即施工期一次浇筑的流态砼的压力，其值决定 于混凝土一次浇筑的高度，其值为：
C H砼
二、埋管钢衬在外压下失稳的特征

临界压力：工程上钢衬达到屈服强度时的状 态称为失稳，相应的外界压力称为临界压力。 埋管与明钢管外压下失稳的重要区别：地下 埋管失稳受外围混凝土的限制。埋管钢衬的临
界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值 直接有关。
r1 100K 0 E Pr 1
除公式不同 外，计算结果处 理同明钢管。
三、影响钢衬应力因素的分析 1、围岩的单位抗力系数K0。概念见教材
K0=Ed/100(1+μd)
Pr1 100K 0 100K 0 r1 / E
6、压力钢管结构设计 (1)初步拟定管壁厚度δ； (2)进行钢管外压稳定校核，确 定是否设置加劲环，并计算其尺寸； (3)进行强度校核。 7、校核镇墩的稳定及地基应力。
二、地下埋管的工作特点
与明管相比 （1）优点 ①布置灵活方便。 ②钢管与围岩共同承担内水压，减小钢衬δ。 ③运行安全。
第四章 地下埋管
4.1 地下埋管的特点及构造
地下埋管是埋藏于地层岩石之中的钢管，其为 水电站中应用最多的一种压力管道。
一、地下埋管的性质
地下埋管的性质：钢衬与岩体之间用混凝土回 填后共同受力的组合结构。
小结：明钢管的设计步骤
1、线路选择。 2、供水方式选择。 3、管径确定。 4、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩 节、进人孔、阀门。 5、水力计算 (1)恒定流：计算h损。 (2)非恒定流：计算水锤压力。
回填砼一般采用砼泵浇筑。
回填砼分层浇筑。当需加 快施工进度时，可在管内架设 临时支撑。
为振捣方便，砼浇筑可在 安装好几段钢管后交叉进行。
浇筑时需注意钢衬外围和刚性环附近振捣密实， 防止出现空洞，防止地下水浸入冲走水泥浆造成无 强度空洞。
(6)采用合适的原材料和级配、合理的输送、浇 筑和震捣工艺更为重要，以保证回填混凝土密实、 均匀并和围岩及钢衬密切贴合。
钢管就位以后需要在管外焊接作业的：两侧及 顶部至少留0.5m，底部至少留0.6m或更大。加劲环 距岩壁应至少留0.3m。
▓注：应尽量避免现场管外焊接，减少加劲环 ≥ 0.5m 高度，以节省开挖和回填混凝土量。
≥0.3m
≥0.6m
(4)钢衬一般在加工厂焊制成一定长度的管节， 运输到洞内用预埋的锚件固定，校正圆度，压缝整 平后，焊接安装环缝。 (5)钢衬与围岩之间回填的砼仅传递径向内压 力，故标号一般在150#-250#之间，且不低于150#(稍 低于C15)。
若施工处理较好，可取Δ0 ＝0.2mm。
r1
减小施工缝隙的措施：
A.浇筑砼的水化热消散后在低温时进行接缝灌 浆。 B.在砼浇筑时降低入仓温度和对钢衬进行冷却， 如喷洒冷水。
C.采用膨胀砼回填。此法有时可不进行接缝灌
浆。
D.采用预埋骨料压浆砼。
r1
②钢衬冷缩缝隙ΔS（温差缝隙）：其值取决于 钢衬竣工时温度(无确切资料可用平均地温)与运行 时温度(最低水温)之差Δts。
(4)布置在地下水位低的岩层中，同时应避开地 下水压力和涌水量很大而又不易采取有效排水措施 的地段。 (5)地下埋管宜多采用联合供水。当同时要求开 挖几条隧洞时，隧洞间要有足够的间距。(>3D)
水 电 站 厂 房
压 力 管 道
水 轮 发 电 机 机 组
2、地下埋管的布置形式 ①竖井：常用于首部式开发的地下电站。
▓层状岩体是最典型的各向异性岩体，对这种岩 体内埋管的研究结果表明： E (1)钢衬应力的绝对值和它的不均匀性受管道 轴线与岩层相对位置的影响很大；钢衬应力最大值 发生在围岩变形模量最大的方向的位置。 (2)围岩两正交方向的变形模量值之比越大，钢 衬应力分布的不均匀程度也越大。 (3)围岩变形模量的绝对值越大，围岩各向异 性对钢衬应力的影响也大。 (4)混凝土衬圈的非均匀开裂对钢衬应力的不 均匀性有相当影响。
注，此式适用条件：
否则地下埋管壁厚按明管计
算。
四、非均质围岩中钢衬应力分析 ▓实际上任何地下埋管都非轴对称问题。因为 ： (1) 围岩的性质和初始应力状态不可能是各向同 性的。 (2) 围岩孔口不是正圆。 (3) 施工缝隙不可能是均匀的而呈复杂的局部 分布状态。 (4) 回填的混凝土衬圈未必沿圆周均匀地径向 开裂。
埋管钢衬在外压下失稳的特征：
外压↑→钢衬屈曲→钢衬变形达到Δ0→外压继续 增加→钢衬发生更多波形的屈曲→钢衬应力值↑→ 钢衬应力达到材料屈服值→失稳。
两种失稳模式
(a) n个屈曲波
(b)三个半波
此形式较符 合实际情况， 较常见
钢衬的屈曲失稳形式可以是整体的或局部的
三、光面钢衬临界压力计算
1、阿氏公式(Amstutz) 我国钢管设计规范推荐阿氏公式作为主要计算 公式，对于光面管，阿氏公式为： 临界压力公式：
①顶拱回填灌浆：平洞、斜井，在砼浇筑14天 后进行。 ②基岩固结灌浆可视具体条件选用。 灌浆过程中应严密监视，防止钢衬失稳事故； 灌浆后全部灌浆孔均必须严密封堵，以防运行时内 水外渗，造成事故。固结灌浆应在回填灌浆7-14天 之后进行。 ③接缝灌浆：钢衬与砼、砼与围岩之间进行， 且宜在气温最低的季节施工，以减少缝隙值。于固 结灌浆14天后进行。
1 ( pr K01 s1 ) /( 1000 K01r1 / E) 1 1000
s1 (1 ) s ts1r1
2、抗上抬方法 当α>60°，可用考虑围岩摩擦力的侧推平衡原 则分析围岩水平覆盖厚度的要求。一般f＜1，故水 平覆盖厚度应大于垂直覆盖厚度。
3、数值分析方法，包括有限元、流线元及 DDA等分析方法。 方便快捷，但参数的选取比较麻烦，程序本身 有待进一步改进。
Pcr r1 ( s 0 N ) r1 1 0.35 E
N
(1) (2)
r1 N E r N 1 12 E 1
2
3/ 2
r1 r1 s 0 N 3.46 (s 0 N ) 1 0.45 E
应该尽量改善围岩的质量，提高其弹性模量， 途径为固结灌浆。是否需要需论证 Ed与μd可由试验得出， 无论是室内还是现场 试验都应注意试验结 果的局限性。
r1
2、初始缝隙Δ。对应力影响大，但不易确定。
Pr1 100K 0 100K 0 r1 / E
①施工缝隙Δ0：砼浇筑或接缝灌浆完工后，温 度恢复正常时，钢衬与砼衬圈及砼与围岩间的间隙 总和。由砼的收缩和施工质量不良造成。
②斜井：适用于地面和地下厂房。
③平洞：作为过渡段使用。
四、地下埋管的施工要求
地下埋管施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支 护等）→安装钢管→回填砼→各种灌浆(回填灌浆、 固结灌浆、接缝灌浆)。
(1)洞井开挖可以用不同方法。
先开挖导洞，后扩大导洞断面，开挖方向如前。 尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持 圆形孔口，减少爆破松动影响。 开挖过程中包括：放线、打眼、装药、放炮、 排烟、清除危岩、喷锚支护等。
(2)施工时应合理地选择水平施工支洞的高程及 平面位置，以利出渣、钢衬的运输安装和回填砼， 并考虑作为永久性排水洞和观测洞的可能。
TBM掘进机工作过各示意图
TBM刀盘部分 全长100多米，钻头 直径8米多，隧洞的衬砌， 支护可一气呵成 。
(3)钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸视施工 方法和结构布置而定。
(2)缺点
①施工安装工序多，工 艺要求高，施工条件较差。 ②外压稳定问题突出。
下弯段钢管底部隆起
锚环焊缝开裂
三、布置 1、布置要求 (1) 线路应尽量选择在地形、地质条件优越地区， 并与调压室和厂房有良好的总体布置。 (2)应布置在坚固、完整、覆盖层厚的岩体中。
(3)管轴线尽量与岩层构造面垂直。
其为非定值，冬季最大。 ΔS=αsΔtsr1(1+μ) r1
③围岩冷缩缝隙ΔR ：管道投入运行后，水温低 于围岩原始温度，围岩降温冷缩形成的缝隙。
R d t R r1R
R d t R r1R
围岩破碎区相对 半径影响系数
围岩破碎区外半径r4取值：坚硬完整岩石可取隧 洞内半径，破碎软弱岩石可取7倍钢管内半径。
R d t R r1R
④围岩塑性压缩缝隙 Δp：岩体的残余变形。
r1
一般可用适当降低K0值的方法加以考虑。
计算时初始缝隙Δ的取值 ：
Δ= Δ0+ ΔS + ΔR=(3~5) × 10-4r1。
r1 100K 0 E Pr 1
回填砼的缺陷会引起钢衬的局部弯曲，特别不 利，甚至不如明管。所以这些缺陷常常是造成地下 埋管事故的重要原因。 (7)采用预埋骨料压浆砼和微膨胀水泥等，常可 取得较好的效果，而且可将砼浇筑和回填灌浆的工 艺结合为一，并对钢衬起一定预压作用。 采用竖井和较陡的斜井，利于回填砼的质量。
(8)灌浆分回填灌浆、接缝灌浆和固结灌浆。
五、围岩承载能力 实质：即为确定钢管外岩石覆盖层厚度。 同时满足以下两个条件： 1、埋管顶部基岩净厚度Hd不小于管道砼
衬圈外直径三倍，即：
Hd≥6r3
工程上应用较多，
但不合理，势必被淘汰。
2、抗上抬方法
q ( pr 1 1 ) / r 3
q ( pr 1 1 ) / r 3
Pcr
r1 ( s 0 N ) r1 1 0.35 E
3/ 2
N
(1)
(2)
r1 N E r N 1 12 E 1
Pcr