【正文】 為了防滲和承擔(dān)內(nèi)水壓力，圍巖必須較新鮮完整，同時，其原始的最小主壓應(yīng)力應(yīng)不小于該點的內(nèi)水壓強，～，以防在充水后圍巖被水力劈裂。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；(3) 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。初步計算時也可用下面的經(jīng)驗公式： (855)該公式是根據(jù)38個不同國家、不同試驗者在不同時期得出的模型試驗資料，用回歸分析的方法建立的，其相關(guān)性很好。國內(nèi)外實際工程的地下埋管失穩(wěn)破壞和模型實驗失穩(wěn)破壞的實例說明，其破壞形態(tài)與阿氏公式假設(shè)的變形形態(tài)相符，阿氏公式的計算結(jié)果比較接近模型試驗值。 (二) 埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征鋼村承受流態(tài)混凝土壓力時，因鋼襯尚無約束，類似明鋼管承受外壓。(一) 鋼襯的外壓荷載地下埋管鋼襯所承受的外壓力有以下幾種：(1) 地下水壓力。鋼襯的徑向溫降收縮可用下式計算 式中，和分別為鋼材的線脹系數(shù)和泊松比，為鋼襯充水前后的溫差。塑性蠕變縫隙的大小與巖體的破碎程度有關(guān)。初始縫隙值Δ的變化很大，影響其大小的因素很多，也相當(dāng)復(fù)雜，不易準(zhǔn)確確定。工程上常使用單位抗力系數(shù)K0，即半徑為100cm的孔口受均勻內(nèi)壓時，孔周發(fā)生1cm徑向位移值時均勻內(nèi)壓值，如果圍巖是線彈性體，則存在下列關(guān)系 K＝100K0/r3 (844)于是 (845)根據(jù)鋼襯、混凝土襯圈和圍巖徑向位移必須相容的條件，有 將各表達(dá)式代入化簡，并考慮r2≈r1，可得 (846) (847)因此可以得出鋼襯應(yīng)力的計算公式，或在給定鋼管構(gòu)件抗力限值的情況下，求管壁厚度的計算公式： (848) (849)三、影響鋼襯應(yīng)力的因素對鋼襯應(yīng)力影響比較大的是巖體特性和初始縫隙。圖的上下兩部分分別為地下埋管受內(nèi)水壓力前后的部分橫斷面圖。接觸灌漿宜在氣溫最低的季節(jié)施工，以減少縫隙值，并保證鋼管在灌漿過程中的變形不超過設(shè)計允許值。(3) 混凝土回填鋼襯與圍巖之間回填的混凝土僅起傳遞徑向內(nèi)壓力而不必承受環(huán)向拉力，標(biāo)號不必太高，但也不宜低于C15。(三) 構(gòu)造與施工要求地下埋管是鋼襯、回填混凝土、巖體共同受力的組合結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外地下埋管破壞多數(shù)為外壓失穩(wěn)。(2) 鋼管與圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，從而可減小鋼襯厚度。也稱為隧洞式壓力管道或地下壓力管道。另外補強環(huán)與管殼剛度不協(xié)調(diào)的矛盾仍未解決。補強環(huán)上的作用荷載有球殼作用力、管殼作用力和補強環(huán)直接承受的內(nèi)水壓力。在內(nèi)水壓力作用下，球殼應(yīng)力僅為同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的一半，因此，這種岔管適用于高水頭大中型電站。(三) 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，如圖835所示，補強板與管壁焊固形成一個整體。(二) 內(nèi)加強月牙肋岔管如圖9－34，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(chǔ)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。U梁斷面尺寸龐大，為改善其應(yīng)力狀態(tài)和布置情況，降低岔管壁的應(yīng)力集中系數(shù)，U梁應(yīng)適當(dāng)插入管殼內(nèi)。以正Y形對稱分岔為例(見圖833)，主管一般為圓柱管，支管為錐管。圖832 錐管公切球主、支管管壁的交線，稱為相貫線。 (a) (b) (c)圖831 岔管的布置方式(2) 對稱Y形布置，見圖831(b)。(4) 制作、運輸、安裝方便。一般來說，岔管的水流條件較差，引起的水頭損失較大；另外，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；由于其受力條件差，且所承受的靜動水壓力最大，又靠近廠房，因此其安全性十分重要。 (839)式中 J ——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；最后，總結(jié)一下明鋼管的設(shè)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(yīng)力和穩(wěn)定計算中，不計銹蝕厚度；(2) 再由管壁厚度用光滑管外壓穩(wěn)定計算公式進(jìn)行外壓穩(wěn)定校核，如果不穩(wěn)定可設(shè)置加勁環(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(yīng)力小于鋼管構(gòu)件抗力限值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；(4) 進(jìn)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。管壁由于受到加勁環(huán)的約束，其變形與光滑管不相同，其變形形態(tài)如圖828所示，變形的特點是發(fā)生多波屈曲。所以，必須根據(jù)鋼管處于真空中狀態(tài)時不至于產(chǎn)生不穩(wěn)定變形的條件來校核管壁的厚度或采取工程措施。表85 支承環(huán)內(nèi)力計算公式內(nèi)力象限任一段面的內(nèi)力時的截面內(nèi)力彎矩MRI或II ，IV或III 軸力NRI或II，IV或III剪力TRI或IIIV或III計算出支承反力產(chǎn)生的彎矩MR、軸力NR和剪力TR后，它們所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為(見圖825): (829) (830)(支承環(huán)腹板) (831)上面三式中 NR——支承環(huán)橫截面上的軸力；圖826 支承環(huán)斷面管壁應(yīng)力分布和方向示意圖MR——支承環(huán)橫截面上的彎矩；ZR——計算點與重心軸的距離；JR——支承環(huán)有效截面對重心軸的慣性矩；WR——支承環(huán)有效截面對重心軸的面積矩；TR——支承環(huán)橫斷面上的剪力；SR——支承環(huán)有效截面上，計算點以外部分對重心軸的靜矩；a——支承環(huán)腹板厚度；F——支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣。從表中可以看出，支承環(huán)內(nèi)力除取決于它的幾何尺寸及荷載Q、以外，還與支點的位置b有關(guān)。鋼管一般都是傾斜布置，支承反力為。2．支承環(huán)內(nèi)力計算支承環(huán)的內(nèi)力計算常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性中心方法進(jìn)行。3．切向應(yīng)力σθ2加勁環(huán)凈截面除承受徑向的均勻內(nèi)水壓力Pa外，還承受外側(cè)徑向剪力2V，如圖821(a)。(3) 求Δ3。根據(jù)變形連續(xù)條件，同時管壁在M和V作用下沒有角變位(轉(zhuǎn)角)。又稱等效翼緣寬度。(管道頂部)和θ=180176。在軸向力合力∑A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為，管壁的斷面積為F，則： (88)“”表示壓應(yīng)力。沿軸線方向取單位長度，則由力的平衡(圖818)，可以推導(dǎo)出管壁中的切向拉力T和切向應(yīng)力為： (85) (86)式中 P —— 內(nèi)水壓強；δ —— 管壁計算厚度；H —— 計算水頭；α —— 管軸線傾角；θ —— 管壁中任意一點半徑與管頂半徑的夾角； r —— 水管半徑。在壓力鋼管的應(yīng)力分析中，其坐標(biāo)系規(guī)定為：軸向x、徑向r、環(huán)向θ，如圖816所示。另外，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δmin。表83 明鋼管荷載計算公式序號作用力方向作 用 力 名 稱計 算 公 式指向受力部位上段下段管壁支墩鎮(zhèn)墩徑向內(nèi)水壓力強度P√√垂直管軸鋼管自重的分力Qs√√√管內(nèi)水重的分力Qw√√√平行管軸鋼管自重的分力A1順順√√關(guān)閉的閥門及悶頭上的力A2順或逆順或逆√√漸縮管上的內(nèi)水壓力A3順順√√伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力A4順逆√√彎管上內(nèi)水壓力的分力A5順逆√√彎管上水流離心力的分力A6順逆√√溫度作用溫變時伸縮節(jié)止水填料的摩擦力A7順逆逆順√√溫變時支座墊板與鋼管間或支座上下墊板間的摩擦力A8順逆逆順√√逆順順逆√情 況溫升溫降溫升溫降注：1．“上段”和“下段”分別指鎮(zhèn)墩上游側(cè)和下游側(cè)管段，管段從伸縮節(jié)斷開。(4) 旁通閥。(a)(b) (c)(d)圖9－13 伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié) (b)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (c)波紋管伸縮節(jié) (d)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(2) 通氣閥。球閥的優(yōu)點是在開啟狀態(tài)時實際上沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；缺點是尺寸和重量大，造價高。蝴蝶閥的操作有電動和液壓兩種，前者用于小型，后者用于大型。(1) 平板閥。圖87滑動式支墩(a) 鞍式； (b) 支承環(huán)式圖88滾動式支墩 圖89擺動式支墩二、鋼管上的閘門和附件(一) 閘門及閥門在壓力水管的進(jìn)口處一般都設(shè)置平板閘門，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。適用于管徑1～3m的鋼管。按支墩上的支座與管身相對位移的特征，有以下幾種型式： 圖85 封閉式鎮(zhèn)墩 圖86 開敞式鎮(zhèn)墩1．滑動支墩。1．封閉式：如圖85所示，鋼管被埋在封閉的混凝土體中。鎮(zhèn)墩之間的管段用一系列等間距的支墩支承，支墩的間距由鋼管應(yīng)力分析，并考慮鋼管的安裝條件、地基條件和支墩型式，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。適用于各種直徑、水頭，造成價低。若采用高強鋼，要有充分的論證。明管支座輥輪可采用下列鋼種：Q235—A、B、C級鋼；Q345—A、B、C級鋼；345優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；ZG230450、ZG270500、ZG310570等鑄件。通?？梢愿鶕?jù)已有工程經(jīng)驗和計算公式確定幾種直徑，再分別進(jìn)行造價和電量計算，再考慮技術(shù)方面的因素后，選擇最優(yōu)直徑。埋管軸線要盡量與巖層構(gòu)造面垂直，并避開活動斷層、滑坡、地下水壓力和勇水量很大的地帶，以避免鋼襯在外水壓力作用下失穩(wěn)，同時應(yīng)注意施工的便利。如果無法滿足要求，要有切實可行的防護(hù)措施，若不能避開村鎮(zhèn)居民區(qū)，要考慮工程對環(huán)境的影響。3. 斜向引近。圖82 壓力水管的供水方式(a) 單元供水 (b) 聯(lián)合供水 (c) 分組供水o—有時可以不設(shè)的閥門； —必須設(shè)置的閥門或閘門鋼管首部的快速閘門(閥)和事故閘門(閥)必須在中央控制室和現(xiàn)場設(shè)置操作裝置，并要求有可靠的電源為其供電。即一根主管向多臺機組供水，在廠房前分岔，在進(jìn)入機組前的每根支管上設(shè)快速閥門，如圖82(b)。這些類型的管道目前在大中型水電站中較少采用，但在小型水電站中有時還能見到。鋼管所使用的鋼材應(yīng)根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作安裝工藝要求以及經(jīng)濟(jì)合理等因素參照設(shè)計規(guī)范選定。 圖81 焊縫布置圖(一) 鋼管鋼管按其自身的結(jié)構(gòu)又可分為：(1) 無縫鋼管。其特點是集中了水電站大部分或全部的水頭，另外坡度較陡，內(nèi)水壓力大，還承受動水壓力的沖擊(水錘壓力)，且靠近廠房，一旦破壞會嚴(yán)重威脅廠房的安全。二、分類壓力管道可按照布置型式和所用的材料分類，見表81。(3) 箍管。在內(nèi)水壓力作用下，剛襯與鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可以減小鋼板的厚度，適用于HD較高的情況。另外，單元供水的管道易于制作，無岔管，但管道在平面上所占尺寸大，造價高。即設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水，在進(jìn)入機組前的每根支管上設(shè)快速閥門，如圖82(c)。2. 縱向引近：如圖83(c)和(d)，管道的軸線與電站廠房的縱軸線平行。因此，地面壓力管道一般敷設(shè)在陡峻的山脊上。沿管線一般要設(shè)置交通道路，并有照明設(shè)施。因此，管道直徑的確定不僅是一個技術(shù)問題，還是一個經(jīng)濟(jì)問題，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。鋼管主要受力構(gòu)件(包括管壁、支承環(huán)、岔管加強構(gòu)件等)可采用下列鋼種：Q235—C、D級碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q345—C、D級及Q390—C、D級低合金結(jié)構(gòu)鋼；20R、16MnR、15MnNbR、15MnVR等壓力容器鋼；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高強度壓力容器鋼。A3鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應(yīng)力低。 國內(nèi)：D≤60cm；國外：D≤120cm。第四節(jié) 敷設(shè)方式及附件一、明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式由于明鋼管一般長度都很大，所以常分段敷設(shè)，即在直線段每隔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(shè)置鎮(zhèn)墩，以固定鋼管，防止鋼管發(fā)生位移。鎮(zhèn)墩一般由混凝土澆制而成，混凝土強度等級一般不低于C15。這種鎮(zhèn)墩在我國很少采用。這種支墩結(jié)構(gòu)簡單，但管