武都水庫壩后背管設計

覃克非

（四川省水利水電勘測設計研究院，成都 610072）

武都水庫壩后背管設計

覃克非

（四川省水利水電勘測設計研究院，成都 610072）

介紹了武都水庫壩后背管的布置、結構計算、結構型式及配筋、防腐設計和安全監測設計。壩后背管因其對大壩混凝土施工干擾小，已廣泛采用。設計除滿足結構強度和抗外壓穩定外，還需滿足外包混凝土的限裂要求。在高地震區，應采取措施加強背管與壩體混凝土之間的連接。

壩后背管；鋼襯鋼筋聯合受力；背管結構型式

1 工程簡介

武都水庫壩址位于四川省江油市武都鎮北4km的涪江干流上，工程以防洪、灌溉為主，結合發電，兼顧城鄉工業生活及環境供水等綜合利用，是武都引水工程的水源。

武都水庫總庫容5.72億m2，設計控灌面積15.23萬hm2，為大（1）型Ⅰ等工程。樞紐區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別為1級，壩后式廠房為3級。大壩的地震設防類別為甲類，地震烈度8°，壩后廠房烈度7°設防。

武都水庫發電廠房為左岸壩后式，電站裝機3臺，容量3×50MW。整個發電系統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。

電站進水口設置在13#～15#壩段，每個壩段各設1個壩式進水口。主廠房布置在13#～15#壩段后，安裝間布置在主廠房左側，副廠房布置在安裝間下游，GIS樓、主變場等布置在13#～15#壩段后與主廠房之間的EL580.5m平臺上。

2 壓力鋼管布置

電站壓力鋼管共3條，單管單機，為壩后背管，按鋼襯鋼筋混凝土聯合受力設計。除15#壩段上的鋼管因總體布置需要略偏向左側外，13#、14#壩段上的壩后背管均布置在壩段中央。壓力鋼管進水口底高程612.50m，鋼管出口中心高程由廠房水輪機安裝高程568.956m。壓力鋼管設計內水壓力由1臺機組甩全負荷工況控制，管道末端最大內水壓力發生在最大水頭85.12.m條件下，3臺機甩全負荷3×51.54MW時，最大水頭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，彎轉后呈斜直段平行壩面敷設，下水平段通過湊合節與蝸殼相連接。單根管長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上圓下方形，混凝土強度C25鋼筋混凝土，厚度1.0m。

壩后背管橫剖面結構形式如圖1所示。

圖1 壩后背管橫剖面圖

3 結構分析計算

武都水庫管道直徑較大，設計進行了鋼襯鋼筋混凝土管道強度及抗外壓穩定計算、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 強度及抗外壓穩定計算

根據SL281—2003《水電站壓力鋼管設計規范》規定，鋼襯鋼筋混凝土管道設計應滿足下式要求：

式中K為總安全系數，取2.0；P、r為計算斷面處的設計內水壓力（MPa）和鋼管內半徑（mm）；σs，fyk為鋼板屈服強度和鋼筋抗拉強度標準值（MPa），工程分別采用16MnR和Ⅱ級鋼筋；t0、t3為鋼管管壁厚度和鋼筋折算厚度（mm）；φ為焊縫系數，取0.9。

根據各計算斷面的具體參數，在確定鋼襯厚度和鋼筋用量時，在不影響外包混凝土施工的前提下，盡可能多地采用鋼筋，這樣有利于增加強度安全性、降低工程造價和減小裂縫寬度；但同時也必須保證鋼襯厚度不小于管壁最小結構厚度，據此初步確定鋼襯厚度和鋼筋配置。

在進行抗外壓穩定計算時，取安全系數為1.8，計算時考慮管道檢修放空和施工時灌漿兩種工況，在同時滿足兩種工況的要求下，先按光面管計算臨界外壓。如不滿足要求，可分別計算加勁環間管壁及加勁環的臨界外壓。

3.2 線彈性有限元分析

（1）正常運行工況、特殊運行工況及地震組合工況下，鋼襯外圍混凝土的環向應力絕大部分大于C25混凝土的設計抗拉強度1.3MPa，大部分地方可能開裂；管道混凝土軸向應力除單獨地震工況外，其他情況下均為壓應力；斜直段下部斷面附近是管道最薄弱的地方，管道混凝土環向應力和軸向應力均在此達到最大值。

（2）管壩接縫面上的法向應力，在正常運行和特殊運行工況1時均為壓應力，有利于壩后背管和壩體的結合。特殊工況2時（正常水位發電+地震）管壩接縫面上出現了較大的法向拉應力及剪應力，管道混凝土的環向拉應力最大值也達1.85MPa，可見地震荷載的作用不容忽視，需要采取相應的工程措施，比如設鍵槽、插筋等。

3.3 非線性有限元計算分析

對按規范規定的強度計算所擬定的配筋方案（即配筋方案1）進行了非線性有限元分析，并進行了混凝土裂縫寬度的驗算。計算結果表明，在正常運行工況下，管道混凝土主要在管內水壓力的作用下，管頂及管道兩側混凝土均出現徑向開裂，管底外層混凝土也有局部開裂，裂縫寬度不滿足規范要求。因此需調整配筋方案，依據SL/T191—96《水工混凝土結構設計規范》規定的限裂要求，對管道混凝土環向配筋進行調整（以下稱配筋方案2），并采用有限元程序驗算。

按配筋方案2進行計算，其結果為：

（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，管道兩側混凝土基本上沒有出現裂縫。裂縫深度最大不超過1m，對壩體不會有太大的影響，也不必設墊層。對于上彎段，由于是按鋼襯鋼筋混凝土管道設計的，允許混凝土開裂，但限制了縫寬，設置墊層對鎮墩承擔彎管處離心力反而不利。

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

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

4 壩后背管結構及配筋

壩后背管為鋼襯鋼筋混凝土聯合受力管。

4.1 鋼管結構設計

壓力鋼管鋼材選用16MnR鋼，鋼管厚度根據各段應力確定，從14～28mm，具體如表1所示。

表1 鋼管壁厚及配筋單位：mm

壓力鋼管設有抗外壓穩定加勁環，并在上彎段及下彎段設有加勁板。加勁環和加勁板厚度均為20mm，加勁環截面尺寸150mm×20mm，上平段及上彎段加勁環間距為1m，斜直段及下平段加勁環間距為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°范圍內預留灌漿孔，進行鋼管與外包混凝土之間的接觸灌漿，灌漿壓力位0.2MPa，以保證縫面接合良好。

在壓力鋼管的首端設置了3道截面尺寸為150mm×20mm的阻水環，并在最后1道阻水環的最低部位設有2根準63鍍鋅排水鋼管，排水鋼管并排置于截水環（角鋼）的底部，下引至壩體EL601.5檢修排水廊道的排水溝內。

4.2 鋼襯混凝土管配筋設計

鋼襯鋼筋混凝土管外包混凝土內外層均配置了受力鋼筋，鋼管外包混凝土內層鋼筋為圓環形，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計如表1所示。

4.3 管壩接縫面設計

管道外包混凝土與壩體接縫面采用預留鍵槽連接，槽深1.0m，寬6.6m，縫面要求充分鑿毛，縫面設置臺階，臺階按高度40cm控制。在臺階上預埋縫面插筋，插筋間距為50cm，上彎段插筋為準28鋼筋，其余部位插筋為準25鋼筋。

5 鋼管防腐設計

鋼管內外壁均采取防腐處理：①對內外壁在涂裝前進行表面預處理（包括脫脂凈化、噴射處理），處理后的金屬表面清潔度等級不低于GB8923—88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》的規定，即鋼管內壁（包括墊層管外壁）為Sa2 1/2級，鋼管外壁為Sa2級，表面粗糙度控制在Ry40～70μm范圍。②在外壁涂裝時選用無機改性（酸性）水泥漿，干膜厚度為300～500μm；在內壁涂裝時選用耐水性和耐磨性良好的重防水涂料，底層為無機磷酸鹽富鋅底漆，干膜厚度80μm；中間層為超厚漿型環氧瀝青防銹底漆，干膜厚度125μm；面層為超厚漿型環氧瀝青防銹面漆，干膜厚度250μm。

6 壓力鋼管監測

安全監測選擇位于15#壩段的壓力鋼管作為代表，監測斷面選擇為：臨近廠房處內水壓力最大的橫斷面、應力復雜的上彎段橫斷面、壩后背管中部橫斷面以及管道混凝土應力最大處的斜直段下部橫斷面，共4個。

6.1 外包混凝土的應力、應變監測

在斜直段下部橫斷面及壩后背管中部橫斷面上，測點選在鋼管頂部的外包混凝土中間部位，各布置了1組單向小應變計和小無應力計，用以監測外包混凝土的應變、應力。

6.2 鋼筋的應力、應變監測

在除斜直段下部橫斷面外的3個監測斷面上，測點選在內外兩層鋼筋的頂部、右側腰部、底部，在測點處沿環向受力鋼筋軸線方向分別布置1支鋼筋計，用以監測鋼筋的應變、應力。

6.3 鋼管的應力、應變監測

在4個監測斷面上，測點選在鋼管的頂部、底部及右側腰部，在測點處沿鋼管環向、軸線分別布置1支鋼板計，用以監測鋼管的環向和軸向應變、應力。

6.4 鋼管與外包混凝土之間的縫隙監測

在除斜直段下部橫斷面外的3個監測斷面上，測點選在鋼管的頂部、右側腰部，在鋼管外壁與外包混凝土接觸面上設置縫隙計，用以監測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測

在除斜直段下部橫斷面外的3個監測斷面上，測點選在管壩接觸面臺階上，于管壩接觸面中部布置單向測縫計，用以監測背管外包混凝土與壩體混凝土接觸情況。

7 結語

（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。設計采用壩后背管式壓力鋼管布置，最大限度地減少了對混凝土施工的干擾，背管可在壩體混凝土施工完成后進行，加快了施工進度。

（2）壩后背管結構計算除按現行規范進行鋼襯鋼筋混凝土管道強度及抗外壓穩定計算外，還采用了線彈性有限元和非線彈性有限元計算分析。采取有效措施加強了背管混凝土與壩體混凝土接觸面的連接，并優化了配筋以滿足外包混凝土的限裂要求。

（3）武都水庫壩后背管采用鋼襯和鋼筋聯合受力，在不影響外包混凝土施工的前提下，適當地多采用鋼筋，有利于增加結構安全性、降低工程造價和減小裂縫寬度。

（4）工程于2011年10月下閘蓄水后，同年11月低水位發電，期間水位最高至發電死水位624m。壩后背管一直運行正常，各安全監測儀器測值在正常范圍內。

（5）按照工程專題研究成果及已建工程的經驗，背管段外包混凝土在正常運行時存在徑向開裂的可能。因此，后期工程運行期間，應加強壓力鋼管外包混凝土的監測，發現混凝土裂縫后要及時采取有效措施，對裂縫進行填充、封閉處理，防止內部鋼筋銹蝕。

［1］SL281—2003，水電站壓力鋼管設計規范［S］.

［2］SL203—97，水工建筑物抗震設計規范［S］.

［3］SL/T 191—96，水工混凝土結構設計規范［S］.

［4］DL5077—1997，水工建筑物荷載設計規范［S］.

［5］SL319—2005，混凝土重力壩設計規范［S］.

［6］武漢大學水利水電學院.四川省武都水庫壩后背管結構與廠壩結合型式研究［R］.2006.

Engineering of Wudu Reservoir Penstock on Downstream Dam Surface

QIN Ke-fei
（Sichuan Hydroelectric Investigation，Design and Research Institute，Chengdu 610072，China）

In this paper，penstock on downstream dam surface arrangements，structural calculation and reinforcement，an

ti-corrosion and safety monitoring design for Wudu reservoir is presented.Penstock on downstream dam surface has little interference on construction and has been widely used.Design shall not only meet the structural strength and resistance to external pressure stability，but also require to meet the of external concrete crack limiting.In the high earthquake intensity area，proper measures shall be taken to strengthen the connection between penstock and concrete structure.

penstock on downstream dam surface；combined stress of steel lining and reinforcement；penstock structure

TV222

A

1672-9900（2013）01-0040-04

2012-10-29

覃克非（1967-），男（漢族），四川成都人，高級工程師，主要從事水利水電勘測設計工作，（Tel）028-64797723。