武都水库坝后背管设计

覃克非

（四川省水利水电勘测设计研究院，成都 610072）

武都水库坝后背管设计

覃克非

（四川省水利水电勘测设计研究院，成都 610072）

介绍了武都水库坝后背管的布置、结构计算、结构型式及配筋、防腐设计和安全监测设计。坝后背管因其对大坝混凝土施工干扰小，已广泛采用。设计除满足结构强度和抗外压稳定外，还需满足外包混凝土的限裂要求。在高地震区，应采取措施加强背管与坝体混凝土之间的连接。

坝后背管；钢衬钢筋联合受力；背管结构型式

1 工程简介

武都水库坝址位于四川省江油市武都镇北4km的涪江干流上，工程以防洪、灌溉为主，结合发电，兼顾城乡工业生活及环境供水等综合利用，是武都引水工程的水源。

武都水库总库容5.72亿m2，设计控灌面积15.23万hm2，为大（1）型Ⅰ等工程。枢纽区主要建筑物有碾压混凝土重力坝及坝后式厂房，最大坝高120.34m，水库拦河坝及坝身泄水建筑物级别为1级，坝后式厂房为3级。大坝的地震设防类别为甲类，地震烈度8°，坝后厂房烈度7°设防。

武都水库发电厂房为左岸坝后式，电站装机3台，容量3×50MW。整个发电系统土建工程由坝后背管式压力钢管、主副厂房、尾水渠、GIS楼等组成。

电站进水口设置在13#～15#坝段，每个坝段各设1个坝式进水口。主厂房布置在13#～15#坝段后，安装间布置在主厂房左侧，副厂房布置在安装间下游，GIS楼、主变场等布置在13#～15#坝段后与主厂房之间的EL580.5m平台上。

2 压力钢管布置

电站压力钢管共3条，单管单机，为坝后背管，按钢衬钢筋混凝土联合受力设计。除15#坝段上的钢管因总体布置需要略偏向左侧外，13#、14#坝段上的坝后背管均布置在坝段中央。压力钢管进水口底高程612.50m，钢管出口中心高程由厂房水轮机安装高程568.956m。压力钢管设计内水压力由1台机组甩全负荷工况控制，管道末端最大内水压力发生在最大水头85.12.m条件下，3台机甩全负荷3×51.54MW时，最大水头111.9m。压力钢管前端以水平段连接于电站事故闸门井方变圆渐变段后，弯转后呈斜直段平行坝面敷设，下水平段通过凑合节与蜗壳相连接。单根管长98.47m，钢管直径4.6m。钢管钢材选用16MnR钢，钢管外包混凝土横截面上圆下方形，混凝土强度C25钢筋混凝土，厚度1.0m。

坝后背管横剖面结构形式如图1所示。

图1 坝后背管横剖面图

3 结构分析计算

武都水库管道直径较大，设计进行了钢衬钢筋混凝土管道强度及抗外压稳定计算、钢衬钢筋混凝土管道线弹性有限元分析、钢衬钢筋混凝土管道非线性有限元分析。

3.1 强度及抗外压稳定计算

根据SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》规定，钢衬钢筋混凝土管道设计应满足下式要求：

式中K为总安全系数，取2.0；P、r为计算断面处的设计内水压力（MPa）和钢管内半径（mm）；σs，fyk为钢板屈服强度和钢筋抗拉强度标准值（MPa），工程分别采用16MnR和Ⅱ级钢筋；t0、t3为钢管管壁厚度和钢筋折算厚度（mm）；φ为焊缝系数，取0.9。

根据各计算断面的具体参数，在确定钢衬厚度和钢筋用量时，在不影响外包混凝土施工的前提下，尽可能多地采用钢筋，这样有利于增加强度安全性、降低工程造价和减小裂缝宽度；但同时也必须保证钢衬厚度不小于管壁最小结构厚度，据此初步确定钢衬厚度和钢筋配置。

在进行抗外压稳定计算时，取安全系数为1.8，计算时考虑管道检修放空和施工时灌浆两种工况，在同时满足两种工况的要求下，先按光面管计算临界外压。如不满足要求，可分别计算加劲环间管壁及加劲环的临界外压。

3.2 线弹性有限元分析

（1）正常运行工况、特殊运行工况及地震组合工况下，钢衬外围混凝土的环向应力绝大部分大于C25混凝土的设计抗拉强度1.3MPa，大部分地方可能开裂；管道混凝土轴向应力除单独地震工况外，其他情况下均为压应力；斜直段下部断面附近是管道最薄弱的地方，管道混凝土环向应力和轴向应力均在此达到最大值。

（2）管坝接缝面上的法向应力，在正常运行和特殊运行工况1时均为压应力，有利于坝后背管和坝体的结合。特殊工况2时（正常水位发电+地震）管坝接缝面上出现了较大的法向拉应力及剪应力，管道混凝土的环向拉应力最大值也达1.85MPa，可见地震荷载的作用不容忽视，需要采取相应的工程措施，比如设键槽、插筋等。

3.3 非线性有限元计算分析

对按规范规定的强度计算所拟定的配筋方案（即配筋方案1）进行了非线性有限元分析，并进行了混凝土裂缝宽度的验算。计算结果表明，在正常运行工况下，管道混凝土主要在管内水压力的作用下，管顶及管道两侧混凝土均出现径向开裂，管底外层混凝土也有局部开裂，裂缝宽度不满足规范要求。因此需调整配筋方案，依据SL/T191—96《水工混凝土结构设计规范》规定的限裂要求，对管道混凝土环向配筋进行调整（以下称配筋方案2），并采用有限元程序验算。

按配筋方案2进行计算，其结果为：

（1）背管段管道混凝土绝大部分径向开裂，但在上弯管上游的埋管段和主变平台以下的埋管段，由于外围混凝土较厚，除了顶、底局部开裂外，管道两侧混凝土基本上没有出现裂缝。裂缝深度最大不超过1m，对坝体不会有太大的影响，也不必设垫层。对于上弯段，由于是按钢衬钢筋混凝土管道设计的，允许混凝土开裂，但限制了缝宽，设置垫层对镇墩承担弯管处离心力反而不利。

（2）管道混凝土发生径向开裂后，内水压力主要由钢衬和钢筋共同承担，所以钢衬和钢筋的应力值相对线弹性的计算结果明显增高。配筋方案2在局部增大了配筋率，钢筋及钢衬的应力值较方案1有所降低。无论采用哪种配筋方案，所得的钢衬和钢筋应力值均小于相应钢材的允许应力。

（3）配筋方案2通过增加方案1中裂缝超标部位的钢筋配置，使得管道混凝土的最大裂缝宽度降低到0.29mm，已经可以满足结构使用要求。因此配筋方案2为推荐方案。

4 坝后背管结构及配筋

坝后背管为钢衬钢筋混凝土联合受力管。

4.1 钢管结构设计

压力钢管钢材选用16MnR钢，钢管厚度根据各段应力确定，从14～28mm，具体如表1所示。

表1 钢管壁厚及配筋单位：mm

压力钢管设有抗外压稳定加劲环，并在上弯段及下弯段设有加劲板。加劲环和加劲板厚度均为20mm，加劲环截面尺寸150mm×20mm，上平段及上弯段加劲环间距为1m，斜直段及下平段加劲环间距为2m。

上平段、上弯段、下弯段及下平段除垫层管段外，在钢衬底部120°范围内预留灌浆孔，进行钢管与外包混凝土之间的接触灌浆，灌浆压力位0.2MPa，以保证缝面接合良好。

在压力钢管的首端设置了3道截面尺寸为150mm×20mm的阻水环，并在最后1道阻水环的最低部位设有2根准63镀锌排水钢管，排水钢管并排置于截水环（角钢）的底部，下引至坝体EL601.5检修排水廊道的排水沟内。

4.2 钢衬混凝土管配筋设计

钢衬钢筋混凝土管外包混凝土内外层均配置了受力钢筋，钢管外包混凝土内层钢筋为圆环形，外层钢筋为上圆下方形。钢衬钢筋混凝土管各段管壁厚度及配筋设计如表1所示。

4.3 管坝接缝面设计

管道外包混凝土与坝体接缝面采用预留键槽连接，槽深1.0m，宽6.6m，缝面要求充分凿毛，缝面设置台阶，台阶按高度40cm控制。在台阶上预埋缝面插筋，插筋间距为50cm，上弯段插筋为准28钢筋，其余部位插筋为准25钢筋。

5 钢管防腐设计

钢管内外壁均采取防腐处理：①对内外壁在涂装前进行表面预处理（包括脱脂净化、喷射处理），处理后的金属表面清洁度等级不低于GB8923—88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》的规定，即钢管内壁（包括垫层管外壁）为Sa2 1/2级，钢管外壁为Sa2级，表面粗糙度控制在Ry40～70μm范围。②在外壁涂装时选用无机改性（酸性）水泥浆，干膜厚度为300～500μm；在内壁涂装时选用耐水性和耐磨性良好的重防水涂料，底层为无机磷酸盐富锌底漆，干膜厚度80μm；中间层为超厚浆型环氧沥青防锈底漆，干膜厚度125μm；面层为超厚浆型环氧沥青防锈面漆，干膜厚度250μm。

6 压力钢管监测

安全监测选择位于15#坝段的压力钢管作为代表，监测断面选择为：临近厂房处内水压力最大的横断面、应力复杂的上弯段横断面、坝后背管中部横断面以及管道混凝土应力最大处的斜直段下部横断面，共4个。

6.1 外包混凝土的应力、应变监测

在斜直段下部横断面及坝后背管中部横断面上，测点选在钢管顶部的外包混凝土中间部位，各布置了1组单向小应变计和小无应力计，用以监测外包混凝土的应变、应力。

6.2 钢筋的应力、应变监测

在除斜直段下部横断面外的3个监测断面上，测点选在内外两层钢筋的顶部、右侧腰部、底部，在测点处沿环向受力钢筋轴线方向分别布置1支钢筋计，用以监测钢筋的应变、应力。

6.3 钢管的应力、应变监测

在4个监测断面上，测点选在钢管的顶部、底部及右侧腰部，在测点处沿钢管环向、轴线分别布置1支钢板计，用以监测钢管的环向和轴向应变、应力。

6.4 钢管与外包混凝土之间的缝隙监测

在除斜直段下部横断面外的3个监测断面上，测点选在钢管的顶部、右侧腰部，在钢管外壁与外包混凝土接触面上设置缝隙计，用以监测钢管与外包混凝土之间的缝隙。

6.5 背管外包混凝土与坝体混凝土接缝面监测

在除斜直段下部横断面外的3个监测断面上，测点选在管坝接触面台阶上，于管坝接触面中部布置单向测缝计，用以监测背管外包混凝土与坝体混凝土接触情况。

7 结语

（1）武都水库大坝为碾压混凝土重力坝，坝体混凝土薄层铺填碾压，上升速度快。设计采用坝后背管式压力钢管布置，最大限度地减少了对混凝土施工的干扰，背管可在坝体混凝土施工完成后进行，加快了施工进度。

（2）坝后背管结构计算除按现行规范进行钢衬钢筋混凝土管道强度及抗外压稳定计算外，还采用了线弹性有限元和非线弹性有限元计算分析。采取有效措施加强了背管混凝土与坝体混凝土接触面的连接，并优化了配筋以满足外包混凝土的限裂要求。

（3）武都水库坝后背管采用钢衬和钢筋联合受力，在不影响外包混凝土施工的前提下，适当地多采用钢筋，有利于增加结构安全性、降低工程造价和减小裂缝宽度。

（4）工程于2011年10月下闸蓄水后，同年11月低水位发电，期间水位最高至发电死水位624m。坝后背管一直运行正常，各安全监测仪器测值在正常范围内。

（5）按照工程专题研究成果及已建工程的经验，背管段外包混凝土在正常运行时存在径向开裂的可能。因此，后期工程运行期间，应加强压力钢管外包混凝土的监测，发现混凝土裂缝后要及时采取有效措施，对裂缝进行填充、封闭处理，防止内部钢筋锈蚀。

［1］SL281—2003，水电站压力钢管设计规范［S］.

［2］SL203—97，水工建筑物抗震设计规范［S］.

［3］SL/T 191—96，水工混凝土结构设计规范［S］.

［4］DL5077—1997，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［5］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［6］武汉大学水利水电学院.四川省武都水库坝后背管结构与厂坝结合型式研究［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（汉族），四川成都人，高级工程师，主要从事水利水电勘测设计工作，（Tel）028-64797723。