[发明专利]一种确定水电站地下埋藏式钢管管壁厚度的方法

说明书

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。