【正文】 工程布置、施工條件、施工機械和施工方法選用。另外，要合理選擇施工支洞的高程和位置，以方便出碴、運輸鋼襯和混凝土澆筑，并考慮作為永久排水洞和觀測洞。(2) 鋼襯安裝鋼襯一般在工廠制成一定長度的管節(jié)，運輸?shù)蕉磧?nèi)，用預埋錨件固定，校正圓度、壓縫整平后進行焊接。混凝土回填的缺陷對鋼襯外壓穩(wěn)定非常不利。鋼管與混凝土襯圈之間如果存在超過設計允許的縫隙，應進行接縫灌漿。灌漿后，全部灌漿孔必須嚴密封閉，以防運行時內(nèi)水外滲，造成事故。共同承擔荷載時，地下埋管在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形，變形前后的狀態(tài)和荷載傳遞情況見圖839所示。如果縫隙是均勻的，巖石又是各向同性的，那末地下埋管是對稱的組合圓筒結構，在均勻內(nèi)壓下的位移和應力可按平面應變下的相容條件得出解析解答。圍巖在內(nèi)壓q作用下的徑向位移 (843)式中，K稱為圍巖的抗力系數(shù)，其定義是圍巖中給定半徑的圓形孔口受均勻內(nèi)壓作用下，孔周發(fā)生1cm徑向位移值時所需的均勻內(nèi)壓值，單位為MPa/cm?？梢奒0值是很重要的。在確定了巖體的彈性模量Er和泊松比μr后，可以由下式計算單位抗力系數(shù)K0 (850)2．初始縫隙值Δ對鋼襯應力的影響初始縫隙值Δ對鋼襯應力的影響也可由下面的算例看出，設r1=200cm，δ＝、P＝2MPa，K0＝40MPa/cm，則Δ由0變?yōu)?mm時。平洞和坡度較小的斜井在澆筑混凝土時，鋼管兩側易于平倉振搗，回填混凝土的質(zhì)量較易保證；而頂、底拱部位易于形成較大空隙，故施工縫隙沿管周的分布是不均勻的。巖石不是完全彈性體，在長期反復荷載作用下，有部分變形在卸荷后不能復原，形成殘余變形，且在一定時間內(nèi)會逐漸增大，其原因是巖體的節(jié)理和裂隙在加荷后閉合而卸荷后不能完全復原，這種殘余變形稱為塑性蠕變縫隙。對于較破碎的巖體進行固結灌漿，封堵節(jié)理和裂隙，能有效地減小巖體的殘余變形。在埋管水壓試驗的穩(wěn)壓階段，在一定時間之內(nèi)鋼襯應力會隨時間逐漸增大，就是由于鋼襯和圍巖因熱交換逐漸冷卻的結果。其徑向變位為 式中，和分別為圍巖的線脹系數(shù)和巖壁充水前后的溫差，為圍巖破碎區(qū)影響系數(shù)，可按表86查取。這是因為地下埋管是一種薄殼結構，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。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。其值決定于混凝土一次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次澆筑高度。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，如圖840所示。(三) 鋼襯臨界外壓力計算1．光面鋼管在均勻外水壓力作用下，光面鋼管的計算公式頗多，在我國比較常用的是阿姆斯圖茲(Amstutz)公式。在被壓屈部分，鋼襯中的最大應力達到了材料的屈服強度σs。因此理論公式的計算結果只能起參考作用。有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算包括加勁環(huán)間管壁的穩(wěn)定計算和加勁環(huán)斷面的穩(wěn)定計算兩個方面。(四) 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，比較廣泛采用的方法是排水廊道結合排水孔；(2) 精心施工做好鋼襯與混凝土之間的灌漿，減小縫隙。地下管道的襯砌形式除鋼板襯砌外，尚有混凝土及鋼筋混凝土襯砌、預應力混凝土襯砌和具有防滲薄膜的混凝土襯砌等。襯砌主要只能起到平整洞壁的作用。但對小型工程和在設計的初步階段，由于地質(zhì)資料不足，原始地應力場難以確定，在這。洞室開挖后的二次應力與充水后的三次應力不但與洞室的尺寸和形狀有關，而且決定于原始地應力場。在高水頭情況下，防滲和承擔內(nèi)水壓力主要靠圍巖。五、不用鋼襯砌的地下管道為了節(jié)約投資和加快施工進度，取消鋼襯是近代埋藏式壓力管道設計的一個發(fā)展方向。但實際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)變形時約束大，很難像光滑管壁那樣脫離混凝土向內(nèi)屈曲，所以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，即鋼襯在外壓作用下加勁環(huán)內(nèi)平均壓應力不超過材料屈服強度的條件來確定臨界壓力： (856)式中： F——加勁環(huán)有效截面； l——加勁環(huán)間距。計算時，Pcr和σs的單位均采用N/mm2。如果采用高強度鋼，若σs(σb為鋼材的極限強度)，則采用σs=。因此我國鋼管設計規(guī)范推薦阿氏公式作為主要計算公式。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。鋼村在承受地下水壓力和灌漿壓力時，已經(jīng)受到混凝土墊層的約束。(2) 鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力。鋼襯所受地下水壓力值，可根據(jù)勘測資料選定。 表86 取 值r4/r11235791011Δ’r0圖840 鋼襯外壓失穩(wěn)四、地下埋管的抗外壓穩(wěn)定分析地下埋管的鋼襯也存在外壓作用下失穩(wěn)的問題。如果施工季節(jié)選擇不當，Δst可以達到相當數(shù)值。(3) 溫度收縮縫隙。完整巖體的殘余變形很小。一般情況下，如果管外的混凝土填筑質(zhì)量很好，并進行了認真的接縫灌漿。初始縫隙主要由以下幾種縫隙組成：(1) 施工縫隙Δ0：回填的混凝土在凝固過程中釋放的水化熱使鋼襯膨脹，混凝土凝固以后溫度恢復正常，混凝土和鋼襯均發(fā)生收縮，在鋼襯和混凝土以及混凝土與巖石之間形成縫隙。因為巖體中常存在比較軟弱的節(jié)理和裂隙，所以巖體本身并不是線彈性各向同性體，在試驗室中也無法準確地確定巖體的參數(shù)，所以巖體的參數(shù)只有靠大規(guī)模現(xiàn)場試驗或工程經(jīng)驗確定。1．圍巖單位抗力系數(shù)K0的影響首先看一下單位抗力系數(shù)K0的影響程度。在內(nèi)水壓力P作用下，設已經(jīng)開裂的混凝士襯圈與圍巖之間的徑向接觸應力為q，則根據(jù)襯圈楔塊的力的平衡條件，鋼襯與襯圈之間的接觸應力： (840)鋼襯在內(nèi)壓P和外壓Pc作用下的環(huán)向拉應力： (841)鋼襯的徑向位移(離心方向)： (842) 上二式中：E——鋼襯的彈性模量； μ——鋼襯的泊松比。埋圖839 地下埋管的變形管承受內(nèi)壓后，鋼襯發(fā)生徑向位移，待縫隙消失后，繼續(xù)向混凝土襯圈傳遞內(nèi)壓，使混凝土內(nèi)發(fā)生環(huán)向拉應力，從而在襯圈內(nèi)產(chǎn)生徑向裂縫。地下埋管的結構分析方法，根據(jù)縫隙條件和覆蓋圍巖厚度，分為鋼管與圍巖共同承受荷載和由鋼管單獨承受荷載兩類情況。基巖固結灌漿可視圍巖情況、內(nèi)水壓力、設計假定、開挖爆破方式等情況確定。(4) 灌漿灌漿分為回填灌漿，接縫灌漿和固結灌漿。更重要的是要采用合適的原材料和級配、合理的輸送、澆筑和振搗工藝，以保證回填混凝士密實、均勻、圍巖和鋼襯緊密貼合。需要在管壁外側進行焊接者。其施工程序包括洞井開挖、鋼襯安裝、混凝土回填和灌漿四個工序。對管線的地質(zhì)構造(巖石走向、節(jié)理裂隙)進行認真研究，以防塌方和巖石脫落，地下施工要考慮出碴和澆筑混凝土要求，管道與水平面夾角不宜小于40?。(二) 布置地下埋管的線路選擇見本章第二節(jié)。(3) 運行安全地下埋管的運行不受外界條件影響，維護簡單，圍巖的極限承載能力一般很高，鋼材又有良好的塑性，因此管道的超載能力很大。圍巖分擔內(nèi)水壓力的比例取決于巖石的性質(zhì)。在不易修建明鋼管的地方，一般可以布置地下埋管。(一) 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，國外裝機容量在1000MW以上的水電站中，采用地下埋管的占40%左右。 圖837 無梁岔管 圖838 隔壁岔管第九節(jié) 地下埋管一、地下埋管的布置與工作特點地下埋管是埋藏在地下巖層之中的管道，其施工過程是：首先在巖石中開挖隧洞，并清理石渣，進行支護等，然后安裝鋼管，再在鋼管和巖石洞壁之間回填混凝土，最后進行接觸灌漿。為了改善受力條件，可以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，構成一個比較平順的、無太大不連續(xù)接合線的體型，從而形成無梁岔管，如圖837所示。圖336 球形岔管 (五) 無梁岔管無梁岔管是在球形岔管的基礎上發(fā)展起來的。應當力求使上述三種力通過補強環(huán)斷面的形心，以使補強環(huán)為一軸心受拉圓環(huán)，而不使斷面產(chǎn)生扭轉。球殼厚度可按內(nèi)水壓力作用下球殼的膜應力來確定，并考慮熱加工及銹蝕等余量。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。加強板的寬度應不小于(～)D，其中D為主支管軸線相交處的主管直徑。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。由于外型規(guī)整，內(nèi)水壓力也易于通過管殼傳給混凝土襯砌和圍巖，使圍巖的彈性抗力得到更好地發(fā)揮。如上所述，三梁岔管的U梁插入管殼內(nèi)能改善U梁和管殼的應力狀態(tài)，一般來講，插入愈深，往往是應力愈均勻。同時，在內(nèi)壓的作用下，由于相貫線的垂直變位較小，用于埋管則不能充分利用圍巖的抗力。插入深度在腰梁連接端為零，中部斷面處最大。另兩個岔管U梁未插入管壁內(nèi)，～。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，是梁系中的主要構件。三、岔管的結構形式(一) 三梁岔管在壓力鋼管的分岔處，由于管殼相互切割，不再是一個完整的圓形，如圖833所示。由于在相貫線處主支管互相切割，常常需要沿相貫線用構件加強。我國已建鋼岔管的布置形式中卜形布置居多。用于主管分成二個相同的支管，如一管二機。二、岔管的布置形式岔管的典型布置有以下三種，如圖831所示。(5) 經(jīng)濟合理。岔襠角γ和順流轉角θ也宜采用較小值。從設計和施工來說，岔管應滿足下列要求：(1) 運行安全可靠。上下游壓力引水道上的分岔管往往尺寸較大，但內(nèi)壓較低。重復上面的步驟，直到滿足要求。用公式(837)和(838)計算臨界壓力非常繁瑣，也可以用查圖表的方法求臨界壓力，圖表是根據(jù)上述公式繪制而成，見圖829。發(fā)生多波屈曲所需的外壓力比發(fā)生雙波屈曲的外壓力要大，但這與加勁環(huán)的間距有關。經(jīng)過推導，得出臨界壓力Pcr為 (836)式中 D —— 圓環(huán)直徑； E —— 鋼的彈性模量； μ—— 鋼的泊松比； δ —— 鋼管厚度。二、抗外壓穩(wěn)定性校核鋼管承受均布外壓荷載時，其抗外壓穩(wěn)定性可按下式驗算： (835)其中：Kc—抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，；P0k—徑向均布外壓力標準值；Pcr—抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值。按照第四強度理論(畸變能理論)，各應力計算點的等效應力為 (833)或簡化為 (834)要求： σφ[σ]第七節(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)象鋼管是一種薄壁結構，可以承受較高的內(nèi)壓，但承受外壓力的能力較差。斷面(4)(4)各應力的方向和分布，如圖826所示。仍用彈性中心法計算內(nèi)力，計算簡圖如圖8－24(b)。當b=，支承環(huán)各斷面的內(nèi)力分布情況如圖825所示。由彈性中心法可以求得 (827) (828)式中 Ms——圓弧上各點的靜定力矩，以順時針方向為正；y——圓弧的縱坐標； ds——弧長的微分。管重和水重在支承環(huán)兩側管壁上產(chǎn)生的剪應力均為，因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為 (826)要進行支承環(huán)截面的內(nèi)力計算，實際上是要計算一個封閉圓環(huán)各斷面上的彎矩MR、剪力TR和軸力NR。符號ε的意義見圖8－23(b)。因為鋼管斷面是一個對稱圓環(huán)，是一個三次超靜定結構，可用彈性中心法計算支承環(huán)上各點的內(nèi)力。隨著支承方式和結構不同，應力狀態(tài)也不同?？偳邢蚶瓚? (821)將式(8－16)代入上式得 (822)根據(jù)式(8－18)可得 (823)將上式代入式(8－22)，即可得 (824)4．剪應力由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪應力用式(8－9)計算，而由剪應力互等定理可知= (825)圖8－22加勁環(huán)斷面管壁應力分布和方向示意圖斷面(3)(3)的軸向應力σxσx2和剪應力的計算，均與斷面(2)(2)相同。=aδ, β≈0。根據(jù)彈性理論，M與V之間存在關系如下： (813)在M與V的共同作用下，該處管壁的徑向變位減小Δ3 (814)式中 k——等效