一种SCS组合式水电站压力埋管的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种ＳＣＳ组合式水电站压力埋管的设计方法，在钢衬和围岩之间灌装混凝土管，在混凝土管和围岩之间再加装外层钢管。外层钢管防渗、中层混凝土管抗外压、内层钢管仅承担运行期的内水压力荷载。既大大减小了钢筋用量和混凝土标量，减小了成本，又便于运行期将内水压力传递给外层钢管和围岩，该设计方法充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，很好地适应其运行期的高内压与检修期的高外压的工作环境，从而达到合理利用材料的目的，另外，在施工时由于无需设置加劲环等辅助措施，且可预制构件，所以可大幅加快施工速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水电站压力埋管的设计方法，具体涉及一种钢衬—混凝土—钢衬(SCS)组合式水电站压力埋管的设计方法。
技术介绍
近二三十年来，地下埋藏式压力钢管的采用日益增多，一方面是因为地下电站的大量修建；其次是有许多工程的管道沿线地面条件不利，出于保护环境的需要；第三是由于目前压力钢管的HD值不断增加，设计和制作明管的困难越来越大，高强合金又昂贵、短缺，采用地下埋藏式压力钢管可以利用围岩来分担荷载从而减薄钢衬厚度。但随着水电站的单机容量越来越大，压力管道的HD值不断提高，对于高HD值的地下埋藏式压力管道，传统的地下埋藏式压力钢管存在以下几方面难以克服的问题(1)在运行期高内水水头作用下，如果混凝土衬砌按抗裂设计，需加厚混凝土衬砌和提高混凝土标号，进而扩大开挖断面并给混凝土衬砌的浇筑带来不便，同时也不利于将内水荷载传递给围岩；(2)一般混凝土衬砌按限裂设计，带来的另一困难是在检修期外水将通过混凝土衬砌裂缝直接作用于钢管壁上，薄壳结构的钢管极有可能发生屈曲失稳，外压往往成为控制工况，这就需要加厚钢板和加密加筋环的间距及加大加筋环的尺寸，而在正常运行期间钢衬中的环向应力往往很小，不能充分发挥其抗拉作用，从而浪费钢材并给施工带来极大不便； (3)为了充分发挥钢衬的抗拉作用，而在钢衬与混凝土衬砌之间设预留缝，虽然可以尽最大可能地发挥钢衬的抗拉作用，但却给检修期外水作用下钢衬的稳定性带来致命隐患，依靠加劲环等措施增加其检修期稳定性的设计又给施工带来极大麻烦，同时建造安装成本急剧增大。
技术实现思路
针对传统的地下埋藏式压力钢管中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种SCS组合式水电站压力埋管的设计方法，该方法充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，能够适应运行期的高抗拉与检修期的高抗压的严格要求，从而达到节省材料、加快施工速度的目的。本专利技术的基本构思是采用SCS组合式水电站压力埋管，在现有的混凝土管和围岩之间加装一层钢管，构成围岩、外层钢管、混凝土管和内层钢管的布置格局，外层钢管主要发挥防渗作用，防止外水直接作用到内层钢管上，外水压力主要由两层钢管间的混凝土管承担，充分发挥混凝土管的高抗压性能，以提高压力埋管的抗外压能力，内层钢管则主要承担内水压力，并允许混凝土管出现径向裂缝，以便在内水荷载作用下将内水压力传递给外层钢管和围岩，充分发挥内、外层钢管以及围岩的抗拉性能。实现本专利技术基本构思所采用的技术方案是，SCS组合式水电站压力埋管的设计方法，在内层钢管和围岩之间灌装混凝土管，在混凝土管和围岩之间再加装外层钢管。该方法按以下步骤进行首先确定混凝土管的厚度，然后确定外层钢管的壁厚，再确定各层管之间的层间缝隙值，最后确定内层钢管的壁厚。本专利技术的设计方法，设计为由双层钢管和混凝土管组成组合式压力埋管。外层钢管防渗、中层混凝土管抗外压、内层钢管仅承担运行期的内水压力荷载。由于设置了外层防渗钢管，所以中层混凝土管可以按无限制的开裂设计，既大大减小了钢筋用量和混凝土标量，减小了成本，又便于运行期将内水压力传递给外层钢管和围岩，这种设计充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，从而很好地适应其运行期的高内压与检修期的高外压的工作环境，从而达到合理利用材料的目的，另外，在施工时由于无需设置加劲环等辅助措施，且可预制构件，所以可大幅加快施工速度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。图1是现有技术压力钢管的1/4横截面示意图；图2是现有技术压力钢管在临界外压下管壁屈曲变形图，其中a为主视图，b为侧视图；图3是本专利技术设计得到的压力钢管1/4横截面示意图；图4是本专利技术设计得到的压力钢管1/4三维结构示意图。图中，1.围岩，2.混凝土管，3.内层钢管，4.外层钢管。具体实施例方式图1是现有技术压力钢管的1/4横截面示意图。在内层钢管3和围岩1之间是混凝土管2，利用围岩1来分担荷载从而减薄内层钢管3的厚度。当在内外水作用下，内层钢管3、混凝土管2、围岩1三者共同作用时，发生的变形难以协调，脆性的混凝土管2和围岩1在较小的内压下极易开裂，而延性的内层钢管3却极易在外水压力下产生管壁屈曲失稳，如图2所示。图3、图4是按照本专利技术设计方法得到的压力埋管的结构示意图，由较厚的内层钢管3、薄的外层钢管4及两层钢管之间具有一定厚度的混凝土管2组成。a.设计时，首先确定混凝土管2的厚度tc=r2-D2=D2(11-2βH100σc-1)]]>其中tc——混凝土管厚度，r2——外层钢管内半径(mm)，H——内水水头(m)，D——内层钢管直径(m)，σc——混凝土的屈服强度(MPa)，β——外水折减系数。b.然后确定外层钢管4的壁厚外层钢管4的壁厚按我国水电站钢管设计规范中规定的管壁最小厚度来确定表1不同管径对应的管壁最小厚度表 c.再确定各层管之间的层间缝隙值各层管之间的层间缝隙值确定为首次充水时管道共分布有3处层间缝隙δ1为内层钢管3与混凝土管2之间的缝隙；δ2为混凝土管2与外层钢管4之间的缝隙；δ3为外层钢管4与围岩1之间的缝隙。(1)内层钢管3与混凝土管2之间的缝隙δ1的计算方法如下δ1＝δ11+δ12 δ11——施工缝隙，如进行可靠的接触和回填灌浆，可取0.2mm，δ12——运行充水后的温降缝隙，其中δ12＝Us1-UcUs1为内层钢管冷缩引起的方向朝向圆心的径向位移，当为最低运行温度情况时，Us1＝αs1ΔTs1(1+vs1)r1式中Us1——最低运行温度情况下内层钢管冷缩引起的方向朝向圆心的径向位移值(mm)，αs1——内层钢材的线胀系数(1/℃)，ΔTs1——内层钢管起始温度减最低运行温度(℃)，起始温度(即相应于管壁环向应力为0时的温度)如无资料，可近似用平均地温，最低运行温度可近似用最低水温，vs1——内层钢材泊松比，r1——内层钢管内半径，当为最高水温度情况时，Us1＝αs1ΔTs1(1+vs1)r1式中Us1——最高水温情况下的内层钢管冷缩缝隙值(mm)，ΔTs1——内层钢管起始温度减最高水温(℃)，可为负值，Uc为混凝土管内壁由于冷缩引起的方向朝向圆心的径向位移，将混凝土管2视为厚壁圆筒，用热弹性交互定理导出UcUc=αca(1+v)(Ta-Tb)]]>式中vc——混凝土泊松比，αc——混凝土线胀系数， α——混凝土管内径，b——混凝土管外径，Ta——内壁边界温度，Tb——外壁边界温度；(2)混凝土管2与外层钢管4之间的缝隙δ2的计算方法如下δ2＝δ21+δ22δ21——施工缝隙，如进行可靠的接触和回填灌浆，可取0.2mmδ22——运行充水后的温降缝隙，其中δ22＝Uc-Us2Uc为混凝土管外壁由于冷缩引起的方向朝向圆心的径向位移，将混凝土管2视为厚壁圆筒，用热弹性交互定理导出UcUc=αcb(1+vc)(Ta-Tb)]]>式中vc——混凝土泊松比，αc——混凝土线胀系数，α——混凝土管内径，b——混凝土管外径，Ta——内壁边界温度，Ta——外壁边界温度，Us2为外层钢管4冷缩引起的方向朝向圆心的径向位移，当为最低运行温度情况时，Us2＝αs2ΔTs2(1+vs2)r2式中Us2——最低运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳＣＳ组合式水电站压力埋管的设计方法，在内层钢管（３）和围岩（１）之间灌装混凝土管（２），其特征在于：且在混凝土管（２）和围岩（１）之间再加装外层钢管（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，钱军，徐彬，陈莉静，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]