水电站压力钢管-8介绍.ppt

第八章 水电站压力管道,作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。,第一节 压力管道的类型,第一节 压力管道的类型,钢管管节 钢筋混凝土管,第一节 压力管道的类型,聚酯材料管 木管,第二节 压力管道的布置和供水方式,一、压力管道的布置,压力管道线路选择应结合其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。路线尽可能短、直。(经济，hf和H小)。地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。尽量减小起伏,避免出现负压;转弯半径R3D。避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地区，可沿山脊布置。明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等,二、压力管道引进厂房的方式,正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。斜向引近：分组供水和联合供水。,二、压力管道引进厂房的方式,(a)、(b)正向引进(c)、(d)纵向引进(e)斜向引进,压力水管引进厂房的方式,三、供水方式,1单元供水：一管一机。不设下阀门。优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管缺点：造价高适用：(1)单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)混凝土坝内管道和明管道,三、供水方式,2联合供水：一根主管，向多台机组供水。设下阀门。优点：造价低缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3.分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管.,三、供水方式,单元供水 联合供水 分组供水,第三节 水力计算和经济直径的确定,一、水力计算恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，按水力学公式计算。hw电能装机容量管径选择非恒定流计算：水锤计算(N变Q变H变)，确定管道中各点的动水压力和变化过程。水击压强确定压力管道荷载和管线(最高压力线和最低压力线),二、压力管道直径的选择,动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑流速、水击压力的影响)，拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用 Qmax压力管道设计流量，H设计水头经济流速法：压力管道的经济流速一般为46m/s，最大不超过7m/s，Ae=Qmax/Ve,第四节 钢管的材料和管身构造,一、钢管的材料,管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等常用的钢材：经过镇静熔炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢，如：A3、16Mn，或经过正火的15MnV、15MnTi。滚轮可采用A3、A4、A5、16Mn或35、45等优质钢材。,二、钢材性能的要求,(一)压力管道的工作特点与制作程序工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的作用；低温状态下工作(水温在4左右)对钢材的工作条件不利。制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；现场焊接(自动焊、手焊)；检查焊缝(射线、超声波),二、钢材性能的要求,(二)钢材性能要求1、机械性能屈服强度s、抗拉强度b；塑性指标：断裂时的延伸率、断面收缩率；冲击韧性ak。要求强度高、塑性好(冲击、低温、加工)可焊性能好。A3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。当HD600m2，=32mm40mm，不易加工。当HD较高时采用16Mn，其强度高，但塑性差：强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。一般A3、16Mn不需论证，可直接采用。,二、钢材性能的要求,2、加工性能辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和热影响区不产生裂纹。3、化学成份影响钢材的强度、焊接性能，含碳不要过高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。,三、容许应力,钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到，即=s/K不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力，见表8-2。,四、管身构造,1、无缝钢管：无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度高，造价高，施工困难。国内：D60cm；国外：D120cm。适用高水头小流量电站。2、焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于各种直径、水头，造成价低。(1)纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴(2)相邻管壁厚度差2mm，内部光滑，外部成台阶状。,四、管身构造,四、管身构造,3、箍管：钢管外加钢箍。,钢管最小厚度：min(D/800+4)mm，或6mm防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。,第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备,一、敷设方式,明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁.,一、敷设方式,连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。分段式：两镇墩之间设置伸缩节(在上镇墩的下游侧)。温度应力小。,二、支墩(support),功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。布置：间距L=612m，D特别大时，L取3m。L小M、Q小支墩造价高。类型：滑动式、滚动式、摆动式。,(1)滑动式支墩,鞍式(saddle support)：包角：90120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于D1m。支承环式(slidding ring girder support)：在支墩处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均匀，D2m,(2)滚动式(rolling ring girder support),在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小，适用于D2m。,(3)摆动式(rocking ring girder support),在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很小，适用于大直径管道。,三、镇墩(anchor block),功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。,三、镇墩(anchor block),封闭式 开敞式,三、镇墩(anchor block),4、设计荷载见表8-3，P126。根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出最不利的荷载组合。设计内容包括抗滑稳定、地基应力校核、细部构造设计。一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。,四、钢管上的闸门、阀门和附件,1、闸门及阀门压力管道进口设快速闸门(事故门)(在前池、调压室、水库等位置)。对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门(事故阀)，其型式有蝴蝶阀、球阀。小型水电站有时用平板阀。,四、钢管上的闸门、阀门和附件,(1)蝴蝶阀(Butterfly Valve)优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小,重量轻，造价低。缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。动水中关闭，在静水中开启,四、钢管上的闸门、阀门和附件,(2)球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。适用：高水头电站。,世界上最大的球阀,四、钢管上的闸门、阀门和附件,2、伸缩节(expansion joint)功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷 位置：常在上镇墩的下游侧 伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。,伸缩节,(a)套筒式伸缩节(b)波纹密封套筒式伸缩节,(c)压盖式限拉伸缩节(d)波纹管伸缩节,伸缩节动画,四、钢管上的闸门、阀门和附件,3、通气阀 作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气 位置：阀门之后 4、进人孔 作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右,间距100m。5、旁通阀及排水设备 旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水,第六节 明钢管的管身应力分析,结构设计状况：持久状况、短暂状况、偶然状况三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。持久状况还应进行正常使用极限状态设计，短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计。承载能力极限状态：指钢管结构或构件，或达到最大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形。正常使用极限状态：钢管结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。,第六节 明钢管的管身应力分析,结构设计状况分为持久状况、短暂状况和偶然状况三种。三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。持久状况还应进行正常使用极限状态设计；短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计；偶然状况可不进行正常使用极限状态设计。承载能力极限状态，是指钢管结构或构件，或达到最大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形；正常使用极限状态，是钢管结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。,按照设计规范要求，明钢管要求进行承载能力极限状态验算，其内容包括：主要结构构件的承载能力计算，管壁和加劲环的抗外压稳定计算。如有必要应进行镇墩和支墩抗倾、抗滑及抗浮验算；如有抗震要求，还应进行抗震承载能力计算,一、荷载计算及其分项系数,按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力和法向力。每种荷载都有其不同的作用分载系数，见表8-2。作用在明钢管上的各种作用力计算公式及作用方向见表8-3，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅水工建筑物荷载设计规范。,二、荷载组合,钢管结构设计应根据承载能力极限状态的要求，对不同设计状况下可能同时出现的作用，进行相应的作用效应组合，对明钢管要求的组合见表8-4。表8-4 明钢管按承载能力极限状态设计的作用效应组合与计算情况,第七节 管身应力分析和结构设计,钢管管壁厚度估算锅炉公式初拟管壁厚度根据规范要求，焊缝系数一般取为0.90.95，允许应力取钢管材料允许应力的75%85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，实际=+2mm（锈蚀厚度）在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min一般取为D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm,一、管身应力分析和结构设计,1、四个基本断面,一、管身应力分析和结构设计,一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。跨中断面11:只有弯距作用，且弯距最大,无局部应力受力最简单；支承环旁管壁膜应力区边缘，断面22：弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力受力比较简单；加劲环及其旁管壁，断面33：由于加劲环的约束，存在局部应力；支承环及其旁管壁，断面44：应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，有局部应力。,(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力,跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。1径向应力 管壁内表面:，“-”表示压应力。管壁外表面：,(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力,2切向(环向)应力 设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为)的水头为,压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图,推导出管壁中的切向拉力T 和切向应力,(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力,(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力,3轴向应力=法向力引起的轴向弯曲应力+轴向作用力引起的轴向应力,法向力引起的弯矩和剪力,(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力,(1)法向力作用引起的管壁轴向应力 M水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；W连续梁(空心圆环)的断面模数，(2)轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为F，则,(二)(2)-(2)断面的管壁应力,(2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相反，支承环处存在剪力V。所以在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为,(二)(2)-(2)断面的管壁应力,式中 V管重和水重的法向分力作用下连续梁的剪力；SR计算点以上管壁环形截面积对重心轴的静矩，；b受剪截面宽度，；J截面惯性矩，。当=0(管道顶部)和=180(管道底部)时，=0；当=90(管道侧面中点)时，达到最大值 断面(2)-(2)的其他正应力r、和x均与断面(1)-(1)相等，但符号不尽相同,2-2断面图形,(三)加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3)的管壁应力,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,支承环由于承担管重和水重法向力Q而在支墩处引起的支承反力R，从而在支承环内产生附加应力。1支承环的支承方式 侧支承和下支承两种形式。图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为b，支承反力为。当采用侧支承时，设支承反力离支承环重心轴距离为b。根据分析，在设计时取b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,支承环支承方式,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,2 支承环所承受的荷载(1)管重和水重法向分力产生的剪力；管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为(2)支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，支承反力为；(3)支承环自重，但相对较小，可以不计。,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,3支承环内力计算支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方法进行。因为钢管断面是一个对称圆环，是一个三次超静定结构，可用弹性中心法计算支承环上各点的内力。要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一个封闭圆环各断面上的弯矩MR、剪力TR和轴力NR。,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,支承环计算简图,b=0.04R时支承环内力图,图中弯矩画在受拉一边，正的MR表示支承环外侧受拉，正的NR表示拉力，正的TR方向如。,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,计算出支承反力产生的弯矩MR、轴力NR和剪力TR后，它们所产生的应力分别为,ZR计算点与重心轴的距离；JR支承环有效截面对重心轴的惯性矩；WR支承环有效截面对重心轴的面积矩；SR支承环有效截面上，计算点以外部分对重心轴的静矩；a支承环腹板厚度；F支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘,(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力,断面(4)-(4)各应力的方向和分布,二、管身应力分析,强度校核钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，应按强度理论进行校核。如果不满足强度要求，则重新调整管壁厚度和支墩间距，再重新计算，直到满足强度条件。目前多采用第四强度理论,目前电力行业规范采用极限强度理论验算钢管的强度，各项荷载给出分项系数，验算承载能力极限状态,二、管身应力分析,外压稳定校核1.明钢管外压失稳的原因及失稳现象机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压；管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。,外压稳定校核,2.光滑管段的稳定性当外压力P增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力Pcr为 为了安全起见，引入安全系数K，要求：PcrKP。取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹性模量E=2105MPa,略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为,外压稳定校核,3、加劲钢管的外压稳定如按上述要求，管径太大时管壁太厚无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施。(1)加劲环之间的管壁外压稳定性,也可以用查图表的方法求临界压力。,外压稳定校核,(2)加劲环断面的外压稳定两个要求加劲环断面本身不失稳加劲环断面的压应力小于材料的允许值。按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距L，其他参数用加劲环有效断面计算。,三、镇墩和支墩结构设计,(一)镇墩结构分析镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、弯矩等荷载，其中轴向力为主要外荷载。镇墩必须以其自重来平衡外荷载，以满足抗滑动和抗倾覆稳定和地基承载能力等要求。1、作用力分析 求出作用于明钢管而传到镇墩上的各种力，并按照温升情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。,三、镇墩和支墩结构设计,2、求轴向力分量 设 x轴水平顺水方向为正。y轴垂直向下为正，水管轴线交点为坐标原点。求出轴向力总和在x和 y轴下的分力：,三、镇墩和支墩结构设计,3、拟定镇墩尺寸镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。镇墩上游面为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的外包混凝士厚度不宜小于管径的0.40.8倍。为维护、检修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在土基上的镇墩，底面常做成水平。镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇墩埋深应在冰冻线以下1m，对岩基不少于0.5m。地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当加大基础面，同时减小镇墩间距。根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重心位置及其重量G。,三、镇墩和支墩结构设计,4、求合力作用点及偏心距 利用图解法或数解法求G及A的合力作用点位置及偏心距e。应保证e在镇墩底宽的二分点以内。5、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求：,三、镇墩和支墩结构设计,6、地基承载能力校核 要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值R。可按偏心受压公式计算地基应力。要求最大值maxR，最小值min0，不应出现负值(二)支墩结构分析 支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核,四、地面压力钢管的设计步骤,1、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。2、管径确定：通过动能经济比较，确定经济直径。3、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、阀门4、水力计算：(1)恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失(2)非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。,四、地面压力钢管的设计步骤,5、压力钢管结构设计(1)初步拟定管壁厚度(考虑锈蚀厚度)；(2)根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置加劲环(也可用支承环代替)，并选定其间距；(3)根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要求，确定加劲环的尺寸；(4)进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到满足要求。6、校核镇墩的稳定及地基应力。,第七节 分岔管,okukiyotsu,一、分岔管的功用、特点,1、功用：作用是分配水流。采用联合供水或分组供水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。2、特点水流条件较差，引起的水头损失较大；岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价较高；受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，其安全性十分重要。我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。,二、岔管的布置形式,卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这种布置方式。对称Y形布置。三岔形布置。,三、几种常用的岔管,1、贴边式岔管贴边式岔管是在卜形布置的主、支管相贯线两侧用补强板加固，补强板与管壁焊固形成一个整体。补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。常用于中、低水头卜型布置的地下埋管。,三、几种常用的岔管,2、三梁岔管由相贯线上的两根腰梁和一根U梁构成三梁岔U梁承受较大的不平衡水压力，其受力非常复杂。适用：内压较高、直径不大的明管道。,三、几种常用的岔管,3、月牙肋岔管用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。在三梁岔管基础上发展 而来，目前在我国已基本取代了三梁岔管。适用：大中型电站。,三、几种常用的岔管,4、球形岔管通过球面体进行分岔，由球壳，圆柱形主、支管以及补强环和导流板等组成。在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半。适用：高水头大中型电站。是国外采用比较多的一种成熟管型，国内应用尚少。,三、几种常用的岔管,5、无梁岔管用直径较大的锥管和球壳沿切线方向衔接，使球壳只剩下上下两个面积不大的三角形，并在主、支管和这些锥管之间插入几节逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管。有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。目前国内应用较少。,第八节 地下埋管(buried penstock),施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）安装钢管回填混凝土接处灌浆大型水电站中应用较多,地下埋管施工中,一、地下埋管的布置形式,类型：斜井、竖井、平洞。竖井：常用于首部式开发的地下电站，竖井的开挖、钢管的安装、混凝土的回填，一般都自下而上进行。斜井：适用于地面和地下厂房，采用得最多。为了施工出渣方便，倾角大于45(自下而上开挖)或不小于35(自上而下)。平洞：作为过渡段使用。尽量布置在坚固完整的岩体中。,二、地下埋管的结构和构造,二、地下埋管的结构和构造,回填混凝土的功用是将部分内水压力传递给围岩，必须严格控制混凝土的回填质量，尤其是平洞的顶部。在围岩/混凝土/钢管之间存在缝隙，需要用灌浆进行处理，压力不小于0.2MPa。对于不太完整的围岩，需要进行固结灌浆处理，灌浆压力0.51.0MPa，深度24m。地下水位较高地区，可打排水洞(效果好)、设排水管(易堵塞)，也可外设加劲环。,三、钢衬承受内压时的强度计算,假定：围岩、混凝土、钢管为弹性各向同性体。混凝土和钢衬施工后无初始应力。钢衬与混凝土垫层、混凝土垫层与围岩之间存在微小的缝隙。混凝土垫层承受荷载开裂以后只传递径向压力，不承担环向荷载。,三、钢衬承受内压时的强度计算,计算内容：(1)在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力；(2)在已知钢衬允许应力的情况下求解钢衬厚度。钢衬应力的计算公式：给定允许应力和焊缝系数的情况下，求管壁厚度的计算公式,三、钢衬承受内压时的强度计算,影响钢衬应力因素的分析围岩的弹性模量。工程上常用单位抗力系数表示：Er=100(1+r)K0。应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量。途径：灌浆。初始缝隙。对应力影响很大，但不易确定。施工缝隙：由混凝土的收缩和施工质量不良造成，要进行接触灌浆。岩石的蠕变缝隙：由岩体的残余变形形成温降缝隙：在初始缝隙中占比重较大。总缝隙。0=(35)10-4r,四、钢管承受外压时的稳定校核,下弯段钢管底部隆起,锚环焊缝开裂,响水水电站高压埋管失稳破坏,(一)钢衬的外压荷载,(1)地下水压力。钢衬所受地下水压力值，可根据勘测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分析水库蓄水和引水系统渗漏等对地下水位的影响。地下水位线一般不应超过地面。(2)钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。接缝灌浆压力一般为0.2MPa。(3)回填混凝土时流态混凝土的压力。其值决定于混凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以浇筑高度。,(二)埋管钢衬在外压下失稳的特征,两种失稳模式,(a)n个屈曲波(b)三个半波,外压钢衬屈曲钢衬变形达到0外压继续增加钢衬发生更多波形的屈曲钢衬应力值钢衬应力达到材料屈服值失稳。,(三)光面钢衬临界压力计算,1.Amstutz公式,(三)光面钢衬临界压力计算,2.经验公式：根据38个模型试验资料用回归分析的方法建立的。,（四）加劲环式钢管,环间管壁：按明管稳定公式计算。加劲环断面：用Amstutz公式计算，但计算几何参数用等效截面(长度1.56(r)0.5+a)。锚筋式钢管 用经验公式校核：n-同一截面上的锚筋数，l-锚筋间距,（五）防止钢衬受外压失稳的措施,降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法，措施是排水廊道结合排水孔；精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小缝隙，但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时措施或限制灌浆压力；流态混凝土的压力稳定可用临时支撑解决或限制浇筑高度。,第九节 混凝土坝体压力管道,按布置方式可分为三种：坝内埋管、坝体下游面管道、坝上游面管道。,坝内埋管 坝体下游面管道,一、坝内埋管,管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。布置原则尽量缩短管道的长度；减少管道空腔对坝体应力的不利影响。减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道安装和施工。布置形式倾斜式布置平式和平斜式布置 竖直式布置,一、坝内埋管,倾斜式布置见前面,平斜式布置 竖直式布置,一、坝内埋管,埋设方式：用软垫层将管道与坝体分开受力明确；管道与坝体结合为整体混凝土承受部分内水压力施工方法：安装一段钢管，浇筑一层混凝土，可省去二期混凝土，但施工干扰较大预留钢管槽，钢管安装完毕以后再用混凝土回填，期施工干扰小，但工期较长,一、坝内埋管,坝内埋管的结构计算有限元方法近似方法：见教材,二、坝后背管,大型坝后式水电站将钢管布置在混凝土坝的下游坝面上，形成下游面管道，或称为坝后背管。结构型式坝下游面明钢管。现场安装工作量小，进度快，与坝体施工干扰小。坝下游面钢衬钢筋混凝土管。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。,二、坝后背管,本 章 小 结,压力管道功用和基本类型。中高水头电站一般采用焊接钢管，低水头电站有时可采用钢筋混凝土管。压力管道的线路选择原则、压力管道的供水方式和管径确定。应根据电站的不同情况，结合电站的开发方式、水头、流量及管道的长短、地形、地质条件确定压力管道的供水方式和引进方式。压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之一。大型压力管道的经济直径是动能经济计算确定的，初步设计时可采用经验公式和经济流速方法。,本 章 小 结,明钢管的敷设方式和支承方式。为了减小温度应力，明钢管的敷设方式通常采用分段式。作用在压力管道上的荷载及其组合，明钢管的设计计算。要求掌握明钢管上的轴向力、法向力和径向力的计算方法，明钢管跨中断面和跨端(不计支承环的影响)的应力计算和强度校核，在外压作用下管道的稳定分析。地下埋管的工作原理。要求掌握地下埋管的工作特点。坝内压力管道的布置方式和工作原理。,思 考 题,压力水管的功用、特点是什么?压力水管的类型有几种?各适用什么条件?压力水管的线路选择布置原则是什么?压力水管的供水方式、引进方式、敷设方式有哪几种?各自的优缺点和适用条件是什么?作用在露天压力钢管上有哪些力?试分析正常运行、检修、温升、温降情况下力的组合和方向。镇墩、支墩的作用是什么?各有几种类型？其优缺点是什么?简述镇墩、支墩的设计步骤。,思 考 题,6.简述露天压力钢管应力分析的方法与步骤。7.为什么要进行钢管弹性稳定分析?如何进行?8.影响地下埋管钢衬应力的因素有哪些？9.地下埋管钢衬为什么要校核外压稳定？承受的外压荷载有哪些？外压失稳的特征？10.如何防止地下埋管钢衬外压失稳？11.简述混凝土坝内埋管的布置原则和布置方式，及其优缺点。12.坝后背管有哪几种结构形式，其优缺点如何？,压力管道作业,某水电站地面压力管道布置型式如图所示。,压力管道作业,已知钢管直径D=2m，末跨中心断面的计算水头(包括水击压力)为56.25m，支座断面的计算水头为49.08m，伸缩节断面的计算水头为7.89m，支承环间距16m，计算段上下镇墩间距64m，钢管轴线与水平面倾角为44，伸缩节距上镇墩2m，伸缩节内止水填料长度b=30cm，填料与管壁摩擦系数为0.3，支承环的摩擦系数为0.1，钢管采用A3钢。下镇墩的上游端管中心的计算水头为63.4m，镇墩下游端和下游伸缩节中心计算水头近似相等，取为66.1m，镇墩下游端伸缩节的水平钢管长度为5.0m，管内流速为5m/s，镇墩为混凝土结构。,压力管道作业,1确定压力管道厚度(全长采用一个厚度)，要求确定管壁计算厚度和结构厚度；2.设计压力管道的刚性环的间距(1)校核光滑管的稳定性；(2)设计刚性环的间距及尺寸；(3)设计支承环的尺寸；3.对最后一跨的四个断面进行结构分析(1)受力分析：按正常运行情况的基本组合计算不同断面径向力、法向力和轴向力；(2)应力计算及强度校核；(3)抗外压稳定分析(管壁和支承环抗外压稳定分析)；,