地下高压钢筋混凝土岔管设计

1FJD34250FJD水利水电工程技术设计阶段地下高压钢筋混凝土岔管设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年8月2工程技术设计阶段地下高压钢筋混凝土岔管设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目录1引言42设计依据文件和规范43设计基本资料44设计原则与假定65设计工作内容与方法76专题研究187工程量计算188应提供的设计成果19附录A世界上已建成的高压钢筋混凝土岔管及其参数20附录B广州抽水蓄能电站一期工程高压钢筋混凝土岔管有限元分析网格214引言工程位于，是以为主，等综合利用的水利水电枢纽工程。上水池上库正常蓄水位M、坝高M；下水池下库正常蓄水位M、坝高M；地下高压钢筋混凝土岔管静水头M、最大水锤压力水头增值M、总水头M。本工程初步设计于年月审查通过。提示世界上已建成的地下高压钢筋混凝土岔管及其参数，见附录A。2设计依据文件和规范21有关本工程的文件1工程可行性研究报告；2工程可行性研究报告审批文件；3工程初步设计报告；4工程初步设计报告审批文件；5专题报告。22主要设计规范1SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准山区、丘陵区部分试行及补充规定；2SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范试行；3SD13484水工隧洞设计规范；488水规设字第8号文水利水电工程设计工程量计算规定试行。3基本资料31工程等级及建筑物级别1根据SDJ1278表1确定本工程为等工程；2根据地下高压钢筋混凝土岔管在电站枢纽工程中所处的位置及其重要性，岔管为级建筑物。32水文与气象资料1水库水池水温与气温，如表1。2上水库上水池与下水库下水池水位流量关系曲线。范本是按SDJ2078编写的，如用新规范SL/T19196或DL/T50571996，则有关内容需作相应修改。5表1水库水池水温与气温单位月份项目与位置123456789101112多年平均上水库（上水池）月平均气温下水库（下水池）上水库（上水池）月平均水温下水库（下水池）33地下高压钢筋混凝土岔管区域的地形、地质资料331高压钢筋混凝土岔管地形资料高压钢筋混凝土岔管的地形图1100012000。332高压钢筋混凝土岔管围岩工程地质资料1地质平、剖面图（110001500。2围岩分类及岩体理物力学指标，见表2。表2高压钢筋混凝土岔管围岩分类及物理力学指标表围岩类别项目名称岩体特征围岩性状断层出露宽度比，以10M洞长计岩石强度单轴饱和抗压强度RW，MPA地震波纵波速度VP，M/S岩体完整性系数KV裂隙发育组数裂隙发育频率，条/M岩体完整性岩体质量指标RQD，动弹模EO，MPA静弹模EO，MPA静变模ED，MPA饱和容重W，T/M3泊桑比抗拉强度T，MPA弹性抗力系数KO，MPA岩体物理力学指标抗剪断强度F6C，MPA3地应力1实测地应力资料测试方法，地应力数值与方位、倾角。2地应力回归计算后资料。4高压钢筋混凝土岔管区的地温资料。5本工程的地震基本烈度为度，岔管设防烈度为度。333高压钢筋混凝土岔管围岩水文地质资料，见表3表3围岩水文地质指标岩石类别单位吸水量，L/MINMM渗透系数，M/S说明表中的数字均为岩体的单位吸水量及渗透系数。34建筑材料物理力学性质建筑材料的物理力学性质参数，见表4。表4建筑材料物理力学性质指标材料名称标号或等级容重，T/M3静弹模，MPA泊桑比抗压强度，MPA抗拉强度，MPA混凝土钢筋喷混凝土说明表中的抗压及抗拉强度均是设计强度。35衬砌糙率36高压钢筋混凝土岔管开挖及混凝土衬砌的施工方法37引水系统水力过渡过程计算结果提示有关高压钢筋混凝土岔管在不同工况下的压力、流量、流速等。4设计原则与假定41设计原则1高压钢筋混凝土岔管设计，除执行本大纲外，还应符合有关规程、规范、标准的规定和要求。2高压钢筋混凝土岔管设计应做到因地制宜，技术先进，经济合理，运行安全可靠。3设计前应注重调查研究，深入现场，认真收集和分析研究有关工程地质、水文地质、地应力、地形地貌等设计资料。42设计假定1高压钢筋混凝土岔管结构设计，应以岔管群中几何断面最大的一个岔口计算。2在内水压力下的高压钢筋混凝土岔管结构分析，可采用二维或三维的有限元模型。其原因是高压岔管的围岩承受绝大部分的内水压力，岔管围岩的刚度远大于混凝土衬砌的刚度，高压岔管混凝土衬砌的几何不连续性对内水压力作用下的高压岔管影响不大，用二7维平面应变模型可以满足内水压力作用下的结构分析要求。3高压钢筋混凝土岔管外压作用下的结构应采用三维有限元模型分析。其原因是在外压作用下，高压钢筋混凝土岔管衬砌的应力与其体型密切相关，二维模型已无法模拟。4未经充分论证前，内水压力或外水压力宜按作用在边界混凝土内边界或外边界的边界力处理。在较准确确定围岩、断层、混凝土的渗透系数及渗流场的最不利边界条件后并进行渗透场分析后，可以将内水压力中的静水头按渗流场分析后的场力考虑，而把水锤压力作为边界力考虑。5高压钢筋混凝土岔管段的圆形段，在外压力作用下可用二维厚壁圆管理论进行分析；在内压力作用下可按变形协调条件推导的公式进行结构分析。6高压固结灌浆，除了起到加固围岩、防止高压水沿构造带渗流的作用外，作用在混凝土衬砌的有效预压应力将钢筋应力限制在一定的范围内，使在内水压力作用下的混凝土衬砌的裂缝开展宽度得到控制。从偏于安全考虑，上述预压应力在裂缝开展宽度计算时不予考虑。7当内水压力或外水压力远大于混凝土衬砌自重时，在结构计算时可略去混凝土衬砌自重荷载的影响，以简化计算。5设计工作内容与方法51地下高压钢筋混凝土岔管的设置条件及位置选择511高压钢筋混凝土岔管设置条件1高压钢筋混凝土岔管设置的可行性，应在进行完整的工程地质勘探及岩石力学分析的基础上确定。2高压钢筋混凝土岔管的设置条件应包括1岔管应位于类或类围岩完整的岩体内，对类围岩，经论证后亦可采用钢筋混凝土岔管结构。2岔管上的围岩的最小覆盖厚度，可按洞内静水头小于洞顶以上围岩重量确定，亦可参照下列两个围岩最小覆盖厚度经验公式进行复核。“挪威”围岩最小覆盖厚度经验公式图18图1COSRWMKHC式中CRM围岩最小覆盖厚度；S高压岔管最大静水头；W水容重；R围岩容重；地面坡角；K安全系数，K11。“澳大利亚雪山公司”推荐的围岩最小覆盖厚度经验公式图2垂直覆盖水平覆盖CRH2CRV3式中CRV围岩最小垂直覆盖厚度；CRH围岩最小水平覆盖厚度；S高压岔管静水头；W水容重；R围岩容重；K0为大于1的安全系数，对不衬砌隧洞，K015。图23一般来说，高压钢筋混凝土岔管所在处的围岩的最小地应力，应大于其最大静水头。SR0KHRWSV219经过充分论证后，围岩的最小地应力，可以小于但应接近其最大静水头。上述的论证应确认高压钢筋混凝土岔管所在处的围岩的地应力，足以防止由内水压力所引起的围岩水力致裂。4围岩的变形模数宜接近高压钢筋混凝土岔管混凝土的弹性模数值。若能等于或大于混凝土弹性模数更好。5高压钢筋混凝土岔管所在处的围岩渗透性微弱。512高压钢筋混凝土岔管位置选择1合理选择高压钢筋混凝土岔管的位置，是关系到围岩和整体稳定、工程造价、施工工期和运行安全等问题，是岔管设计的关键。2在满足工程枢纽总体布置要求的条件下，洞线宜选在、类围岩地段，地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、上覆岩层厚度大、水文地质条件好及便于施工的区域。3高压钢筋混凝土岔管的上覆岩层厚度，应满足第51122条的要求。4高压钢筋混凝土岔管所在位置的围岩地应力，应满足第51123条的要求。对于地应力以自重应力为主的围岩，岔管的平面位置宜位于某一山峰之下。对于高地应力地区的高压钢筋混凝土岔管，从围岩稳定考虑，宜减小最大水平地应力与岔管的主管轴线夹角。5当高压钢筋混凝土岔管无法避开某些小的地质构造断裂面或软弱破碎带时，岔管的主管轴线与构造断裂面或软弱带应尽量有较大的夹角。在整体块状结构的岩体中，其夹角一般不宜小于30。52地下高压钢筋混凝土岔管基本布置及其选择521高压钢筋混凝土岔管的布置，应综合考虑地形、地质、水力条件、枢纽布置特别是厂房布置、施工、运行、检修等各种因素，通过可能方案的技术经济比较选定。522高压钢筋混凝土岔管的基本布置，可分成对称的Y形岔管和不对称的卜形岔管两大类。此外，按岔管内底拱高程沿纵向轴线是否变化可分成平底岔管和非平底岔管；按高压岔管主管直径变化与否可分成等直径主管及收缩锥管主管两类。提示一般来说，对称的Y形岔管流量分配对称，均匀，但结构复杂，且水头损失大于不对称的卜形岔管。523对于卜形岔管，主、支管的分岔角度宜在3070的范围内选取，在满足布置和结构要求的条件下，应尽量采用较小的分岔角度。53水力设计及岔管内体形尺寸决定提示岔管是水电站管路系统的一个重要组成部分，当管道的末端设置多台机组时，管道必须设置分岔管，甚至形成管群。抽水蓄能电站与常规水电站不同，它不仅有发电工况，还有抽水工况，因此其岔管的水力特性和体型设计等问题，往往比常规电站复杂。531水力计算原则1水力计算是岔管设计的重要环节之一，应予以足够的重视。水力计算的内容有过流能力；水头损失等。此外还应研究流态等水力现象。2高压岔管的过流能力，按管流计算。10GVHIMIMI2KII/1GMIIIM2/2VHII3高压岔管的水头损失分成局部水头损失和沿程水头损失。岔管段的沿程水头损失比局部水头损失小得多，在水工模型试验的水头损失计算中，可归入岔管的局部水头损失之中。4水工模型试验的水头损失计算，为便于与有关文献资料比较，宜采用伯努利能量方程计算各岔、支管的水头损失。发电工况水头损失水头损失系数抽水工况水头损失水头损失系数式中HM、HI分别为设置在岔管段主管设置在主管分岔之前的断面、支管测量断面的压力；VM、VI分别为主管、支管相应测量断面的流速。在水头损失H中，包含了岔管段的局部水头损失和沿程水头损失。532卜形岔管内体形尺寸的决定岔管内体形尺寸设计的主要参数为图3分岔角、主管锥角1、支管锥角、管壁顺流转角和岔裆角等。图3卜形岔管布置示意图456711提示1采用较小的分岔角对岔管的水流条件是有利的，但这必然会增加在分岔区主管与支管壁互相切割的岔口面积，在内水压力作用下存在较大的不平衡力，因此，往往与结构要求有矛盾。通常，是根据管道布置的要求、型式、功能和地质条件等因素预先确定。角宜在3070范围内选取。当选定后，和与密切相关。2在发电分流工况下，宜采用较小的顺流转角，过大的在岔口转折点后极易产生涡流。通常改善涡流问题的方法是当角已确定和满足结构条件的情况下，稍增大支管的锥角，或者采用增加岔口上游侧管壁转折次数的方法，减小转角；同理，采用较小的角有利于分流，若过大，则岔裆会和水流发生顶撞，但对水流的影响不如显著。故此，对于岔管群的各岔管，当分岔角已确定时，在满足结构要求的条件下，可适当选用稍大的支管锥角；当、选定后，在结构允许的条件下，若主管段选用等直径的直管段或主管锥角1较小的渐变收缩锥管段，对改善岔口附近区域的流态是有利的。3抽水蓄能电站的工作水头一般较高，对于高水头电站而言，岔管内的动水压力较大，岔管段的局部水头损失占电站总水头的比例较小，在进行岔管内体型设计时，宜多考虑一些结构方面的问题。54结构设计541设计原则和假定1对岔管群，宜取内侧体型最大的一个岔口进行结构分析。2岔管的内水压力值，应按水力水力过渡过程计算的岔管最大内水压力静水头水锤压力增值作为设计值。3岔管承受的外压力值，应为岔管承受的外水压力与高压固结灌浆在岔管混凝土衬砌上产生的有效预压应力两者之和。其中岔管承受的外水压力，应根据岔管上方排水廊道的位置折减外水压力的数值。即当高压岔管放空时，岔管混凝土衬砌承受的外水压力，排水廊道高程以下按全水头考虑，排水廊道高程以上的水头考虑折减，其折减系数视不同的围岩类别而定。4当高压钢筋混凝土岔管位于、类围岩坚硬较完整的岩体内，断层裂隙小，可以假定围岩承受绝大部分的内水压力，而钢筋只限制裂缝开展宽度的作用。5高压固结灌浆，除了加固围岩外，对混凝土衬砌还施加了预压应力。预压应力的存在，使衬砌的钢筋应力限制在一定的范围内，从而使混凝土裂缝宽度控制在一定的数值内。此外，高压固结灌浆后，管周围岩的地应力将重新调整。542弹性力学与结构力学等常规计算方法121高压钢筋混凝土岔管圆形段混凝土衬砌厚度，可通过外压作用下的二维厚壁圆管理论确定图4。图4厚壁圆管承受外压的应力沿壁厚分布外压作用下厚壁圆管衬砌切向应力计算式如下式中衬砌切向应力，“一”表示压应力；QB厚壁圆管外侧承受的外压，用正值代入；A圆管内半径；B圆管外半径。当A时，绝对值最大，即压应力最大，由8式可得考虑到高压固结灌浆后，混凝土衬砌被非常粗糙的隧洞开挖岩面有效地内锁，故此不单是混凝土衬砌承受外压，而且与衬砌接触的部分围岩亦承受外压。所以在用厚壁圆筒公式计算衬砌厚度时，可用混凝土标号作为值。2围岩承受内水压力的计算，可假定在内水压力作用下，混凝土沿径向开裂，开裂后BQAR2218BQA219913的混凝土只有沿径向的压缩变形，围岩和混凝土均满足线性的变形规律，按变形后衬砌的变形协调条件可建立围岩承受内水压力的计算式。变形前及变形后的衬砌详见图5。图5变形前及变形后的衬砌1变形协调条件TCTR0STCDCTRDR10式中DC为混凝土衬砌的压缩变形；DR为松动区域围岩的压缩变形；S为钢筋径向变形。SDCDR0112上述各量值的表达式为LNLN0SRCRSRSCREPR1213141516141LNL1201RRRSRCSSRSRCSRERREARP3将上述各式代入10式，可求出围岩承受的内水压力PR，即以上式中P内水压力；P围岩承受的内水压力；R衬砌混凝土内半径；R受力钢筋内半径；R隧洞开挖半径；R0隧洞开挖半径加上松动圈深度；A沿洞轴每米长配置钢筋面积；E钢筋弹模；E0混凝土弹模；E1围岩松动区弹模；E2围岩非松动区弹模；泊松比。3混凝土裂缝开展宽度计算沿管道中心线方向每米长的配筋面积AS，是通过试算的方法，由混凝土裂缝开展宽度公式确定的。混凝土裂缝宽度计算式，可采用我国SDJ2078中规定的计算式，亦可参照美国混凝土协会刊物2242R86“受拉构件的混凝土裂缝宽度”计算式。现介绍美国公式如下AC2DCS19式中WMAX裂缝宽度，MM；1PDSSSA120REP205D31MAX014CSFW171815FS钢筋应力，MPA；DC钢筋重心到混凝土边缘距离；钢筋直径，MM；S为钢筋间距，MM。用17式计算的裂缝宽度较我国SDJ2078偏大，即钢筋用量偏多，偏于安全。4应用围岩承受内水压力计算式10及混凝土裂缝开展宽度计算式17计算岔管圆型断面配筋的步骤1先假定配筋直径及间距，允许缝宽，用混凝土裂缝开展宽度计算式计算钢筋应力FS。2用有关数据代入围岩承受内水压力计算式10，求出PR。3求出沿管道中心线方向每米长配筋面积AS，则可求出PS参见图6PSASFS/RS204由图6的力的平衡条件，可求出满足混凝土衬砌裂缝宽度所需的有效灌浆预压应力值PB。当PB值为0或负值，表明不需要灌浆预压应力亦能满足对混凝土衬砌缝宽的要求。21式中符号与16式相同。543有限元计算5431有限元计算的数学模型可取岔管群中几何断面最大的一个岔口计算。5432有限元模型包括二维有限元模型和三维有限元模型两种，其中二维有限元模型可分别采用标准圆断面和岔管断面两种情况。在采用三维模型时，对于分岔区主、支管相交部位的混凝土及邻近围岩的模拟，应采用四面体、五面体单元作为过渡，以减少由于六面体厚壳单元的扭曲所引起的过大计算误差。5433岔管承受内水压力时的有限元模拟1二维有限元模型，均用平面应变单元。由于岔管深埋在良好的岩体之中，围岩的刚度远大于混凝土衬砌的刚度，围岩将承受绝大部分的内水压力。故此，岔管衬砌的几何不连续性的影响是次要的，二维数学模型可满足内水压力作用下的岔管结构分析。2三维有限元模型，用厚壳等参单元。用包括山体围岩的岔管三维有限元模型，既可分析在内水压力作用下岔管的应力、应变，亦可分析在外压作用及局部灌浆压力作用下岔管应力与应变。图6RRSBRP163不论用二维或者三维有限元模型进行岔管承受内水压力工况的结构分析，均应计算1当混凝土衬砌未开裂时，在内水压力作用下混凝土衬砌单元的主拉应力及方向。2当混凝土单元的主拉应力大于混凝土衬砌的极限抗拉强度时，认为该单元已开裂，开裂方向与该单元主拉应力方向垂直，此单元开裂方向的混凝土弹模用一个较小的值一般为千分之一的原弹模值代入，即用各向异性材料单元输入开裂后的混凝土单元中，以模拟混凝土开裂。3用模拟混凝土开裂的模型计算在内水压力作用下的围岩、混凝土衬砌、应力。4计算地应力场在围岩单元的地应力。5内水压力在围岩单元所产生的应力与地应力叠加，确认叠加后的结果仍为压应力，即不会出现围岩水力致裂现象。6必要时可用钢筋桁架单元杆单元模拟岔管配筋，以计算出钢筋在内水压力作用下的工作应力，再用混凝土缝宽公式推求混凝土的缝宽。5434岔管承受外压时的有限元模拟1当岔管放空时，它将承受外压作用。岔管衬砌的几何形状的不连续性使岔管在外压作用下的设计显得极为重要。该情况宜用三维有限元模型模拟。2三维有限元模型模拟岔管承受外压，可以用54332中所述及的三维模型，其中混凝土单元与围岩单元之间应设缝隙单元，或者将邻近混凝土单元的围岩单元之弹模值取一小值，以模拟混凝土与围岩之间不完全的固结。外压力作用在混凝土衬砌上。3根据国外钢筋混凝土岔管的设计经验，亦可以用下述的三维模型模拟岔管抗外压。除了混凝土衬砌外，考虑与衬砌等厚的岩体一起参加抵抗外压。为模拟围岩的约束，每一外部结点附加一沿径向弹簧约束。外压力作用在与混凝土衬砌等厚的围岩单元外表面上。当模型承受外压时，如果弹簧受拉则表明有限元模型外表面与围岩分离。所以，弹簧受拉则除去，而弹簧受压则将其保留弹簧约束。4上述两个模型，均需通过多次迭代计算。每次迭代计算，均要通过调整混凝土衬砌单元的几何形状，改善衬砌的应力分布。5最终确定混凝土衬砌厚度后所进行岔管抗外压计算，对其计算结果中主压应力较大的单元应绘出单元主应力沿厚度分布曲线，超过混凝土极限抗压强度的部分应由钢筋承担，并按建筑物等级考虑相应的安全系数，计算该处的配筋。提示高压岔管的有限元网格，可参阅附录B。55工程措施551开挖1开挖程序要求严格控制开挖、光面爆破、岩石支护的程序，以便将岩石爆破松动圈范围减小到最低的程度。一般情况下，应先开挖支管到主管直墙处，应预先在该处岩面打岩石超前锚杆，使松17动圈之岩块与岩体相连，再开挖主管。如果先开挖主管，岩石荷载与应力将沿将来开挖的支管开口处重新分布。虽然可以从主管处用岩石锚杆加固支管处岩块，但其效果不如先开挖支管，然后从支管方向加固更有效。2爆破应采用光面爆破技术，严格控制装药量，短进尺，多循环。3岩石支护每一掘进爆破作业后，应在离掌子面15M处布设系统岩石锚杆。对于有断层、裂隙处应用随机岩石锚杆加固处理。4对断裂较密集的区域除用随机岩石锚杆处理外，还应至少用厚8CM的喷混凝土覆盖。552灌浆与防渗1灌浆程序按照回填灌浆、浅孔固结灌浆、帷幕灌浆、深孔高压灌浆四个程序进行。2压水试验为了确定灌浆效果，宜在浅孔固结灌浆前进行较低压力的水压试验，在深孔高压灌浆后进行与高压灌浆压力相同或相近的水压试验。上述压水试验宜在水压试验孔进行。3灌浆试验为确定及优化灌浆参数不同灌浆程序的孔数、排距、孔深、压力、起始水灰比、灌浆结束标准等，宜进行灌浆试验。4回填灌浆，目的在于填补顶拱由于混凝土浇筑不满而留下的空隙，孔深以打穿混凝土遇到空腔为准。若没有空腔时，则伸入岩石5CM以上。5浅孔低压固结灌浆，其目的为处理混凝土与岩石之间的缝隙，使之接触紧密；加固因爆破而产生的松动圈；为深孔高压固结灌浆创造较为坚固的塞位。一般来说，浅孔固结灌浆的施工，应一次性钻孔完毕后才施灌，有利于排气及浆液扩散，便于施工。6帷幕灌浆，在岔管边界附近进行帷幕灌浆，可形成防渗帷幕圈或延长浆液外渗渗径，使高压灌浆区域能够形成高压区。此外，可延长高压水外渗的渗径。7深孔高压固结灌浆，其目的可提高围岩的抗渗性及整体性，并给混凝土衬砌以预压应力，限制了混凝土裂缝的宽度。可用分段灌注法施灌。553排水系统1为降低高压岔管及其邻近的钢衬支管的外水压力，确保岔管及钢衬支管放空时的安全，应在岔管上方设置排水廊道。2岔管排水廊道的位置，如有地质探洞，则宜充分利用探洞，统一布置排水系统。56监测仪器设计561监测仪器设计原则1埋设在高压钢筋混凝土岔管段的监测仪器，按其用途可分成两大类第一类是对高压岔管及电站的安全运行所必须的，如渗压计；第二类是用于科学研究、验证设计理论及18方法的仪器，如钢筋计、混凝土应变计、温度计、无应力计、多点位移计。在高压岔管的监测仪器设计中，必须设置第一类仪器，即渗压计；而按照实际需要及仪器的性能，适当设置第二类仪器。2渗压计应埋设在高压岔管段的断层、裂隙等渗流活动的区域。3监测仪器及其电缆的性能应能承受相应的设计水头。562监测仪器设计196专题研究7工程量计算地下高压钢筋混凝土岔管工程量计算项目一般包括1洞挖石方2锚杆工程量3喷混凝土量4混凝土5钢筋及钢材6回填灌浆7固结灌浆8帷幕灌浆9化学灌浆经论证认为必要时10止水片11