1.2 压力钢管的抗外压承载力问题

1.2.1 压力钢管常见的几种外压

对于埋藏式压力钢管，钢衬所受的外压力主要有^［47］：

（1）地下水压力。在电站运行期间，当钢管放空时，管壁受到大于设计外压力的外水压力作用，加上钢管外围混凝土浇筑质量不好、钢管椭圆度较大等因素，也往往造成压力钢管失稳破坏，而且失稳的范围一般比灌浆压力引起的范围大得多，后果也更为严重。钢衬所受的地下水压力值，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。如果地下水位过高，则应考虑降低地下水位措施（如设排水廊道等），按降低后的地下水位作为钢衬的外水压力。对所设排水措施，如有可能堵塞，则应根据堵塞和通气孔失灵程度，决定校核外水压力值。

（2）混凝土与钢衬之间的接触灌浆压力。为了保证钢衬与混凝土垫层接合紧密并减少缝隙，在钢衬装好且回填混凝土垫层后，要进行接触灌浆。在灌浆时，因灌浆压力直接作用在钢衬外部，如果不按规程进行灌浆，或对压力控制不当，很容易造成钢管失稳破坏。因此，灌浆时应采取在管内加临时支撑或控制压力的办法防止失稳。否则，需要按照钢衬稳定条件控制灌浆压力。灌浆压力一般为0.35～0.50MPa，对此压力分布规律近似为均布，作为钢衬校核稳定的外荷载。

（3）浇筑混凝土垫层时的临时外荷载。钢衬安装好后，浇筑混凝土垫层时，流态混凝土对钢衬产生外压力，如果钢衬内部不加支撑，则必须根据钢衬稳定条件，决定一次浇筑的高度。

（4）机组关闭时所产生的外压。当水电站机组关闭时，对压力钢管会产生负压，该外压最大值相当于1个标准大气压（atm）^[1]。

1.2.2 压力钢管抗外压稳定问题

水电站压力钢管是一种壳体结构，其稳定性问题非常突出。当压力钢管在机组负荷变化过程中产生负水锤使管道内产生负压，或者在钢管放空时由于通气孔失灵而产生真空，或者在施工过程中混凝土与钢衬之间产生接触灌浆压力等情况时，压力钢管就容易发生受压屈曲破坏，从而产生外压失稳问题。

在工程实际中，国内外水电站压力钢管发生破坏事故，多为外压作用下的失稳屈曲问题。如我国湖南镇水电站压力钢管发生的灌浆失稳；黄龙滩水电站引水钢管发生的局部失稳。云南绿水河水电站，在1970年10月灌浆时1号斜井钢管发生屈曲，波及范围达181m；1971年8月在第二次充水实验后3号平洞发生钢衬失稳，破坏长度达101m。1974年3月，广东省泉水水电站钢管发生大面积破坏，破坏长度达204m，最大鼓包高达45cm，在整个破坏段中有3个断口。还有我国的云南响水电站、以礼河三级电站等都发生过压力钢管失稳破坏（表1.1）。在国外，世界上最大的抽水蓄能电站——美国的Bath County水电站于1985年投入运行，该电站三个压力隧洞分岔为6条钢管，水头395m，其中一条隧洞第一次充水就出现渗漏，渗透水压压曲折裂了相邻的一条钢管。加拿大的Kemamo、巴西的Nilo-Pecanha等水电站的压力钢管也发生过外压失稳屈曲破坏事故（表1.2）。钢管一旦发生失稳破坏，不仅额外增加了修复所需的费用，而且使水电站停止运行，在经济上造成严重损失。因此，压力钢管的外压稳定性问题应该引起我们的高度重视，开展压力钢管的抗外压失稳屈曲破坏机理分析，为压力钢管的稳定计算及设计提供一套行之有效的方法，有着重要的理论价值和工程实际意义。

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[1] 标准大气压为废除的计量单位，1个标准大气压，即1atm=101325Pa。