场安装工作量小，进度安装工作量小，进度快，与坝体施工干扰快，与坝体施工干扰小。小。加拿大里维尔斯托克水电站加拿大里维尔斯托克水电站伊泰普水电