水电站压力管道.ppt

水电站压力管道.ppt

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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：

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）；可以利用围岩承担内水压力，特别对高HD值电站意义重大；运行安全可靠：

A）不受外界影响（环保）；B）超载系数大（围岩承载力大）；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（国内外埋管失事多为外压失稳）。

平面布置（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,立面布置（型式）：

2、布置,斜井+平洞,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：

开挖：

应尽量减少松动区和超挖；,钢衬安装；,回填混凝土：

强度要求不高（C15-C20）,但要求密实；,3、构造与施工,电力版规范荷载分类地下埋管荷载,电力版规范荷载分类（续）,二、地下埋管承受内压分析,1、基本假定：

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

2、应力计算,设P为内水压力，钢衬承受一部分后，传给混凝土的为P1。

钢衬的传递系数为：

钢衬在内水压强（P-P1）作用下，径向变位为（变位相容条件）：

混凝土的径向压缩量：

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：

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：

钢衬的径向变位：

将上面5个方程联立求解，可得钢衬传递系数：

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。

已知内水压力求钢衬的厚度,钢衬用容许应力s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：

传递系数在0和1之间变化，若1（相当于Er很大），则不需要钢衬，若0，则全部内水压力由钢衬承担，即满足条件：

在求传递系数时比较困难的是如何确定围岩的弹性模量Er和初始缝隙1，2。

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：

埋深最小覆盖层厚度。

只有满足此要求，才能按埋管设计。

上抬理论。

上覆岩体重量能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,1、地下埋管承受的外压荷载,地下水压力；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。

2、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）：

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,（阿式公式）,N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。

光面管临界外压的计算式,光面管临界外压的图解法,（a）s=230MPa（b）s=330MPa（c）s=420MPa,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）,钢衬的设计外压PPcr/K,安全系数K取1.8。

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。

因管壁与混凝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Mises公式。

n个波,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。

多采用排水管，结合排水廊道降低地下水位线；减小外压力减小初始缝隙，精心施工和接缝灌浆。

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,3、埋管防止外压失稳措施,第九节坝身管道,一、特点与类型,1、特点：

结构紧凑简单；引水道短，机组运行稳定；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；坝体空腔使坝体应力恶化。

2、基本类型：

坝内埋管：

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：

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、坝内埋管布置型式,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：

决定钢衬材料及壁厚；管外坝体混凝土等级和配筋；钢衬抗外压稳定计算加劲环、锚环。

2、坝内埋管的荷载,结构强度分析,外压稳定分析,坝体渗流压力灌浆压力,内水压力坝体荷载（包括自重，库水压力等）温度变化,电力版规范荷载分类坝内埋管荷载,电力版规范荷载分类（续）,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。

具体计算公式略。

坝内埋管计算公式推导的假设条件：

四、设软垫层的坝内埋管,当管经D较大，而H不大但砼较薄时，为防止坝体开裂，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,

（1）但当钢管直径和水头很大时，用钢量大，可能引起钢管材料和工艺上的技术困难。

（2）敷设在下游坝面上的明钢管一旦失事，水流直冲厂房，后果严重。

改进方案,缺点,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：

（）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。

（）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。

（）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。

（）减少外界因素对管道破坏的可能性，在严寒地区有利于管道防冻。

缺点：

管道长度略有增加、耗材较多、水头损失大。

优缺点,主要荷载,

（1）内水压力内水压力是坝下游面管的主要荷载，由钢衬和钢筋混凝土共同承受。

（2）温度荷载温度荷载，主要由管道施工期与运行期温度差以及运行期间管道内外温差所产生。

坝下游面管属厚壁管，管外壁不设保温层，因此温度应力不可忽略。

（3）坝体变形引起的作用在管道上的轴向力坝体受载后，引起坝下游面管的轴向应力以及管道与坝面之间的剪应力和正应力。

（4）振动荷载坝下游面管道因管内动水引起的振动，用与坝体固定的措施来消除。

地震荷载下管道与坝体作为整体考虑。

电力版规范荷载分类坝后背管荷载,电力版规范荷载分类（续）,设计要求及准则,

（1）有足够的强度；

（2）管壁混凝土允许开裂，但裂缝宽度应该限制在允许范围内，一般不超过0.3mm；（3）管坝连接可靠；（4）结构简单、安装及施工方便、经济。

中华人民共和国水利行业标准-水电站压力钢管设计规范SL281-2003规定，钢衬钢筋混凝土管道设计应满足下式要求：

KPrt3fyk+t0s式中：

P、r计算断面处的设计内水压力（N/2）和钢管内半径（）；fyk钢筋抗拉强度标准值值（N/2）；s钢板屈服强度（N/2）；t3、t0钢筋折算厚度和钢管管壁厚度（）；K结构总安全系数；焊缝系数。

水利版规范,我国新颁布的电力行业标准水电站压力钢管设计规范DL/T5141-2001规定，钢衬钢筋混凝土管道设计应满足下式要求：

（0d）Pr（tfs+t3fy）式中：

P、r计算断面处的设计内水压力（N/2）和钢管内半径（）；fs、fy钢板和钢筋抗拉强度设计值（N/2）；t、t3钢管管壁厚度和钢筋折算厚度（）；0结构重要性系数，见表8.0.3；设计状况系数，见表8.0.4；d管型结构系数，见表8.0.5，取1.6。

电力版规范,三峡水电站坝下游面管道,图片1三峡左岸六台机组坝下游管预留岩槽,图片2三峡水电站坝下游面管,图片4李家峡水电站坝下游面管下游视图,图片5李家峡水电站坝下游面管布置图,图片6景洪水电站坝下游面管道布置图,图片7景洪水电站坝下游面管道布置图,图片8金安桥水电站坝下游面管道布置图,图片9金安桥水电站坝下游面管道布置图,图片10公伯峡水电站岸坡式管道布置图,图片11公伯峡水电站岸坡式管道布置,图片12积石峡水电站岸坡式管道布置图,图片13积石峡水电站岸坡式管道布置,