覃克非

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

武都水庫壩后背管設(shè)計(jì)

覃克非

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

壩后背管對(duì)大壩混凝土施工干擾小，設(shè)計(jì)除滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗外壓穩(wěn)定外，還需滿足外包混凝土的限裂要求。本文介紹武都水庫壩后背管的布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)型式及配筋、防腐設(shè)計(jì)和安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

壩后背管 鋼襯鋼筋聯(lián)合受力 背管結(jié)構(gòu)型式 武都水庫

1 工程簡(jiǎn)介

武都水庫壩址位于四川省江油市武都鎮(zhèn)北約4km的涪江干流上，工程任務(wù)以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)生活及環(huán)境供水等綜合利用，是武都引水工程的水源工程。武都水庫總庫容為5.72億m3，設(shè)計(jì)控灌面積15.234萬hm2，按其灌溉規(guī)模確定為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐區(qū)主要建筑物有碾壓混凝土重力壩及壩后式廠房，最大壩高120.34m，水庫攔河壩及壩身泄水建筑物級(jí)別為1級(jí)，壩后式廠房為3級(jí)。大壩的地震設(shè)防類別為甲類，大壩的地震設(shè)計(jì)烈度為8度，壩后廠房按基本烈度7度設(shè)防。

武都水庫發(fā)電廠房為左岸壩后式，電站裝機(jī)3臺(tái)，容量為3×50MW。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)土建工程由壩后背管式壓力鋼管、主副廠房、尾水渠、GIS樓等組成。

電站進(jìn)水口設(shè)置在13#～15#壩段，每個(gè)壩段各設(shè)1個(gè)壩式進(jìn)水口。主廠房布置在13#～15#壩段后，安裝間布置在主廠房左側(cè)，副廠房布置在安裝間下游，GIS樓、主變場(chǎng)等布置在13#～15#壩段后與主廠房之間的580.5m高程平臺(tái)上。

2 壓力鋼管布置

電站壓力鋼管共3條，單管單機(jī)，為壩后背管，按鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力設(shè)計(jì)。除15#壩段上的鋼管因總體布置需要略偏向左側(cè)外，13#、14#壩段上的壩后背管均布置在壩段中央。壓力鋼管進(jìn)水口底高程為612.50m，鋼管出口中心高程由廠房水輪機(jī)安裝高程確定，為568.956m。壓力鋼管設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力由一臺(tái)機(jī)組甩全負(fù)荷工況控制，管道末端最大內(nèi)水壓力發(fā)生在最大水頭85.12m條件下，3臺(tái)機(jī)甩全負(fù)荷3×51.54MW時(shí)，最大水頭為111.9m。壓力鋼管前端以水平段連接于電站事故閘門井方變圓漸變段后，彎轉(zhuǎn)后呈斜直段平行壩面敷設(shè)，下水平段通過湊合節(jié)與蝸殼相連接。單根管長(zhǎng)98.47m，鋼管直徑4.6m。鋼管鋼材選用16MnR鋼，鋼管外包混凝土橫截面為上圓下方形，為C25鋼筋混凝土，厚度為1.0m。

壩后背管橫剖面結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。

圖1 壩后背管橫剖面示意

3 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

武都水庫管道直徑較大，設(shè)計(jì)進(jìn)行了鋼襯鋼筋混凝土管道強(qiáng)度及抗外壓穩(wěn)定計(jì)算、鋼襯鋼筋混凝土管道線彈性有限元分析、鋼襯鋼筋混凝土管道非線性有限元分析。

3.1 強(qiáng)度及抗外壓穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL281-2003)進(jìn)行了鋼襯鋼筋混凝土管道強(qiáng)度及抗外壓穩(wěn)定計(jì)算，初步提出了鋼管厚度、配筋，以及抗外壓穩(wěn)定需要設(shè)置加勁環(huán)的設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL281-2003)的規(guī)定，鋼襯鋼筋混凝土管道設(shè)計(jì)應(yīng)滿足式(1)要求：

K·P·γ≤t3fyk+t0·φσs

(1)

式中：K——總安全系數(shù)，本計(jì)算取2.0；

P，r——計(jì)算斷面處的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力(MPa)和鋼管內(nèi)半徑(mm)；

σs，fyk——鋼板屈服強(qiáng)度和鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)，本工程分別采用16MnR和Ⅱ級(jí)鋼筋；

t0，t3——鋼管管壁厚度(mm)和鋼筋折算厚度(mm)；

φ——焊縫系數(shù)，本計(jì)算取0.9。

根據(jù)各計(jì)算斷面的具體參數(shù)，按式(1)就可以求得相應(yīng)的鋼襯厚度和鋼筋配置。在確定鋼襯厚度和鋼筋用量時(shí)，主要遵循這樣一個(gè)原則：即在不影響外包混凝土施工的前提下，盡可能多地采用鋼筋，這樣有利于增加強(qiáng)度安全性、降低工程造價(jià)和減小裂縫寬度，但同時(shí)也必須保證鋼襯厚度不小于管壁最小結(jié)構(gòu)厚度。據(jù)此初步確定鋼襯厚度和鋼筋配置，即配筋方案1。

在進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，取安全系數(shù)為1.8，計(jì)算時(shí)考慮管道檢修放空和施工時(shí)灌漿兩種工況，必須同時(shí)滿足兩種工況的要求，先按光面管計(jì)算臨界外壓，如果不滿足要求，再分別計(jì)算加勁環(huán)間管壁及加勁環(huán)的臨界外壓。

3.2 線彈性有限元分析結(jié)果

3.2.1 正常運(yùn)行工況、特殊運(yùn)行工況及地震組合工況下，鋼襯外圍混凝土的環(huán)向應(yīng)力絕大部分大于C25混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.3MPa，大部分地方可能開裂；管道混凝土軸向應(yīng)力除單獨(dú)地震工況外，其他情況下均為壓應(yīng)力；斜直段下部斷面附近是管道最薄弱處，管道混凝土環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均在此達(dá)到最大值。

3.2.2 管壩接縫面上的法向應(yīng)力，在正常運(yùn)行和特殊運(yùn)行工況1時(shí)均為壓應(yīng)力，有利于壩后背管和壩體的結(jié)合。特殊工況2時(shí)(正常水位發(fā)電+地震)，管壩接縫面上出現(xiàn)了較大的法向拉應(yīng)力及剪應(yīng)力，管道混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力最大值也達(dá)到1.85MPa?？梢姷卣鸷奢d的作用不容忽視，需要采取相應(yīng)的工程措施，比如設(shè)鍵槽、插筋等。

3.3 非線性有限元計(jì)算分析結(jié)果

對(duì)按規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度計(jì)算所擬定的配筋方案(即配筋方案1)，進(jìn)行了非線性有限元分析，并進(jìn)行了混凝土裂縫寬度的驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，在正常運(yùn)行工況下，管道混凝土主要在管內(nèi)水壓力的作用下，管頂及管道兩側(cè)混凝土均出現(xiàn)徑向開裂，管底外層混凝土也有局部開裂，裂縫寬度不滿足規(guī)范要求。因此需調(diào)整配筋方案，依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T191-96)規(guī)定的限裂要求，對(duì)管道混凝土環(huán)向配筋進(jìn)行調(diào)整(以下稱配筋方案2)，并采用有限元程序驗(yàn)算。

按配筋方案2進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果為：

3.3.1 背管段管道混凝土絕大部分徑向開裂，但在上彎管上游的埋管段和主變平臺(tái)以下的埋管段，由于外圍混凝土較厚，除了頂、底局部開裂外，管道兩側(cè)混凝土基本上沒有出現(xiàn)裂縫。裂縫深度最大不超過1m，對(duì)壩體不會(huì)有太大的影響，也不必設(shè)墊層。對(duì)于上彎段，由于是按鋼襯鋼筋混凝土管道設(shè)計(jì)，允許混凝土開裂，但限制了縫寬，設(shè)了墊層對(duì)鎮(zhèn)墩承擔(dān)彎管處離心力反而不利。

3.3.2 管道混凝土發(fā)生徑向開裂后，內(nèi)水壓力主要由鋼襯和鋼筋共同承擔(dān)，所以鋼襯和鋼筋的應(yīng)力值相對(duì)線彈性的計(jì)算結(jié)果明顯增高。配筋方案2在局部增大了配筋率，鋼筋及鋼襯的應(yīng)力值較方案1有所降低。無論采用哪一種配筋方案，所得的鋼襯和鋼筋應(yīng)力值均小于相應(yīng)鋼材的允許應(yīng)力。

3.3.3 配筋方案2通過增加方案1中裂縫超標(biāo)部位的鋼筋配置，使得管道混凝土的最大裂縫寬度降低到0.29mm，已經(jīng)可以滿足結(jié)構(gòu)使用要求。因此配筋方案2為推薦方案。

4 壩后背管結(jié)構(gòu)及配筋

壩后背管為鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力管。

4.1 鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力鋼管鋼材選用16MnR鋼，鋼管厚度根據(jù)各段應(yīng)力確定，從14mm～28mm，具體見表1所示。

表1 鋼管壁厚及配筋

壓力鋼管設(shè)有抗外壓穩(wěn)定加勁環(huán)，并在上彎段及下彎段設(shè)有加勁板。加勁環(huán)和加勁板厚度均為20mm，加勁環(huán)截面尺寸為150mm×20mm，上平段及上彎段加勁環(huán)間距為1m，斜直段及下平段加勁環(huán)間距為2m。

上平段、上彎段、下彎段及下平段除墊層管段外，在鋼襯底部120°范圍內(nèi)預(yù)留灌漿孔，進(jìn)行鋼管與外包混凝土之間的接觸灌漿，灌漿壓力為0.2MPa，以保證縫面接合良好。

在壓力鋼管的首端，設(shè)置了三道截面尺寸為150mm×20mm的阻水環(huán)，并在最后一道阻水環(huán)的最低部位設(shè)有2根φ63mm鍍鋅排水鋼管，排水鋼管并排置于截水環(huán)(角鋼)的底部，下引至壩體高程601.5m檢修排水廊道的排水溝內(nèi)。

4.2 鋼襯混凝土管配筋設(shè)計(jì)

鋼襯鋼筋混凝土管外包混凝土內(nèi)外層均配置了受力鋼筋，鋼管外包混凝土內(nèi)層鋼筋為圓環(huán)形，外層鋼筋為上圓下方形。鋼襯鋼筋混凝土管各段管壁厚度及配筋設(shè)計(jì)見表1所示。

4.3 管壩接縫面設(shè)計(jì)

管道外包混凝土與壩體接縫面采用預(yù)留鍵槽連接，槽深1.0m，寬6.6m，縫面要求充分鑿毛，縫面設(shè)置臺(tái)階，臺(tái)階按高度40cm控制。在臺(tái)階上預(yù)埋縫面插筋，插筋間距為50cm，上彎段插筋為φ28mm鋼筋，其余部位插筋為φ25mm鋼筋。

5 鋼管防腐設(shè)計(jì)

鋼管內(nèi)外壁均采取防腐處理。首先對(duì)內(nèi)外壁在涂裝前進(jìn)行表面預(yù)處理(包括脫脂凈化、噴射處理)，處理后的金屬表面清潔度等級(jí)不低于GB8923《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》的規(guī)定。即鋼管內(nèi)壁(包括墊層管外壁)為Sa21/2級(jí)，鋼管外壁為Sa2級(jí)，表面粗糙度控制在Ry40μm～70μm范圍。然后在外壁涂裝時(shí)選用無機(jī)改性(酸性)水泥漿，干膜厚度為300μm～500μm；在內(nèi)壁涂裝時(shí)選用耐水性和耐磨性良好的重防水涂料，底層為無機(jī)磷酸鹽富鋅底漆，干膜厚度80μum；中間層為超厚漿型環(huán)氧瀝青防銹底漆，干膜厚度125μm；面層為超厚漿型環(huán)氧瀝青防銹面漆，干膜厚度250μm。

6 壓力鋼管監(jiān)測(cè)

安全監(jiān)測(cè)選擇位于15#壩段的壓力鋼管作為代表，監(jiān)測(cè)斷面選擇為：臨近廠房處內(nèi)水壓力最大的橫斷面，應(yīng)力復(fù)雜的上彎段橫斷面，壩后背管中部橫斷面，以及管道混凝土應(yīng)力最大處的斜直段下部橫斷面，共4個(gè)。

6.1 外包混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在斜直段下部橫斷面及壩后背管中部橫斷面上，測(cè)點(diǎn)選在鋼管頂部的外包混凝土中間部位，各布置了1組單向小應(yīng)變計(jì)和小無應(yīng)力計(jì)，用以監(jiān)測(cè)外包混凝土的應(yīng)變、應(yīng)力。

6.2 鋼筋的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在除斜直段下部橫斷面外的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上，測(cè)點(diǎn)選在內(nèi)外兩層鋼筋的頂部、右側(cè)腰部、底部，在測(cè)點(diǎn)處沿環(huán)向受力鋼筋軸線方向分別布置1支鋼筋計(jì)，用以監(jiān)測(cè)鋼筋的應(yīng)變、應(yīng)力。

6.3 鋼管的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上，測(cè)點(diǎn)選在鋼管的頂部、底部及右側(cè)腰部，在測(cè)點(diǎn)處沿鋼管環(huán)向、軸線分別布置1支鋼板計(jì)，用以監(jiān)測(cè)鋼管的環(huán)向和軸向應(yīng)變、應(yīng)力。

6.4 鋼管與外包混凝土之間的縫隙監(jiān)測(cè)。在除斜直段下部橫斷面外的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上，測(cè)點(diǎn)選在鋼管的頂部、右側(cè)腰部，在鋼管外壁與外包混凝土接觸面上設(shè)置縫隙計(jì)，用以監(jiān)測(cè)鋼管與外包混凝土之間的縫隙。

6.5 背管外包混凝土與壩體混凝土接縫面監(jiān)測(cè)。在除斜直段下部橫斷面外的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上，測(cè)點(diǎn)選在管壩接觸面臺(tái)階上，于管壩接觸面中部布置單向測(cè)縫計(jì)，用以監(jiān)測(cè)背管外包混凝土與壩體混凝土接觸情況。

7 總結(jié)

7.1 武都水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩體混凝土薄層鋪填碾壓，上升速度快。設(shè)計(jì)采用壩后背管式壓力鋼管布置，最大限度地減少了對(duì)混凝土施工的干擾，背管可以在壩體混凝土施工完成后進(jìn)行，加快了施工進(jìn)度。

7.2 壩后背管結(jié)構(gòu)計(jì)算，除按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行鋼襯鋼筋混凝土管道強(qiáng)度及抗外壓穩(wěn)定計(jì)算外，還采用了線彈性有限元和非線彈性有限元計(jì)算分析。采取有效措施加強(qiáng)了背管混凝土與壩體混凝土接觸面的連接，并優(yōu)化了配筋以滿足外包混凝土的限裂要求。

7.3 武都水庫壩后背管采用鋼襯和鋼筋聯(lián)合受力，在不影響外包混凝土施工的前提下，適當(dāng)?shù)囟嗖捎娩摻?，有利于增加結(jié)構(gòu)安全性，降低工程造價(jià)和減小裂縫寬度。

7.4 截止2012年8月，武都水庫尚未完建。工程于2011年10月下閘蓄水后，同年11月低水位發(fā)電，期間水位最高至發(fā)電死水位624m。壩后背管一直運(yùn)行正常，各安全監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值也在正常范圍內(nèi)。

7.5 按照本工程的專題研究成果及已建工程的經(jīng)驗(yàn)，背管段外包混凝土在正常運(yùn)行時(shí)存在徑向開裂的可能。因此，后期工程運(yùn)行期間，應(yīng)加強(qiáng)壓力鋼管外包混凝土的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂縫后要及時(shí)采取有效措施進(jìn)行填充、封閉處理，防止內(nèi)部鋼筋銹蝕。

〔1〕中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(SL281-2003).

〔2〕中華人民共和國電力工業(yè)部.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(SL203-97).

〔3〕中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(SL/T191-96).

〔4〕中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范(DL5077-1997).

〔5〕中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL319-2005).

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2095-1809(2016)01-0027-04

覃克非(1967-)，男，漢族，成都人，高級(jí)工程師，從事水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。