第四章 地下埋管

1、第四章第四章 地下埋管地下埋管4.1 4.1 地下埋管的特點及構(gòu)造地下埋管的特點及構(gòu)造地下埋管是埋藏于地層巖石之中的鋼管，其為地下埋管是埋藏于地層巖石之中的鋼管，其為水電站中水電站中應(yīng)用最多的一種壓力管道應(yīng)用最多的一種壓力管道。一、地下埋管的性質(zhì)一、地下埋管的性質(zhì)地下埋管的性質(zhì)地下埋管的性質(zhì)：鋼襯與巖體之間用混凝土回鋼襯與巖體之間用混凝土回填后共同受力的組合結(jié)構(gòu)。填后共同受力的組合結(jié)構(gòu)。小結(jié)：小結(jié)：明鋼管的設(shè)計步驟明鋼管的設(shè)計步驟1、線路選擇線路選擇。2、供水方式供水方式選擇選擇。3、管徑確定。管徑確定。4、管道布置及附件設(shè)計：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮管道布置及附件設(shè)計：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)、進人孔、閥

2、門。節(jié)、進人孔、閥門。5、水力計算水力計算(1)恒定流：計算恒定流：計算h損損。(2)非恒定流：計算水錘壓力。非恒定流：計算水錘壓力。6、壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)初步擬定管壁厚度初步擬定管壁厚度；(2)進行鋼管外壓穩(wěn)定校核，確進行鋼管外壓穩(wěn)定校核，確定是否設(shè)置加勁環(huán)，并計算其尺寸；定是否設(shè)置加勁環(huán)，并計算其尺寸；(3)進行強度校核進行強度校核。7、校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應(yīng)力。校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應(yīng)力。二、地下埋管的工作特點二、地下埋管的工作特點與明管相比與明管相比（1）優(yōu)點）優(yōu)點布置靈活方便。布置靈活方便。鋼管與圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓，減小鋼襯鋼管與圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓，減小鋼襯。運行安

3、全。運行安全。(2)缺點缺點施工安裝工序多，工施工安裝工序多，工藝要求高，施工條件較差。藝要求高，施工條件較差。外壓穩(wěn)定問題突出。外壓穩(wěn)定問題突出。下彎段鋼管底部隆起下彎段鋼管底部隆起錨環(huán)焊縫開裂錨環(huán)焊縫開裂三、布置三、布置1、布置要求、布置要求(1) 線路應(yīng)盡量選擇在地形、地質(zhì)條件優(yōu)越地區(qū)，線路應(yīng)盡量選擇在地形、地質(zhì)條件優(yōu)越地區(qū)，并與調(diào)壓室和廠房有良好的總體布置。并與調(diào)壓室和廠房有良好的總體布置。(2)應(yīng)布置在堅固、完整、應(yīng)布置在堅固、完整、覆蓋層厚覆蓋層厚的巖體中。的巖體中。(3)管軸線盡量與巖層構(gòu)造面垂直。管軸線盡量與巖層構(gòu)造面垂直。(4)布置在地下水位低的巖層中，同時應(yīng)避開地布置在地下

4、水位低的巖層中，同時應(yīng)避開地下水壓力和涌水量很大而又不易下水壓力和涌水量很大而又不易采取有效排水措施采取有效排水措施的地段。的地段。(5)地下埋管宜多采用地下埋管宜多采用聯(lián)合供水聯(lián)合供水。當(dāng)同時要求開。當(dāng)同時要求開挖幾條隧洞時，隧洞間要有足夠的間距。挖幾條隧洞時，隧洞間要有足夠的間距。(3D)水電站廠房水電站廠房水輪發(fā)電機機組水輪發(fā)電機機組壓力管道壓力管道2、地下埋管的布置形式、地下埋管的布置形式豎井豎井：常用于首部式開發(fā)的地下電站。：常用于首部式開發(fā)的地下電站。斜井斜井：適用于地面和地下廠房。：適用于地面和地下廠房。平洞平洞：作為過渡段使用。：作為過渡段使用。四、地下埋管的施工要求四、地下埋

5、管的施工要求地下埋管施工過程地下埋管施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支：開挖巖洞（清理石渣、支護等）護等）安裝鋼管安裝鋼管回填砼回填砼各種灌漿各種灌漿(回填灌漿、回填灌漿、固結(jié)灌漿、接縫灌漿固結(jié)灌漿、接縫灌漿)。(1)洞井開挖可以用不同方法。洞井開挖可以用不同方法。先先開挖導(dǎo)洞開挖導(dǎo)洞，后，后擴大導(dǎo)洞斷面，擴大導(dǎo)洞斷面，開挖方向如前。開挖方向如前。盡量采用光面、預(yù)裂爆破或掘進機開挖，保持盡量采用光面、預(yù)裂爆破或掘進機開挖，保持圓形孔口，減少爆破松動影響。圓形孔口，減少爆破松動影響。開挖過程中包括：開挖過程中包括：放線、打眼、裝藥、放炮、放線、打眼、裝藥、放炮、排煙、清除危巖、噴錨支護等。排煙、清

6、除危巖、噴錨支護等。(2)施工時應(yīng)施工時應(yīng)合理地選擇合理地選擇水平施工支洞的水平施工支洞的高程及高程及平面位置平面位置，以利出渣、鋼襯的運輸安裝和回填砼，以利出渣、鋼襯的運輸安裝和回填砼，并考慮作為永久性排水洞和觀測洞的可能。并考慮作為永久性排水洞和觀測洞的可能。TBM掘進機工作過各示意圖掘進機工作過各示意圖TBM刀盤部分刀盤部分 全長全長100多米，鉆頭多米，鉆頭直徑直徑8米多，隧洞的襯砌，米多，隧洞的襯砌，支護可一氣呵成支護可一氣呵成 。(3)鋼管管壁與圍巖之間的徑向凈空尺寸視施工鋼管管壁與圍巖之間的徑向凈空尺寸視施工方法和結(jié)構(gòu)布置而定。方法和結(jié)構(gòu)布置而定。鋼管就位以后需要在管外焊接作業(yè)的

7、鋼管就位以后需要在管外焊接作業(yè)的：兩側(cè)及：兩側(cè)及頂部至少留頂部至少留0.5m，底部至少留，底部至少留0.6m或更大。加勁環(huán)或更大。加勁環(huán)距巖壁應(yīng)至少留距巖壁應(yīng)至少留0.3m。注注：應(yīng)盡量避免現(xiàn)場管外焊接，應(yīng)盡量避免現(xiàn)場管外焊接，減少加勁環(huán)減少加勁環(huán)高度高度，以節(jié)省開挖和回填混凝土量。，以節(jié)省開挖和回填混凝土量。 0.5m0.6m0.3m(4)鋼襯一般在加工廠焊制成一定長度的管節(jié)，鋼襯一般在加工廠焊制成一定長度的管節(jié)，運輸?shù)蕉磧?nèi)用預(yù)埋的錨件固定，校正圓度，壓縫整運輸?shù)蕉磧?nèi)用預(yù)埋的錨件固定，校正圓度，壓縫整平后，焊接安裝環(huán)縫。平后，焊接安裝環(huán)縫。(5)鋼襯與圍巖之間鋼襯與圍巖之間回填的砼僅傳遞徑向

8、內(nèi)壓回填的砼僅傳遞徑向內(nèi)壓力力，故標(biāo)號一般在故標(biāo)號一般在150#-250#之間，且不低于之間，且不低于150#(稍稍低于低于C15)?；靥铐乓话悴捎庙疟脻仓?。回填砼一般采用砼泵澆筑?；靥铐欧謱訚仓靥铐欧謱訚仓?。當(dāng)需加當(dāng)需加快施工進度時快施工進度時，可在管內(nèi)架設(shè)，可在管內(nèi)架設(shè)臨時支撐。臨時支撐。為振搗方便，砼澆筑可在為振搗方便，砼澆筑可在安裝好幾段鋼管后交叉進行。安裝好幾段鋼管后交叉進行。澆筑時需注意鋼襯外圍和剛性環(huán)附近振搗密實，澆筑時需注意鋼襯外圍和剛性環(huán)附近振搗密實，防止出現(xiàn)空洞，防止地下水浸入沖走水泥漿造成無防止出現(xiàn)空洞，防止地下水浸入沖走水泥漿造成無強度空洞。強度空洞。(6)采用合適的

9、原材料和級配、合理的輸送、澆采用合適的原材料和級配、合理的輸送、澆筑和震搗工藝更為重要，以保證回填混凝土密實、筑和震搗工藝更為重要，以保證回填混凝土密實、均勻并和圍巖及鋼襯密切貼合。均勻并和圍巖及鋼襯密切貼合?；靥铐诺娜毕輹痄撘r的局部彎曲回填砼的缺陷會引起鋼襯的局部彎曲，特別不特別不利，甚至不如明管。所以利，甚至不如明管。所以這些缺陷常常是造成地下這些缺陷常常是造成地下埋管事故的重要原因。埋管事故的重要原因。(7)采用預(yù)埋骨料壓漿砼和微膨脹水泥等采用預(yù)埋骨料壓漿砼和微膨脹水泥等，?？?，?？扇〉幂^好的效果，而且可將砼澆筑和回填灌漿的工取得較好的效果，而且可將砼澆筑和回填灌漿的工藝結(jié)合為一，并

10、對鋼襯起藝結(jié)合為一，并對鋼襯起一定預(yù)壓作用一定預(yù)壓作用。采用豎井和較陡的斜井，利于回填砼的質(zhì)量。采用豎井和較陡的斜井，利于回填砼的質(zhì)量。(8)灌漿分回填灌漿、接縫灌漿和固結(jié)灌漿。灌漿分回填灌漿、接縫灌漿和固結(jié)灌漿。頂拱回填灌漿頂拱回填灌漿：平洞、斜井，在砼澆筑：平洞、斜井，在砼澆筑14天天后進行。后進行?；鶐r基巖固結(jié)灌漿固結(jié)灌漿可視具體條件選用可視具體條件選用。灌漿過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視，防止鋼襯失穩(wěn)事故；灌漿過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視，防止鋼襯失穩(wěn)事故；灌漿后全部灌漿孔均必須嚴(yán)密封堵灌漿后全部灌漿孔均必須嚴(yán)密封堵，以防運行時內(nèi)，以防運行時內(nèi)水外滲，造成事故。水外滲，造成事故。固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿固結(jié)灌漿應(yīng)在

11、回填灌漿7-14天天之后進行。之后進行。接縫灌漿：接縫灌漿：鋼襯與砼、砼與圍巖之間進行，鋼襯與砼、砼與圍巖之間進行，且宜在氣溫最低的季節(jié)施工且宜在氣溫最低的季節(jié)施工，以減少縫隙值。于，以減少縫隙值。于固固結(jié)灌漿結(jié)灌漿14天后進行天后進行。(9)地下水位較高地區(qū)，可打排水洞地下水位較高地區(qū)，可打排水洞(效果好效果好)、設(shè)排水管設(shè)排水管(易堵塞易堵塞)，也可外設(shè)加勁環(huán)。，也可外設(shè)加勁環(huán)?？刹捎铆h(huán)向、縱向排水暗管?？刹捎铆h(huán)向、縱向排水暗管。環(huán)向排水環(huán)向排水：可用礫石鋪成，每隔：可用礫石鋪成，每隔6-8m設(shè)一道，設(shè)一道，收集的滲水匯集后由襯砌下部的縱向排水暗管收集的滲水匯集后由襯砌下部的縱向排水暗管(

12、例如例如無砂混凝土管無砂混凝土管)排向下游排向下游。4.24.2地下埋管承受內(nèi)壓分析地下埋管承受內(nèi)壓分析一、基本工作原理一、基本工作原理1、基本假定、基本假定(1)圍巖、砼、鋼管為彈性狀態(tài)，圍巖、砼、鋼管為彈性狀態(tài)，巖石為完全彈性體，且各向同性。巖石為完全彈性體，且各向同性。(2)巖石開挖后已充分變形，巖石開挖后已充分變形，回回填填砼和鋼襯施工后無初始應(yīng)力。砼和鋼襯施工后無初始應(yīng)力。(3)在設(shè)計內(nèi)壓作用下，回填在設(shè)計內(nèi)壓作用下，回填砼承受荷載開裂砼承受荷載開裂以后只傳遞徑向壓力，不承擔(dān)環(huán)向荷載。以后只傳遞徑向壓力，不承擔(dān)環(huán)向荷載。2、基本工作原理、基本工作原理r1二、計算內(nèi)容二、計算內(nèi)容(1)

13、 在已知鋼管厚度情況下，求鋼襯應(yīng)力在已知鋼管厚度情況下，求鋼襯應(yīng)力；鋼襯環(huán)向拉應(yīng)力的計算公式鋼襯環(huán)向拉應(yīng)力的計算公式：(2) 在已知鋼襯允許應(yīng)力的情況下求鋼襯厚度。在已知鋼襯允許應(yīng)力的情況下求鋼襯厚度。給定允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)的情況下，求給定允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)的情況下，求管壁厚度管壁厚度的計算公式：的計算公式：ErKK/100100Pr1001 ErK101100Pr 除公式不同除公式不同外，計算結(jié)果處外，計算結(jié)果處理同明鋼管理同明鋼管。三、影響鋼襯應(yīng)力因素的分析三、影響鋼襯應(yīng)力因素的分析1、圍巖的單位抗力系數(shù)、圍巖的單位抗力系數(shù)K0。概念見教材概念見教材K0=Ed/100(1+d)應(yīng)該盡量改善

14、圍巖的質(zhì)量，提高其彈性模量，應(yīng)該盡量改善圍巖的質(zhì)量，提高其彈性模量，途徑為途徑為固結(jié)灌漿固結(jié)灌漿。是否需要需論證是否需要需論證Ed與與d可由試驗得出，可由試驗得出，無論是室內(nèi)還是現(xiàn)場無論是室內(nèi)還是現(xiàn)場試驗都應(yīng)注意試驗結(jié)試驗都應(yīng)注意試驗結(jié)果的局限性。果的局限性。ErKK/100100Pr1001r12、初始縫隙、初始縫隙。對應(yīng)力影響大，但不易確定。對應(yīng)力影響大，但不易確定。施工縫隙施工縫隙0：砼澆筑或接縫灌漿完工后，溫：砼澆筑或接縫灌漿完工后，溫度恢復(fù)正常時，鋼襯與砼襯圈及砼與圍巖間的間隙度恢復(fù)正常時，鋼襯與砼襯圈及砼與圍巖間的間隙總和。由砼的收縮和施工質(zhì)量不良造成。總和。由砼的收縮和施工質(zhì)量不

15、良造成。若施工處理較好，可取若施工處理較好，可取0 0.2mm。ErKK/100100Pr1001r1減小施工縫隙的措施：減小施工縫隙的措施：A.澆筑砼的水化熱消散后在低溫時進行接縫灌澆筑砼的水化熱消散后在低溫時進行接縫灌漿。漿。B.在砼澆筑時降低入倉溫度和對鋼襯進行冷卻，在砼澆筑時降低入倉溫度和對鋼襯進行冷卻，如噴灑冷水。如噴灑冷水。C.采用膨脹砼回填。此法有時可不進行接縫灌采用膨脹砼回填。此法有時可不進行接縫灌漿。漿。D.采用預(yù)埋骨料壓漿砼。采用預(yù)埋骨料壓漿砼。r1鋼襯冷縮縫隙鋼襯冷縮縫隙S（溫差縫隙溫差縫隙）：）：其值取決于其值取決于鋼襯竣工時溫度鋼襯竣工時溫度(無確切資料可用無確切資料

16、可用平均地溫平均地溫)與運行與運行時溫度時溫度(最低水溫最低水溫)之差之差ts。其為非定值，冬季最大。其為非定值，冬季最大。 S=stsr1(1+)r1圍巖冷縮縫隙圍巖冷縮縫隙R RRdRrt1RRdRrt1圍巖破碎區(qū)相對圍巖破碎區(qū)相對半徑影響系數(shù)半徑影響系數(shù) 圍巖破碎區(qū)外半徑圍巖破碎區(qū)外半徑r4取值：取值：堅硬完整巖石可取隧堅硬完整巖石可取隧洞內(nèi)半徑，破碎軟弱巖石可取洞內(nèi)半徑，破碎軟弱巖石可取7倍鋼管內(nèi)半徑。倍鋼管內(nèi)半徑。RRdRrt1圍巖塑性壓縮縫隙圍巖塑性壓縮縫隙p：巖體的殘余變形。：巖體的殘余變形。r1一般可用適當(dāng)降低一般可用適當(dāng)降低K0值的方法加以考慮。值的方法加以考慮。計算時計算時

17、初始縫隙初始縫隙的取值的取值 ：= 0+ S + R=(35) 10-4r1。 ErK101100Pr注，此式適用條件：注，此式適用條件： 否則地下埋管壁厚按明管計否則地下埋管壁厚按明管計算。算。四、非均質(zhì)圍巖中鋼襯應(yīng)力分析四、非均質(zhì)圍巖中鋼襯應(yīng)力分析 實際上任何地下埋管都非軸對稱問題。因為實際上任何地下埋管都非軸對稱問題。因為 ：(1) 圍巖的性質(zhì)和初始應(yīng)力狀態(tài)不可能是各向同圍巖的性質(zhì)和初始應(yīng)力狀態(tài)不可能是各向同性的。性的。 (2) 圍巖孔口不是正圓。圍巖孔口不是正圓。 (3) 施工縫隙不可能是均勻的而呈復(fù)雜的局部施工縫隙不可能是均勻的而呈復(fù)雜的局部分布狀態(tài)。分布狀態(tài)。 (4) 回填的混凝土

18、襯圈未必沿圓周均勻地徑向回填的混凝土襯圈未必沿圓周均勻地徑向開裂。開裂。 層狀巖體是最典型的各向異性巖體，對這種巖層狀巖體是最典型的各向異性巖體，對這種巖體內(nèi)埋管的研究結(jié)果表明：體內(nèi)埋管的研究結(jié)果表明： (1)鋼襯應(yīng)力的絕對值和它的不均勻性受管道鋼襯應(yīng)力的絕對值和它的不均勻性受管道軸線與巖層相對位置的影響很大；軸線與巖層相對位置的影響很大；鋼襯應(yīng)力最大值鋼襯應(yīng)力最大值發(fā)生在圍巖變形模量最大的方向的位置發(fā)生在圍巖變形模量最大的方向的位置。(2)圍巖兩正交方向的變形模量值之比越大，鋼圍巖兩正交方向的變形模量值之比越大，鋼襯應(yīng)力分布的不均勻程度也越大。襯應(yīng)力分布的不均勻程度也越大。 (3)圍巖變形模

19、量的絕對值越大，圍巖各向異圍巖變形模量的絕對值越大，圍巖各向異性對鋼襯應(yīng)力的影響也大。性對鋼襯應(yīng)力的影響也大。 (4)混凝土襯圈的非均勻開裂對鋼襯應(yīng)力的不混凝土襯圈的非均勻開裂對鋼襯應(yīng)力的不均勻性有相當(dāng)影響。均勻性有相當(dāng)影響。E五、圍巖承載能力五、圍巖承載能力 實質(zhì)：實質(zhì)：即為確定鋼管外巖石覆蓋層厚度即為確定鋼管外巖石覆蓋層厚度。同時滿足以下兩個條件同時滿足以下兩個條件：1、埋管頂部基巖凈厚度埋管頂部基巖凈厚度Hd不小于管道砼不小于管道砼襯圈外直徑三倍，即：襯圈外直徑三倍，即： Hd6r3工程上應(yīng)用較多，工程上應(yīng)用較多，但不合理，勢必被淘汰。但不合理，勢必被淘汰。2、抗上抬方法、抗上抬方法31

20、1/)(rprq311/)(rprq)/1000/()1000(10110111ErKKprs111)1 (rtsss2、抗上抬方法、抗上抬方法當(dāng)當(dāng)60，可用考慮圍巖摩擦力的側(cè)推平衡原，可用考慮圍巖摩擦力的側(cè)推平衡原則分析圍巖水平覆蓋厚度的要求。一般則分析圍巖水平覆蓋厚度的要求。一般f1，故水，故水平覆蓋厚度應(yīng)大于垂直覆蓋厚度平覆蓋厚度應(yīng)大于垂直覆蓋厚度。3、數(shù)值分析方法、數(shù)值分析方法，包括有限元、流線元及，包括有限元、流線元及DDA等分析方法。等分析方法。方便快捷，但參數(shù)的選取比較麻煩，程序本身方便快捷，但參數(shù)的選取比較麻煩，程序本身有待進一步改進。有待進一步改進。 4.34.3地下埋管的抗

21、外壓失穩(wěn)地下埋管的抗外壓失穩(wěn)地下埋管鋼襯的外壓失穩(wěn)問題比內(nèi)壓問題更需地下埋管鋼襯的外壓失穩(wěn)問題比內(nèi)壓問題更需注意，因為：注意，因為：地下埋管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，有圍巖聯(lián)合作用，地下埋管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，有圍巖聯(lián)合作用，其承受內(nèi)壓的潛在安全度相當(dāng)高其承受內(nèi)壓的潛在安全度相當(dāng)高，但管但管道放空時所受外壓力的值可能遠(yuǎn)大于大道放空時所受外壓力的值可能遠(yuǎn)大于大氣壓力氣壓力，造成管道外壓失穩(wěn)。，造成管道外壓失穩(wěn)。一、鋼襯的外壓荷載一、鋼襯的外壓荷載 (1) 地下水壓力地下水壓力，即工程上常說的，即工程上常說的外水壓力外水壓力?？筛鶕?jù)勘測資料選定。可根據(jù)勘測資料選定。 (2) 鋼襯與混凝土之間鋼襯與混凝土之間接縫

22、灌漿壓力接縫灌漿壓力。計算時。計算時接縫灌漿壓力一般為接縫灌漿壓力一般為0.2MPa。另外工程上另外工程上回填回填及及接觸灌漿接觸灌漿的壓力一般為的壓力一般為0.15-0.25 MPa，固結(jié)灌漿固結(jié)灌漿壓力一般為壓力一般為0.45-0.55 MPa，常，常取為取為0.5 MPa。一、鋼襯的外壓荷載一、鋼襯的外壓荷載 (1) 地下水壓力地下水壓力(2) 鋼襯與混凝土之間鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力接縫灌漿壓力(3) 回填砼時流態(tài)混凝土的壓力。回填砼時流態(tài)混凝土的壓力。即施工期一次澆筑的流態(tài)砼的壓力，即施工期一次澆筑的流態(tài)砼的壓力，其值決定其值決定于混凝土一次澆筑的高度于混凝土一次澆筑的高度，其值

23、為：，其值為： 砼HC二、埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征二、埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征臨界壓力：臨界壓力：工程上鋼襯達(dá)到工程上鋼襯達(dá)到屈服強度屈服強度時的狀時的狀態(tài)稱為失穩(wěn)，相應(yīng)的外界壓力稱為態(tài)稱為失穩(wěn)，相應(yīng)的外界壓力稱為臨界壓力臨界壓力。埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要區(qū)別埋管與明鋼管外壓下失穩(wěn)的重要區(qū)別：地下：地下埋管失穩(wěn)埋管失穩(wěn)受外圍混凝土的限制受外圍混凝土的限制。埋管鋼襯的臨埋管鋼襯的臨界壓力與材料的屈服強度和初始縫隙值界壓力與材料的屈服強度和初始縫隙值直接有關(guān)。直接有關(guān)。兩種失穩(wěn)模式兩種失穩(wěn)模式 (a) n個屈曲波個屈曲波 (b)三個半波三個半波埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)

24、的特征：外壓外壓鋼襯屈曲鋼襯屈曲鋼襯變形達(dá)到鋼襯變形達(dá)到0外壓繼續(xù)外壓繼續(xù)增加增加鋼襯發(fā)生更多波形的屈曲鋼襯發(fā)生更多波形的屈曲鋼襯應(yīng)力值鋼襯應(yīng)力值鋼襯應(yīng)力達(dá)到材料屈服值鋼襯應(yīng)力達(dá)到材料屈服值失穩(wěn)。失穩(wěn)。此形式較符此形式較符合實際情況，合實際情況，較常見較常見鋼襯的屈曲失穩(wěn)形式可以是整體的或局部的鋼襯的屈曲失穩(wěn)形式可以是整體的或局部的三、光面鋼襯臨界壓力計算三、光面鋼襯臨界壓力計算1、阿氏公式、阿氏公式(我國鋼管設(shè)計規(guī)范推薦阿氏公式作為主要計算我國鋼管設(shè)計規(guī)范推薦阿氏公式作為主要計算公式，對于公式，對于光面管光面管，阿氏公式為：，阿氏公式為：Er45. 01)(r46. 3Er121rEN0s1

25、N0s12/3N21N1(2) ErrPNsNcr)(35. 01011臨界壓力公式：臨界壓力公式：(1) Er45. 01)(r46. 3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2) ErrPNsNcr)(35. 01011(1) 計算步驟計算步驟：計算時先由式：計算時先由式(1)求出求出N，再由式，再由式(2)求求Pcr。Er45. 01)(r46. 3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2) ErrPNsNcr)(35. 01011(1) 求求N時需要試算。時需要試算。已已將阿氏公式制成曲線將阿氏公式制成曲線，根，根據(jù)鋼襯的屈服強度據(jù)鋼襯的屈服強度s值和值和鋼襯的主要

26、參數(shù)鋼襯的主要參數(shù)r1/和和/ r1，即可直接由圖查出即可直接由圖查出Pcr，見，見P56圖圖4-4。Er45. 01)(r46. 3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(2) 外壓kPrPscr25. 07 . 113440注注：采用高強鋼可減小管壁厚度，但可能造采用高強鋼可減小管壁厚度，但可能造成臨界壓力成臨界壓力Pcr的降低，工程應(yīng)用時應(yīng)注意。的降低，工程應(yīng)用時應(yīng)注意。理論公式的計算結(jié)果不可能完全精確地理論公式的計算結(jié)果不可能完全精確地反映實際情況。反映實際情況。阿氏公式算出的臨界壓力值較低。阿氏公式算出的臨界壓力值較低。ErrPNsNcr)(35. 01011(2) ErK1

27、01100Pr 2、經(jīng)驗公式、經(jīng)驗公式根據(jù)根據(jù)38個模型試驗資料回歸分析的方法建立：個模型試驗資料回歸分析的方法建立：若外壓穩(wěn)定不滿足，更常用的是在管壁外設(shè)若外壓穩(wěn)定不滿足，更常用的是在管壁外設(shè)加加勁環(huán)勁環(huán)或或錨筋、錨片錨筋、錨片。外壓外壓PkPrPscr262025. 07 . 11四、加勁環(huán)式鋼襯臨界壓力計算四、加勁環(huán)式鋼襯臨界壓力計算地下埋管常采用加勁環(huán)來提高穩(wěn)定性和在運輸、地下埋管常采用加勁環(huán)來提高穩(wěn)定性和在運輸、施工時增加鋼襯的剛度。施工時增加鋼襯的剛度。有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算有加勁環(huán)的埋藏式鋼管的抗外壓穩(wěn)定計算：1、加勁環(huán)的穩(wěn)定分析、加勁環(huán)的穩(wěn)定分析用光面管公式計算用

28、光面管公式計算。rl78. 0Er45. 01)(r46. 3Er121rEN0s1N0s12/3N21N1(1) ErrPNsNcr)(35. 01011臨界壓力公式：臨界壓力公式：(2) 實際上實際上，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)變形，加勁環(huán)嵌固在混凝土中，向內(nèi)變形時約束大，一般可以不考慮加勁環(huán)的外壓穩(wěn)定性問時約束大，一般可以不考慮加勁環(huán)的外壓穩(wěn)定性問題，而題，而按強度條件控制按強度條件控制，即，即：lrFPscr1/式中：式中：F加勁環(huán)有效截面面積；加勁環(huán)有效截面面積； l加勁環(huán)間距。加勁環(huán)間距。rl78. 02、加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定、加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定目前尚無完善計算方法，可套

29、用帶有加勁環(huán)的目前尚無完善計算方法，可套用帶有加勁環(huán)的明管明管的外壓穩(wěn)定計算公式，即認(rèn)為縫隙值很大，的外壓穩(wěn)定計算公式，即認(rèn)為縫隙值很大，這這樣偏于安全樣偏于安全。（式。（式336、337）MParLnnnrErLnnrEPcr2 . 01121)1 (121) 1(2222222332222224/12/174. 2rLrn3、錨筋式鋼管、錨筋式鋼管用經(jīng)驗公式校核：用經(jīng)驗公式校核： n同一截面上的錨筋數(shù)同一截面上的錨筋數(shù)l管軸向錨筋間距。管軸向錨筋間距。錨筋具體設(shè)計見錨筋具體設(shè)計見水工設(shè)計手冊水工設(shè)計手冊。43. 018 . 1164. 04 . 021552rnlrnPscr加勁環(huán)式鋼襯抗

30、外壓失穩(wěn)的設(shè)計步驟是：加勁環(huán)式鋼襯抗外壓失穩(wěn)的設(shè)計步驟是：1、根據(jù)設(shè)計外壓力荷載值，算出管壁不失穩(wěn)根據(jù)設(shè)計外壓力荷載值，算出管壁不失穩(wěn)所需加勁環(huán)間距所需加勁環(huán)間距l(xiāng)（按式（按式3-36、3-37計算）；計算）；2、根據(jù)間距設(shè)計加勁環(huán)的斷面（按式根據(jù)間距設(shè)計加勁環(huán)的斷面（按式4-11計計算）算） 。lrFPscr1/2222222332222221121)1 (121) 1(rLnnnrErLnnrEPcr4/12/174. 2rLrn五、防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施五、防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施地下埋管鋼襯的嚴(yán)重失穩(wěn)地下埋管鋼襯的嚴(yán)重失穩(wěn)事故多發(fā)生在地下水事故多發(fā)生在地下水作用的情況作用的情

31、況。工程上一般可以采用：。工程上一般可以采用：(1) 降低地下水水壓力降低地下水水壓力。此為防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法，排水廊道結(jié)合此為防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法，排水廊道結(jié)合排水孔是比較廣泛采用的有效措施。排水孔是比較廣泛采用的有效措施。 (2) 精心施工，精心施工，做好鋼襯與混凝土之間的接縫做好鋼襯與混凝土之間的接縫灌漿灌漿，減小縫隙。，減小縫隙。(3)設(shè)加勁環(huán)設(shè)加勁環(huán)的方法來提高穩(wěn)定性和在運輸和施的方法來提高穩(wěn)定性和在運輸和施工時增加鋼襯的剛度。工時增加鋼襯的剛度。(4) 采用采用夾膜式鋼筋混凝土管道夾膜式鋼筋混凝土管道(即在二層鋼筋即在二層鋼筋混凝土中夾薄鋼板混凝土中夾薄鋼板)，不僅抵抗外壓的

32、能力大大增，不僅抵抗外壓的能力大大增強，而且具有明顯的經(jīng)濟效益。強，而且具有明顯的經(jīng)濟效益。(5)流態(tài)混凝土的壓力穩(wěn)定可用流態(tài)混凝土的壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或臨時支撐解決或限制澆筑高度限制澆筑高度。4.4 4.4 地下埋管的改進途徑和措施地下埋管的改進途徑和措施一、現(xiàn)行設(shè)計理論的主要原則及問題一、現(xiàn)行設(shè)計理論的主要原則及問題1、設(shè)計理論主要原則、設(shè)計理論主要原則(1) 內(nèi)水壓作用下，鋼襯變形充填縫隙，再使內(nèi)水壓作用下，鋼襯變形充填縫隙，再使砼襯圈開裂，并與圍巖按變位相容條件聯(lián)合受力。砼襯圈開裂，并與圍巖按變位相容條件聯(lián)合受力。(2) 把各向異性、具有裂隙等構(gòu)造的非線彈性把各向異性、具有裂隙等

33、構(gòu)造的非線彈性巖體當(dāng)作均勻介質(zhì)考慮。巖體當(dāng)作均勻介質(zhì)考慮。(3) 限制鋼襯在其材料的彈性范圍內(nèi)工作，一限制鋼襯在其材料的彈性范圍內(nèi)工作，一般將鋼襯的允許應(yīng)力限制為鋼材屈服強度的般將鋼襯的允許應(yīng)力限制為鋼材屈服強度的0.67倍倍或更低?；蚋?。(4) 校核圍巖的承載力，在滿足要求的情況下，校核圍巖的承載力，在滿足要求的情況下，為提高圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力百分比采用回填、接縫、為提高圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力百分比采用回填、接縫、固結(jié)灌漿等工程措施來減小總縫隙，并改善圍巖的固結(jié)灌漿等工程措施來減小總縫隙，并改善圍巖的力學(xué)性能。力學(xué)性能。(5) 校核外壓穩(wěn)定，必要時以加勁環(huán)、錨筋等校核外壓穩(wěn)定，必要時以加勁環(huán)、錨筋

34、等措施來增加鋼襯的抗外壓穩(wěn)定能力。措施來增加鋼襯的抗外壓穩(wěn)定能力。2、以上設(shè)計理論及工程實踐存在問題、以上設(shè)計理論及工程實踐存在問題(1) 對鋼襯應(yīng)力有重要影響的一些參數(shù)，如對鋼襯應(yīng)力有重要影響的一些參數(shù)，如縫縫隙值隙值和反映圍巖變形的性能的和反映圍巖變形的性能的抗力系數(shù)抗力系數(shù)，取值很難，取值很難準(zhǔn)確，使鋼襯的實際工作應(yīng)力和計算應(yīng)力可能相差準(zhǔn)確，使鋼襯的實際工作應(yīng)力和計算應(yīng)力可能相差甚遠(yuǎn)。甚遠(yuǎn)。(2) 計算出來的圍巖所分擔(dān)的內(nèi)水壓力值與圍計算出來的圍巖所分擔(dān)的內(nèi)水壓力值與圍巖的實際承載并無必然聯(lián)系巖的實際承載并無必然聯(lián)系，當(dāng)圍巖實際承載力超，當(dāng)圍巖實際承載力超過計算中它所分擔(dān)的內(nèi)水壓力時，圍巖承載力沒有過計算中它所分擔(dān)的內(nèi)水壓力時，圍巖承載力沒有得到充分利用。得到充分利用。(3) 當(dāng)當(dāng)K(圍巖