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65第三章 地下埋藏式压力管道 1 地下埋管的特点和构造 地下埋管是埋藏于地层岩石之中的钢管, 可以是斜的、 垂直的,所以也被称为斜井、竖井,或称隧洞式压力管道。它由开挖岩洞,安装钢衬,再在岩层与钢衬之间浇注混凝土做成。这类管道有时不用钢管做衬砌而用其他衬砌形式。 1.1 工作特点及适用条件 地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。 国外已建和在建的装机容量为 100 万 kW 以上的常规水电站中,采用地下埋管的就占 40左右。全世界已建和在建的容量为 100 万 kW 以上的抽水蓄能电站,绝大多数采用地下埋管。世界上承受水头最高和HD 值最大的管道也是地下埋管。我国已建的水电站中,采用地下埋管的, 最大装机容量为 90万 kW, 最大设计内压 724m, 最大管径 8 8m。在建的最大的地下水电站二滩电站,也采用地下埋管。 地下埋管得到这样广泛的应用,是因为与明管相比,它具有一些突出的优点。 (1)布置灵活方便。明管要求比较好的地形和地质条件,即坡度适中,地基有足够强度,无滑坡、泥石流、雪崩等危险,无强烈地震等。地下埋管埋设在岩体内部,地质条件优于地表,管线位置选择比较自由,而且往往可以缩短管道长度。在明管不易修建的地方,地下埋管总是可以布置的。至于地下厂房,必然要全部或部分采用地下埋管。近几十年来岩石力学和地下工程设计、施工技术有了迅速发展,修建压力竖井和斜井的技术相当成熟,施工条件和费用在有的国家已开始优于地面管道。 (2)利用围岩承担内水压力,减少钢衬壁厚。不仅坚固的围岩可以承担内水压,即使地质条件较差,采取适当措施后,仍可发挥围岩的承载力。减少钢衬壁厚,不仅可以降低造价,而且使制造、 66焊接、安装等工作简化,在保证钢衬质量、加快安装速度方面,其优越性甚至更为重要。特大容量、高水头的管道, HD 值很大,采用明管技术上难于实现,采用地下埋管就可能解决。 (3)运行安全。地下埋管的运行不受外界条件影响,维护简单。围岩的极限承载能力一般很高,钢材又有良好的塑性,因此管道的超载能力很大。 地下埋管也有其缺点。首先,它构造比较复杂,施工安装工序多, 工艺要求较高而地下施工条件又较差。 这些因素会使造价增加,工程质量不易保证,而且影响工期,有时地下埋管会成为电站投产的关键。其次,在地下水压力较高的地方,钢衬可能受甚大外压,造成失稳。国内外地下埋管的破坏事故中,多数是外压失稳。 1.2 布置 地下埋管线路应尽量选择在地形、地质条件优越的地区,并与调压室和厂房有良好的总体布置。有利的地形能减少管道长度,从而节约投资和改善机组运行条件,同时便于施工。埋在坚固、完整和覆盖岩层厚的岩体中的管道,可以更多利用围岩承担内水压的能力。要使埋管轴线尽量与岩层构造面垂直。应避开地下水压力和涌水量很大而又不易采取有效排水措施的地段,以避免钢衬在外水压力作用下丧失稳定而破坏。 地下埋管宜用单管多机供水方式。 若管道较短、 引用流量较大、机组台数较多、分期施工间隔较长或工程地质条件不宜开挖大断面洞井,则经技术经济比较,可采用两根或更多的管道,相邻两管间距除考虑开挖爆破影响外,还应进行岩体强度验算。 洞井型式 (平洞、斜井、竖井 )及坡度,应根据布置要求、工程地质条件、施工机械和施工方法的条件选用。 1.3 构造与施工要求 地下埋管是钢衬与岩体之间用混凝土回填后共同受力的组合结构。它的施工程序包括开挖、钢衬安装、混凝土回填和灌浆等。 洞井开挖可以用不同方法。尽量采用光面、预裂爆破或掘进机 67开挖,保持圆形孔口,减少爆破松动影响。对施工支洞要合理选择其高程及平面位置以利出碴、运输钢衬和混凝土浇筑,并考虑作为永久性排水洞和观测洞的可能。钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸,视施工方法和结构布置 (开挖、回填、焊接等方法以及有无锚固加劲构件等 )而定。凡钢管就位以后需要在管外焊接作业者,两侧和顶部至少留 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,减小加劲环高度,以节省开挖和回填混凝土量。 钢管衬砌一般在加工厂经钢板划线、切割、卷板、拼装、焊接、探伤、除锈、涂防锈层等工艺,焊制成一定长度的管节,运输到洞内用预埋的锚件固定,校正圆度、压缝整平后,焊接安装环缝。 钢衬与围岩之间回填的混凝土仅起传递径向内压力而不必承受环向拉力,因此混凝土标号不必太高,但也不宜低于 150 号。更为重要的是要采用合适的原材料和级配,合理的输送、浇筑和振捣工艺,以保证回填混凝土密实、均匀并和围岩及钢衬密切贴合。斜管及平管的底部,止水环和加劲环附近尤须加强振捣,不许出现疏松区和空洞。在地下水丰富的地层施工时,要特别注意地下水冲走水泥浆而影响混凝土密实。回填混凝土的缺陷会引起钢衬的局部弯曲,特别不利,甚至不如明管。所有这些缺陷常常是造成地下埋管事故的重要原因。采用预埋骨料压浆混凝土和微膨胀水泥等,常可取得较好的效果,而且可将混凝土浇筑和回填灌浆的工艺结合为一,并对钢衬起一定预压作用。采用竖井和较陡的斜井,有利于回填混凝土的质量。 灌浆分回填灌浆、接缝灌浆和固结灌浆。关于各种灌浆的必要性,存在不同看法。但我国现行钢管设计规范作了规定:平洞、斜井应作顶拱回填灌浆, 因为顶拱处很不容易浇注好; 在结构分析中,若考虑钢衬与围岩联合受力,应该作钢衬与混凝土、混凝土与围岩之间的接缝灌浆,且宜在气温最低的季节施工,以减少缝隙值。基岩灌浆可视具体条件选用。灌浆过程中,应严密监视,防止钢衬失稳等事故。灌浆后,全部灌浆孔均必须严密封堵,以防运行时内水 68外渗,造成事故。 2 地下埋管结构分析方法 2.1 钢管承受内压结构分析 2.1.1 缝隙计算 地下埋管结构由钢管、回填混凝土和围岩组成 (见图 3-1)。 从缝隙分布位置划分,钢管与回填混凝土之间存在缝隙21,回填混凝土与围岩之间存在缝隙22。 从缝隙形成原因分析: 2=b+s+r(3-1) 式中2:包括施工缝隙b、钢管冷缩缝隙s(计算最大缝隙值应取下述最低运行温度情况的s1)和围岩冷缩缝隙r等因素形成的累计缝隙值。 (1) 施工缝隙b。施工缝隙由混凝土和灌浆浆液收缩及施工不良造成,其数值大小主要取决于施工质量。如回填混凝土浇筑密实,并进行可靠的回填和接触灌浆,可取b=0.2mm。 (2) 钢管冷缩缝隙s。钢管通水后,因水温较低,由钢管冷缩而形成的钢管与混凝土衬圈间的缝隙。 1) 最低运行温度情况。 s1= Tssr(1+s) (3-2) 式中:s1最低运行温度情况下的钢管冷缩缝隙值 (mm); Ts钢管起始温度减最低运行温度 ( ),起始温度 (即相 应于管壁环向应力为 0,且 2=b的温度 ),如 无 资料,可近似用平均地温,最低运行温度可近似用 最低水温; s钢材线膨胀系数 (1/ ); r钢管内半径 (mm); s钢材泊松比。 图 3-1 地下埋管计算简图 692) 最高水温情况。 s2= Ts1sr(1+s) (3-3) 式中:s2最高水温情况下的钢管冷缩缝隙值 (mm); Ts1钢管起始温度减最高水温 ( ),可为负值。 (3) 围岩冷缩缝隙r。 r= Trrr5r(3-4) 式中:r围岩冷缩缝隙值 (innl); Tr洞壁表面岩石起始温度减最低温度 ( ),如无实测 资料,可近似用平均地温减最低三个月平均水温; r围岩膨胀系数 (1/ ); r5回填混凝土外半径 (mm),即隧洞开挖半径; r围岩破碎区相对半径影响系数,由 r5/r 值查图 3-2。 r5围岩破碎区外半径 (mm),坚硬完整围岩可取 r6=r5,破碎软弱围岩可取 r6=7r,中等围岩内插选取。 图 3-2 r与 r5/r 的关系曲线 2.1.2 结构分析方法 地下埋管承受内水压力的结构分析方法, 根据缝隙判别条件和覆盖围岩厚度条件,划分为由钢管与围岩共同承载和由钢管单独承载两类情况。 缝隙判别条件: 7022sREr(3-5) 覆盖围岩厚度条件: Hr 6r5(3-6) )tan1(cos22rrrpH+ (3-7) 式中:R钢管结构构件的抗力限值 (N mm2); Es2平面应变问题的钢材弹性模量 (N mm2); Hr垂直于管轴的最小覆盖围岩厚度 (mm),式 (3-6)中 Hr 不应计人全风化层和强风化层,式 (3-7)中 Hr不应计 人全风化层,见图 3-3; p2围岩分担的最大内水压力 (N mm2),512rtprp= ; p内水压力设计值 (N mm2); 1内压作用下钢管最小环向正应力 (N mm2), 201201110001000ssErKtKpr+=; K01围岩单位抗力系数最大可能值 (N mm3); r围岩重度较小值 (N mm3); 管轴与水平面夹角 ( ),若 60,则取 =60。 图 3-3 地下埋管上覆围岩厚度定义 71r围岩侧向压力系数。 (1) 钢管与围岩共同承受内水压力情况。 1) 同时满足缝隙判别条件和全部覆盖围岩厚度条件,钢管 壁厚 t 按下式计算: +=2201000sRRErKprt(3-8) 相应钢管最大环向应力按下式计算: RsErKtKpr+=202010001000(3-9) 若由式( 3-8)求得的 t0 或较小,则钢管壁厚由抗外压稳定和最小壁厚确定。 式中: t钢管管壁厚度 (mm); K0围岩单位抗力系数较小值 (N mm3); 钢管环向正应力 (N mm2)。 2) 满足式 (3-5)和式 (3-6),但不满足式 (3-7)。 令 p2=rHrcos (1+rtan2 ) (3-10) 则 Rrpprt52= (3-11) 以上各式中R均按地下埋管取值。 ( 2) 钢管单独承受内水压力情况 1) 满足式( 3-6) ,但不满足式( 3-5) , t 按式 (3-12)计算,式中R仍按地下埋管取值。 Rprt= (3-12) 2) 不满足式 (3-6), t 仍按式 (3-12)计算,但式中R按明管取值。 2.2 钢管抗外压稳定分析 722.2.1 光面管 计算临界外压可用经验公式或阿姆斯特兹公式。 (1) 经验公式: 25.07.1612scrrtp = (3-13) 式中: pcr抗外压稳定临界压力计算值 (N mm2); s钢材屈服点 (N mm2)。 (2) 阿姆斯特兹公式,可用式( 3-14)计算,亦可查图 3-4。 () +=2235.01skskcrEtrtrp( 3-14) 图 3-4 地下埋管临界外压曲线(阿氏公式) ( a) s=230N/mm2; (b) s=330N/mm2; (c) s=420N/mm22.2.2 加劲环式钢管 (1) 加劲环间管壁的稳定。加劲环间管壁的临界外压可采用 明管相应公式计算。 (2) 加劲环的稳定。临界外压 pcr可按式 (3-15)计算: 73rlApRscr= (3-15) 式中: AR加劲
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