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二、坝内埋管
坝内埋管的特点是管道穿过混凝土坝体,全部埋在坝体内。
(一) 坝内埋管的布置
坝内埋管在坝体内的布置原则是:尽量缩短管道的长度;减少管道空腔对坝体应力的不利影响,特别要减少因管道引起的坝体内拉应力区的范围和拉应力值;还应减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道本身的安装和施工。
在立面上,坝内埋管有三种典型的布置形式:
(1) 倾斜式布置:管轴线与下游坝面近于平行并尽量靠近下游坝面,如图8-42所示。其优点是进水口位置较高,承受水压小,有利于进水口的各种设施布置;管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行,可以减轻管道周围坝体的应力恶化;与坝体施工干扰较少。缺点是管道较长,弯段多。此外,管道与下游坝面间的混凝土厚度较小。
(2) 平式和平斜式布置:管道布置在坝体下部,如图8-43所示。优缺点与倾斜式布置相反。对于拱坝,坝体厚度不大,而管径却较大时,
常采用这种布置方式。
图8-42 倾斜式布置
图8-43 平斜式布置
(3) 竖直式布置:管道的大部分竖直布置,如图8-44。这种布置通常适用于坝内厂房,或者为了避免钢管安装对坝体施工的干扰,在坝体内预留竖井,后期在井内安装钢管。缺点是管道曲率大,水头损失大,管道空腔对坝体应力不利。
在平面上,坝内埋管最好布置在坝段中央,管径不宜大于坝段宽度的三分之一。这样,管外两侧混凝土较厚,且受力对称。通常在这种情况下,厂坝之间有纵缝,厂房机组段间横缝与坝段间的横缝相互错开,如图8-45(b)。坝与厂房之间不设纵缝而厂坝连成整体时,由于二者横缝也必须在一条直线上,管道在平面上不得不转向一侧布置,这时钢管两侧外包混凝土厚度不同,如图8-45(a)。
坝内埋管(以及其它型式的坝体管道)采用坝式进水口,其布置和设施必须满足进水口的所有要求。进水口的拦污栅一般布置在坝体悬臂上以增加过水面积,检修闸门及工作闸门槽通常布置在坝体内,紧接门槽后是由矩形变为圆形的渐变段,然后接管道的上水平段或上弯段;有时渐变段可与上弯段合并,渐变段直接联接斜直段。
进水口位于坝体内,过水断面较大,宜做成窄高型,渐变段要尽量短,以便较快过渡到圆形断面,这样有利于闸门结构及坝体应力。
应注意保证通气孔的必要面积和出口高程及合理位置,以免进气时产生巨大吸入气流,影响通气孔出口附近设备及运行人员安全。应使进口处所设充水阀和旁通管面积不过大,以免充水时从通气孔向外溢水和喷水,影响厂坝之间电气设备的正常运行。
图8-44 竖直式布置
(a) (b)
图8-45 管道在坝内的平面布置
(二) 坝内埋管的结构计算
坝内埋管的结构计算可以用有限元方法或近似解析法,下面主要介绍近似解析法。从与管道轴线方向垂直的平面内截取单位厚度,并假定其属于轴对称平面应变问题,其计算简图如图8-46。根据钢管、钢筋和混凝土的变形协调关系,推导出计算公式。其计算步骤如下:
(1) 判断混凝土开裂情况。在内水压力作用下,钢管外围混凝土可能有未开裂、开裂但未裂穿和裂穿三种情况。首先,假定钢管的壁厚δ和外围钢筋的数量(将钢筋折算成连续的壁厚δ3),根据图9-47判别混凝土的开裂情况。
若混凝土未裂穿,可由下式进一步推求混凝土的相对开裂深度
= (8-58)
式中
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