CN104866723B - 一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法，当Hr<6r时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按明管取值；当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按埋管取值；当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中当K₀≥K_0c时，取p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，当K₀＜K_0c时，取

Description

一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法。

背景技术

在我国建设的许多大型水电站和抽水蓄能电站中，地下埋藏式钢管是主要的引水管道结构形式。在“安全第一”和“资产全寿命周期管理”总体最优的思想指导下，地下埋藏式钢管广泛应用于不同水头水电站的地下输水系统中，尤其常见于高水头抽水蓄能电站的引水系统。由于事关整个工程的安全性与经济性，如何确定好地下埋藏式钢管的管壁厚度是设计人员十分关心的问题。

地下埋藏式钢管的埋藏结构示意图如图1所示。

图1中恒温区是指围岩温度稳定，不会影响结构受力的区域；热影响区包括围岩完整区、围岩破碎区及衬砌区域，各区域会因温度变化而引起变形，从而影响结构受力。总缝隙值δ₂为钢管、围岩因温度变化所产生的缝隙与施工作业中产生的缝隙之和，具体体现为钢管与衬砌之间的缝隙δ₂₁、衬砌与围岩之间的缝隙δ₂₂。在地下埋藏式钢管的管壁厚度确定过程中，衬砌仅作为传力媒介考虑，不承受相应荷载，因此对于砖石衬砌、片石混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌，其基本的计算原理均适用，区别仅在于缝隙值的取值不同。

目前，设计人员对于地下埋藏式钢管的管壁aaa厚度确定方法均基于厚壁圆筒变形相容原理，即将钢管、衬砌、围岩作为一壁厚无限大的圆筒进行分析，并认为钢管、衬砌、围岩的变形是连续的，不发生某些部位的相互分离或侵入，满足弹性力学变形相容方程。

根据《水电站压力钢管设计规范DL/T5141-2001》，地下埋藏式钢管的管壁厚度确定方法如下：

1)进行围岩覆盖厚度条件(一)的判别

Hr≥6r

当围岩厚度满足该条件时，此时才可将钢管、衬砌、围岩作为一无限大的厚壁圆筒进行考虑；该条件是利用厚壁圆筒变形相容原理确定钢管管壁厚度的必要条件。

当围岩厚度不满足该条件时，则不能利用厚壁圆筒变形相容原理确定钢管管壁厚度，此时钢管管壁厚度计算式为σ_R按明管取值。

2)进行缝隙条件的判别，

当满足该条件时，钢管变形大于缝隙值，钢管承受的内水压力才可以传递到围岩上，即该条件是考虑围岩联合承载的必要条件。

当不满足该条件时，不考虑围岩联合承载，此时钢管管壁厚度计算式为其中σ_R按埋管取值。

3)试算围岩分担的最大内水压力

其中

4)进行围岩覆盖厚度条件(二)的判别，

如果围岩承担的内水压力大于其重力及侧向压力，围岩可能会被掀开，因此该判别条件是对围岩的承载能力进行判别，其物理意义是要确保试算所得到的围岩可能分担的内水压力不大于围岩的重力其侧向压力所能提供的最大值。

5)选择相应壁厚计算公式进行壁厚计算

当围岩覆盖厚度条件(二)满足时，钢管管壁厚度计算式为：

当围岩覆盖厚度条件(二)不满足时，令p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，

钢管管壁厚度计算式为：

地下埋藏式钢管管壁厚度确定计算中所涉及的参数及说明如下：

Hr为垂直于钢管管轴的最小覆盖围岩厚度，

r为钢管内径，

p为内水压力，

p₂为围岩分担的最大内水压力，

σ_R为钢管结构构件的抗力限值，

E_s2为平面应变问题的钢材弹性模量，

δ₂为钢管、衬砌、围岩间总缝隙值，

r₅为衬砌内径，

K₀为围岩单位抗力系数，

K_0c为围岩单位抗力系数临界值，

γ_r为围岩重度较小值，

α为钢管管轴与水平面夹角，

η_r为围岩侧向压力系数，

t为钢管管壁厚度，

t_min为钢管最小管壁厚度，根据r的不同，在DL/T5141-2001中对应取值。

目前，设计人员在确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度时，主要依据上述方法进行，此方法存在以下缺点。

首先，根据上述方法，当满足围岩覆盖厚度条件(一)和缝隙判别条件，但不满足围岩覆盖厚度条件(二)时，虽然试算时p₂＞γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，但将实际的p₂取为γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)并不合适。由于岩体并不是各向同性的完全弹性体，通常都呈现塑性变形、蠕变等非线性形状，所以试算的p₂值并不能反应围岩的实际承载水平。当围岩力学指标较差时，由于围岩实际分担内压的能力很弱，很有可能围岩实际能够分担的内水压力值小于γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)；当围岩力学指标较好，围岩覆盖厚度Hr很高时，虽然围岩实际分担内压的能力很强，但由于γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)值过大，也将可能出现围岩实际分担的内水压力值小于γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)的情况。

以上两种情况均将导致过高地估算围岩分担内水压力的能力，从而使钢管管壁计算值偏下，埋下安全隐患。

其次，当围岩覆盖厚度判别条件(二)恰好满足时，即

此时确定钢管管壁壁厚既可以采用公式

也可以令p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，采用公式

上述两个计算公式所得钢管管壁壁厚结果并不相等，即，在围岩覆盖厚度判别条件(二)恰好满足的条件会出现两种计算结果。

再次，当同时满足围岩覆盖厚度条件(一)、缝隙判别条件和全部覆盖围岩厚度条件时，共需要进行三次条件的判断，其中，为了进行围岩覆盖厚度条件(二)的判别，还需要进行围岩可分担的最大内水压力的试算，计算过程相当繁琐。

发明内容

现有的水电站地下埋藏式钢管管壁厚度确定方法，只考虑围岩在理想状态下分担内水压力的能力，并未考虑围岩实际分担内水压力的能力，易导致钢管管壁计算值偏下，埋下安全隐患，在特定情况下还有可以出现两种计算结果。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种改进了的确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法。

对于无限大厚壁圆筒模型，根据围岩物理方程，围岩径向位移为

根据钢管、围岩变形的几何相容原理，钢管的径向位移为

根据钢管物理方程

可得

因此，围岩实际可分担的最大内水压力值可以用下式表示

可知影响围岩实际承担内水压力的因素主要包括钢管材料、钢管内径、缝隙值的大小以及围岩单位抗力系数。而对于特定计算断面，钢管材料、钢管内径、缝隙值的大小往往已经事先确定，影响围岩实际承担内水压力的就只有围岩单位抗力系数。

同时，根据《水电站压力钢管设计规范DL/T5141-2001》，围岩分担的内水压力不大于围岩的重力及侧向压力所能提供的压力值γ_rH_rcosα(1+η_rtan²α)，即

p₂≤γ_rH_rcosα(1+η_rtan²α)

因此，可以得到围岩分担的最大内水压力值p₂与围岩单位抗力系数K₀的关系曲线如图2所示。

围岩单位抗力系数临界值K_0c的计算过程如下，

由图2可知，当K₀＜K_0c时，围岩实际分担的最大内水压力与围岩单位抗力系数K₀成正比，当K₀≥K_0c时，限制围岩实际分担的最大内水压力不大于围岩的重力及侧向压力所能提供的压力值γ_rH_rcosα(1+η_rtan²α)。

因此，若根据图2中的曲线来确定围岩分担的最大内水压力值p₂，并由此确定钢管管壁厚度，则综合考虑了围岩实质地质条件和行业设计规范，全面地体现了围岩分担内水压力的能力，从而设计出满足要求的钢管。

因此，为解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：

一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法，当Hr<6r时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按明管取值；当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按埋管取值；当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中当K₀≥K_0c时，取p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，当K₀＜K_0c时，取

上述公式中，Hr为垂直于钢管管轴的最小覆盖围岩厚度，r为钢管内径，p为内水压力，p₂为围岩分担的最大内水压力，σ_R为钢管结构构件的抗力限值，E_s2为平面应变问题的钢材弹性模量，δ₂为钢管、衬砌、围岩间总缝隙值，r₅为衬砌内径，K₀为围岩单位抗力系数，K_0c为围岩单位抗力系数临界值，γ_r为围岩重度较小值，α为钢管管轴与水平面夹角，η_r为围岩侧向压力系数。

跟现有技术相比，本发明避免对围岩分担的最大内水压力进行试算，综合考虑了围岩实际分担内水压力的能力和行业规范，全面地体现了围岩分担内水压力的能力，从而设计出满足要求的钢管；当围岩覆盖条件(二)刚好满足时，由于p₂与K₀的关系曲线在K₀＝K_0c处连续，故有且只有一个钢管管壁值。

附图说明

图1为地下埋藏式钢管的埋藏结构示意图。

图2为围岩分担的最大内水压力值p₂与围岩单位抗力系数K₀的关系曲线。

具体实施方式

一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法，当Hr<6r时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按明管取值；当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按埋管取值；其特征在于，当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中当K₀≥K_0c时，取p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，当K₀＜K_0c时，取

上述公式中，Hr为垂直于钢管管轴的最小覆盖围岩厚度，r为钢管内径，p为内水压力，p₂为围岩分担的最大内水压力，σ_R为钢管结构构件的抗力限值，E_s2为平面应变问题的钢材弹性模量，δ₂为钢管、衬砌、围岩间总缝隙值，r₅为衬砌内径，K₀为围岩单位抗力系数，K_0c为围岩单位抗力系数临界值，γ_r为围岩重度较小值，α为钢管管轴与水平面夹角，η_r为围岩侧向压力系数。

应用本发明方法的具体工程案例分析验证如下：

某抽水蓄能电站引水隧洞某管段的地下埋藏式钢管厚度计算参数如下表1。

表1某抽水蓄能电站引水隧洞埋管计算参数表

Hr＝69.964m，6r＝6×3＝18m，故Hr≥6r，满足围岩覆盖厚度条件(一)。

δ₂＝2.18mm，故满足缝隙条件。

如果利用现有技术中的方法确定钢管管壁厚度，由于Hr＝69.964m，6r＝6×3＝18m，故Hr≥6r，满足围岩覆盖厚度条件(一)；δ₂＝2.18mm，故满足缝隙条件。

首先试算围岩分担的最大内水压力值

然后进行围岩覆盖厚度条件(二)的判别，

故令p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)＝1.098MPa，

钢管管壁厚度为

若围岩覆盖厚度判别条件(二)满足，计算得到的钢管管壁厚度为

由以上计算可知，满足围岩厚度判别条件(二)进行计算所得的管壁厚度远大于不满足该条件时的厚度计算值。而事实上，满足围岩厚度判别条件(二)意味着围岩更厚，进行计算所得的管壁厚度理应比不满足该条件时小，此时的计算结果是反常的，不应该被应用。

如果利用本发明方法确定钢管管壁厚度，由于Hr＝69.964m，6r＝6×3＝18m，故Hr≥6r，满足围岩覆盖厚度条件(一)；δ₂＝2.18mm，故满足缝隙条件。首先计算临界值K_0c：

由于K₀＝7.5MPa/cm，故K₀＜K_0c，取

钢管管壁厚度为

利用本发明来确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度，避免了试算围岩分担的最大内水压力值，计算出钢管管壁厚度为33mm，大于利用现有方法确定的钢管管壁16mm，能够更好地满足工程需求。

Claims (1)

1.一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法，

当Hr<6r时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按明管取值；

当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中σ_R按埋管取值；

其特征在于，当Hr≥6r且时，所述钢管管壁厚度为其中当K₀≥K_0c时，取p₂＝γ_rHrcosα(1+η_rtan²α)，当K₀＜K_0c时，取

上述公式中，Hr为垂直于钢管管轴的最小覆盖围岩厚度，r为钢管内径，p为内水压力，p₂为围岩分担的最大内水压力，σ_R为钢管结构构件的抗力限值，E_s2为平面应变问题的钢材弹性模量，δ₂为钢管、衬砌、围岩间总缝隙值，r₅为衬砌内径，K₀为围岩单位抗力系数，K_0c为围岩单位抗力系数临界值，γ_r为围岩重度较小值，α为钢管管轴与水平面夹角，η_r为围岩侧向压力系数。