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根据施工方法和结构布置(开挖、回填、焊接等施工方法以及有无锚固加劲环等)确定。需要在管壁外侧进行焊接者，两侧和顶部至少留0.5m，底部至少留0.6m。加劲环距岩壁至少0.3m。应尽量减少现场管外焊接，减小加劲环高度，以减少岩石开挖和混凝土回填方量。
(2) 钢衬安装
钢衬一般在工厂制成一定长度的管节，运
输到洞内，用预埋锚件固定，校正圆度、压缝整平后进行焊接。
(3) 混凝土回填
钢衬与围岩之间回填的混凝土仅起传递径向内压力而不必承受环向拉力，标号不必太高，但也不宜低于C15。更重要的是要采用合适的原材料和级配、合理的输送、浇筑和振捣工艺，以保证回填混凝士密实、均匀、围岩和钢衬紧密贴合。平管的底部，止水环和加劲环附近加强振捣，严禁出现疏松区和空洞区。混凝土回填的缺陷对钢衬外压稳定非常不利。采用预埋骨料压浆混凝土和微膨胀水泥等，常会取得较好的效果。
(4) 灌浆
灌浆分为回填灌浆，接缝灌浆和固结灌浆。我国钢管设计规范规定：平洞、斜井应作顶拱回填灌浆，灌浆压力不应小于0.2MPa，但也不得大于钢管抗外压临界压力。钢管与混凝土衬圈之间如果存在超过设计允许的缝隙，应进行接缝灌浆。接触灌浆宜在气温最低的季节施工，以减少缝隙值，其灌浆压力不宜大于0.2MPa，并保证钢管在灌浆过程中的变形不超过设计允许值。基岩固结灌浆可视围岩情况、内水压力、设计假定、开挖爆破方式等情况确定，其灌浆压力不宜小于0.5MPa。
灌浆过程中，应严密监视，防止钢管失稳等事故，必要时可采取临时支护措施。灌浆后，全部灌浆孔必须严密封闭，以防运行时内水外渗，造成事故。
二、地下埋管承受内压时的强度计算
从结构上来看，地下埋管相当于一个圆筒型多层组合结构，其结构计算基于以下假定：
(1) 结构中的各层材料(钢材、混凝土、岩石等)均处于弹性状态，且为各向同性体；
(2) 钢衬安装后回填混凝土之前，围岩已经充分变形，故混凝土层和钢衬中不存在初始应力；
(3) 在钢衬与混凝土、混凝土和围岩之间存在微小的初始缝隙。
地下埋管的结构分析方法，根据缝隙条件和覆盖围岩厚度，分为钢管与围岩共同承受荷载和由钢管单独承受荷载两类情况。单独承担和载情况的计算与明钢管相同。共同承担荷载时，地下埋管在内压作用下发生变形，变形前后的状态和荷载传递情况见图8-39所示。图的上下两部分分别为地下埋管受内水压力前后的部分横断面图。埋
图8-39 地下埋管的变形
管承受内压后，钢衬发生径向位移，待缝隙消失后，继续向混凝土衬圈传递内压，使混凝土内发生环向拉应力，从而在衬圈内产生径向裂缝。内压通过混凝土楔块继续向围岩传递，围岩产生向外的径向位移并形成围岩抗力，使埋管在内压下得到平衡。如果缝隙是均匀的，岩石又是各向同性的，那末地下埋管是对称的组合圆筒结构，在均匀内压下的位移和应力可按平面应变下的相容条件得出解析解答。地下埋管承受内压时的计算包括两方面，其一是在已知钢管厚度情况下，求钢衬应力σθ，其二是在已知钢衬允许应力的情况下求解钢衬厚度。
在内水压力P作用下，设已经开裂的混凝士衬圈与围岩之间的径向接触应力为q，则根据衬圈楔块的力的平衡条件，钢衬与衬圈之间的接触应力：
(8-40)
钢衬在内压P和外压Pc作用下的环向拉应力：
(8-41)
钢衬的径向位移(离心方向)：
(8-42)
上二式中：E——钢衬的弹性模量；
μ——钢衬的泊松比。
混凝士衬圈的楔块仅在径向受到Pc及q的作用，在混凝土浇筑质量得到保证的情况下，其径向压缩位移量很小，可以忽略不记。围岩在内压q作用下的径向位移
(8-43)
式中，K称为围岩的抗力系数，其定义是围岩中给定半径的圆形孔口受均匀内压作用下，孔周发生1cm径向位移值时所需的均匀内压值，单位为MPa/cm。工程上常使用单位抗力系数K0，即半径为100cm的孔口受均匀内压时，孔周发生1cm径向位移值时均匀内压值，如果围岩是线弹性体，则存在下列关系
K＝100K0/r3 (8-44)
于是 (8-45)
根据钢衬、混凝土衬圈和围岩径向位移必须相容的条件，有
将各表达式代入化简，并考虑r2≈r1，可得
(8-46)
(8-47)
因此可以得出钢衬应力的计算公式，或在给定钢管构件抗力限值的情况下，求管壁厚度的计算公式：
(8-48)
(8-49)
三、影响钢衬应力的因素
对钢衬应力影响比较大的是岩体特性和初始缝隙。
1．围岩单位抗力系数K0的影响
首先看一下单位抗力系数K0的影响程度。设有一地下埋管，其r1=200cm，δ＝1.2cm、P＝2MPa，Δ＝0时，K0分别等于0(围岩无抗力)及40MPa/cm，则钢衬应力由333MPa降为85.5MPa。可见K0值是很重要的。
但是工程设计中很难准确地选取K0值。因为岩体中常存在比较软弱的节理和裂隙，所以岩体本身并不是线弹性各向同性体，在试验室中也无法准确地确定岩体的参数，所以岩体的参数只有靠大规模现场试验或工程经验确定。但一方面现场试验成本高，另外隧洞线路较长，各部分的参数不尽相同，且试验探洞的部位以及荷载大小等都对结果有影响，所以选用计算参数时要非常谨慎。
在确定了岩体的弹性模量Er和泊松比μr后，可以由下式计算单位抗力系数K0
(8-50)
2．初始缝隙值Δ对钢衬应力的影响
初始缝隙值Δ对钢衬应力的影响也可由下面的算例看出，设r1=200cm，δ＝1.2cm、P＝2MPa，K0＝40MPa/cm，则Δ由0变为1mm时，钢衬应力由85.5MPa增加到171MPa。
初始缝隙值Δ的变化很大，影响其大小的因素很多，也相当复杂，不易准确确定。初始缝隙主要由以下几种缝隙组成：
(1) 施工缝隙Δ0：回填的混凝土在凝固过程中释放的水化热使钢衬膨胀，混凝土凝固以后温度恢复正常，混凝土和钢衬均发生收缩，在钢衬和混凝土以及混凝土与岩石之间形成缝隙。
施工缝隙的大小与混凝土的收缩和施工质量有很大关系，各工程和钢管的不同部位也都不相同。平洞和坡度较小的斜井在浇筑混凝土时，钢管两侧易于平仓振捣，回填混凝土的质量较易保证；而顶、底拱部位易于形成较大空隙，故施工缝隙沿管周的分布是不均匀的。减小施工缝隙的有效措施是提高混凝土垫层的浇筑质量和进行回填及接缝灌浆。一般情况下，如果管外的混凝土填筑质量很好，并进行了认真的接缝灌浆，则Δ0可取0.2mm。
(2) 岩石的塑性蠕变缝隙Δrc。岩石不是完全弹性体，在长期反复荷载作用下，有部分变形在卸荷后不能复原，形成残余变形，且在一定时间内会逐渐增大，其原因是岩体的节理和裂隙在加荷后闭合而卸荷后不能完全复原，这种残余变形称为塑性蠕变缝隙。塑性蠕变缝隙的大小与岩体的破碎程度有关。完整岩体的残余变形很小。例如，我国某电站埋管，围岩较好，建成后5年之内实测的钢衬应力基本没有变化。对于较破碎的岩体进行固结灌浆，封堵节理和裂隙，能有效地减小岩体的残余变形。
日本东川电站的现场试验研究表明，岩体的残余变形和弹性变形存在良好的相关关系，残余变形可用与弹性变形的比值βr表示，即
(8-51)
该电站实测的βr=0.3～0.6。
(3) 温度收缩缝隙。钢管通水后，因水温较低，钢管和围岩冷却收缩，与混凝土垫层间形成缝隙。在埋管水压试验的稳压阶段，在一定时间之内钢衬应力会随时间逐渐增大，就是由于钢衬和围岩因热交换逐渐冷却的结果。钢衬的径向温降收缩可用下式计算
式中，和分别为钢材的线胀系数和泊松比，为钢衬充水前后的温差。
如果施工季节选择不当，Δst可以达到相当数值。
围岩破碎区和开裂的混凝土衬圈，温降后缝隙值增加。其径向变位为
式中，和分别为围岩的线胀系数和岩壁充水前后的温差，为围岩破碎区影响系数，可按表8-6查取。
实际计算中，总缝隙值取上述三种缝隙之和：
Δ=Δ0+Δst+Δrc (8-52)
但在实际计算中，由于岩性比较复杂，围岩和混凝土衬圈收缩引起的缝隙值难以精确确定，且数值不大，一般可以不计。
四、地下埋管的抗外压稳定分析
地下埋管的钢衬也存在外压作用下失稳的问题。国内外地下埋管发生的事故中，钢衬破坏大多是由于受外压失稳造成的。这是因为地下埋管是一种薄壳结构，承受内压的潜在能力相当高，而其抵抗外压的能力较低，但管道放空时所受外压力的值可能远高于大气压力。
(一) 钢衬的外压荷载
地下埋管钢衬所承受的外压力有以下几种：
(1) 地下水压力。钢衬所受地下水压力值，可根据勘测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分析水库蓄水和引水系统渗漏等因素对地下水位的影响。地下水位线一般不应超过地面。
(2) 钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。接缝灌浆压力一般为0.2MPa。
(3) 回填混凝土时流态混凝土的压力。其值决定于混凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次浇筑高度。
(二) 埋管钢衬在外压下失稳的特征
钢村承受流态混凝土压力时，因钢衬尚无约束，类似明钢管承受外压。钢村在承受地下水压力和灌浆压力时，已经受到混凝土垫层的约束。灌浆压力沿管周不是均布的，地下水压力则可认为是均布的。
埋管钢衬在周围岩石的约束下承受外压力产生变形时，与地面钢管有很大不同，如图8-40所示。如果外压值增加到一定值时，钢衬将发生塑性流动而导致大变形，部分钢衬脱离混凝土，而其余部分钢衬则与混凝土紧密接触，此时钢衬已丧失其使用性能，其相应的外压力为临界压力。
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。这是埋管与明钢管外压下失稳的重要区别。
(三) 钢衬临界外压力计算
1．光面钢管
在均匀外水压力作用下，光面钢管的计算公式颇多，在我国比较常用的是阿姆斯图兹(Amstutz)公式。国内外实际工程的地下埋管失稳破坏和模型实验失稳破坏的实例说明，其破坏形态与阿氏公式假设的变形形态相符，阿氏公式的计算结果比较接近模型试验值。因此我国钢管设计规范推荐阿氏公式作为主要计算公式。阿氏假定，当外压超过钢衬的临界外压时，一部分的钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内，两个向外，如图8-40所示。在被压屈部分，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度σs。根据以上假定，阿氏导出的临界外压力的公式为
= (8-53)
(8-54)
其中 σN——钢衬屈曲部分由外压直接引起的环向应力；
计算时由式(8-53)先用试算法求出σN，再由式(8-54)求Pcr。
如果采用高强度钢，若σs>0.67σb(σb为钢材的极限强度)，则采用σs=0.67σb。
需要指出的是，影响埋管外压稳定的因素很多，而且很多因素难于确定，例如外压力的大小和分布，缝隙的大小和分布，钢衬的不圆度和局部缺陷等。因此理论公式的计算结果只能起参考作用。初步计算时也可用下面的经验公式：
(8-55)
该公式是根据38个不同国家、不同试验者在不同时期得出的模型试验资料，用回归分析的方法建立的，其相关性很好。计算时，Pcr和σs的单位均采用N/mm2。
2．有加劲环的埋管
地下埋管的外压稳定是设计中的主要问题，所以也常常采用增加加劲环的方法来提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。
有加劲环的埋藏式钢管的抗外压稳定计算包括加劲环间管壁的稳定计算和加劲环断面的稳定计算两个方面。
(1) 加劲环的稳定分析
加劲环断面的稳定分析理论上也可以按照埋藏式光面管公式进行，但需要按加劲环的有效截面进行计算。但实际上，加劲环嵌固在混凝土中，向内变形时约束大，很难像光滑管壁那样脱离混凝土向内屈曲，所以一般可以不考虑加劲环的外压稳定性问题，而按强度条件控制，即钢衬在外压作用下加劲环内平均压应力不超过材料屈服强度的条件来确定临界压力：
(8-56)
式中： F——加劲环有效截面；
l——加劲环间距。
(2) 加劲环之间的管壁外压稳定
对加劲环之间的管壁外压稳定，目前没有合理的计算方法，可以套用带有加劲环的明管的外压稳定计算公式，即认为缝隙值很大，这样偏于安全。
(四) 防止埋管钢衬受外压失稳的措施
工程上一般可以采用下面的几种措施来提高钢衬的抗外压稳定性：
(1) 降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法，比较广泛采用的方法是排水廊道结合排水孔；
(2) 精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小缝隙。但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时措施或限制灌浆压力；
(3) 流态混凝土的外压力稳定可用临时支撑解决或限制浇筑高度 las? o o B h?> n style=font-family:宋体;mso-ascii-font-family:"Times New Roman"; mso-hansi-font-family:"Times New Roman"> (8-33)
或简化为 (8-34)
要求： σ<φ[σ]
第七节 明钢管的抗外压稳定
一、明钢管外压失稳的原因及失稳现象
钢管是一种薄壁结构，可以承受较高的内压，但承受外压力的能力较差。
机组运行过程中由于负荷变化产生负水锤，而使管道内产生负压，或者管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。所以，必须根据钢管处于真空中状态时不至于产生不稳定变形的条件来校核管壁的厚度或采取工程措施。
二、抗外压稳定性校核
钢管承受均布外压荷载时，其抗外压稳定性可按下式验算：
(8-35)
其中：Kc—抗外压稳定安全系数，对明钢管一般取为2.0；
P0k—径向均布外压力标准值；
Pcr—抗外压稳定临界压力计算值。
三、光滑管段的临界外压力
取单位长度的圆环考虑，在均匀外压力作用下产生变形，如图8-27示。当外压力P增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧失稳定。在Pcr作用下，管壁维持一定的变形状态。经过推导，得出临界压力Pcr为
(8-36)
式中 D —— 圆环直径；
E —— 钢的弹性模量；
μ—— 钢的泊松比；
δ —— 钢管厚度。
图8-27 管壁在外压下的屈曲
三、加劲钢管的外压稳定
当管径较大时按公式(8-36)求出的管壁厚度太大，可能无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施，不但可以增加其抗外压稳定性，也可以降低生产难度，并降低造价(比增加管壁厚度更经济)。
(一) 加劲环之间的管壁临界外压力
加劲环的刚度要足够大，在设计外压下不失稳。管壁由于受到加劲环的约束，其变形与光滑管不相同，其变形形态如图8-28所示，变形的特点是发生多波屈曲。发生多波屈曲所需的外压力比发生双波屈曲的外压力要大，但这与加劲环的间距有关。当加劲环的间距较小时，其间的光滑部分与加劲环一同变形，管壁的临界压力即加劲环的临界压力；当加劲环的间距较大时，假设加劲环的刚度足够大，不会失稳，则两个加劲环的中间光滑部分的临界外压力为：
(8-37)
(8-38)
式中 n——相应于最小临界压力的屈曲波数，用(8-37)估算；
L——为加劲环间距。
屈曲波数n应为整数，但求出的n不一定是整数，需对其取整。因此按上面的公式计算时，首先求出屈曲波数n，并取整，然后用n，n-1，n+1三个数分别带入上面的公式中，求出的最小值就是临界荷载。
用公式(8-37)和(8-38)计算临界压力非常繁琐，也可以用查图表的方法求临界压力，图表是根据上述公式绘制而成，见图8-29。
图8-28 有加劲环的钢管管壁屈曲波形示意图
图8-29 加劲环间管壁屈曲压力计算曲线
(二) 加劲环断面的临界外压力
加劲环两侧附近的管壁与加劲环一起变形，这一部分的长度为，加劲环有效断面如图8-30所示。
加劲环断面的外压稳定计算公式，可按照光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距L，其他参数用加劲环有效断面计算。
(8-39)
式中 J ——计算断面对自身中和轴的惯性矩；
Rk——加劲环有效断面中心半径；
最后，总结一下明钢管的设计步骤：(1) 首先根据锅炉公式并考虑锈蚀厚度初步拟定管壁厚度，但在应力和稳定计算中，不计锈蚀厚度；(2) 再由管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定可设置加劲环(也可用支承环代替)，并选定其间距；(3) 根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于钢管构件抗力限值的要求，确定加劲环的尺寸；(4) 进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。重复上面的步骤，直到满足要求。
第八节 分岔管
一、分岔管的功用、特点和要求
采用联合供水或分组供水时，即一根管道需要供应两台或更多机组用水时，需要设置分岔管，这种岔管位于厂房上游侧，其作用是分配水流。
有时，一条压力引水道需要分成二根以上的压力管道，也是分岔管，！ 以上内容是行业相关标准的节选，内容与标题没有直接的相关性，只是为了利于搜索引擎的收录，具体项目办理细节及流程欢迎您来电咨询，
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