钢衬钢筋混凝土压力引水结构技术研究

李守志

（北方国际合作股份有限公司，北京100040）

1 引言

北方国际投资建设的老挝南湃（Nam Phay）水电站项目属于典型的“大库容、小流量、高水头、长引水”电站，工程主要由首部枢纽和引水发电系统组成。首部枢纽建筑物主要由高97 m的混凝土面板堆石坝和溢洪洞组成；引水发电系统由岸塔式电站进水口、6.74 km长的引水隧洞、长约1.5 km的压力钢管、地面厂房等组成。其中，埋入洞内压力钢管长度为762.55 m，地面段压力钢管长696.10 m。电站额定水头700 m，不利工况下最大瞬时水头达到810 m。

在项目可研阶段，地面压力钢管采用常规的明敷方案，即：压力钢管明敷沿线共布设的6个镇墩，每个镇墩之后均设伸缩节，两镇墩间每间隔6 m设置一个支墩。压力钢管与管槽底净距保留60 cm，钢管槽底做浆砌石衬护，边坡采用喷混凝土支护，以避免雨季边坡塌滑，危及钢管安全。

项目开工后，剥离压力钢管沿线的覆盖层，确认镇墩基础置于变质凝灰质泥岩强风化中部，管槽基础置于强风化上部，整个明敷压力钢管沿线的边坡稳定性较差。另外，原设计有6个伸缩节，用于补偿温度变化引起的变形和位移，而伸缩节发生渗漏的可能性较大，一旦发生较大的渗漏，就会增加边坡稳定性风险。如果采取增加锚索和加强支护等常规措施，则会增加很多费用，在不利地质情况下未必能够达到预期的效果。需要找到一个既可以解决问题，又不增加投资的办法。设计人员提出一种压力钢管外包混凝土的解决方案，即将整个钢管包裹在钢筋混凝土内，温度变化对不再暴露在阳光下的钢管的影响减少到可以忽略的程度，无需再设置伸缩节，消除了伸缩节可能泄漏的隐患，同时，也增加了整个压力钢管的稳定性。同时，这种压力钢管外包混凝土结构会大大减少压力钢管沿线的边坡及槽底修整工程量。为此，对南湃水电站压力钢管结构进行专项课题研究是非常必要的。

2 研究的目的和要求

2.1 研究的目的

为了得到压力引水管道采用钢衬钢筋混凝土结构的设计依据，项目委托武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室进行模拟计算和相关的模型试验分析，用三维有限元方法对钢管外包混凝土方案进行计算分析，同时比较钢管外包混凝土方案和明管方案，对高水头电站压力钢管的各种型式进行深入的分析研究，为本工程压力管道的设计提供依据，并为其他类似工程提供经验和参考。

本研究课题目的明确，即；通过计算了解钢管应力状态、变形程度、镇墩稳定性及基础变形，为钢衬钢筋混凝土方案提供设计依据；结合具体地形地质条件和工程布置，了解钢管应力状态、变形程度,并得出合理支护措施；根据计算进一步确定钢管的管壁厚度、支撑环加劲环尺寸、支墩间距等。

2.2 研究的必要性

虽然南湃水电站钢管直径2 m不算太大，但最大设计内水压力达810 m，HD值（水头与直径的乘积）高达1620 m2以上，接近举世瞩目的三峡水电站压力钢管的HD值1730 m2。如果按传统设计采用地面明钢管布置方案，那么将存在以下几个技术经济方面的问题：

（1）根据初步估算，如果本工程采用明钢管布置方案，需要采用600 MPa级的高强钢，管壁厚度大约在30～44 mm，在下部内水压力较大的管段（包括钢岔管）值可达2.2%，超过了水电站压力钢管设计和安装规范规定的2.08%，需要进行焊前预热和焊后消应热处理，给施工工艺带来很大困难。

（2）采用明钢管布置时，管道沿线管槽部位将形成高度不一的边坡，由于本工程地质条件较差，不仅这些边坡的支护工程量非常大，而且在电站运行期间特别是雨季情况下，边坡的稳定性将严重影响到地面明钢管的安全。

（3）已有工程实践表明，采用明钢管布置时，钢管不仅可能遭遇滑坡、滚石的影响，而且当管道放空检修时受钢管两侧温差荷载作用，钢管可能侧向弯曲，除非采取严格侧向限位措施，否则可能导致钢管从支墩上脱落，并引起伸缩节严重变形甚至漏水。

（4）为了保证明钢管适应温度变化和地基不均匀沉陷，一般均在各管段上镇墩下游部位设置伸缩节；对于像本工程这样的高水头水电站，伸缩节均采用波纹管伸缩节，根据以往工程经验，本工程压力钢管所需波纹管伸缩节数为6个，如果按单价50万元/个计算，光波纹管伸缩节就将增加投资300万元以上。

2.3 研究的具体要求

为了确保计算的针对性，特别提出了以下具体要求：

（1）分别按明管方案和钢管外包混凝土方案计算分析，根据两个方案计算成果确定压力钢管合理的布置型式，为设计优化提供依据。

（2）三维模型中应包括地下埋管段、明钢管段、地面钢衬钢筋混凝土管段。

（3）地下埋管段仿真分析中应模拟开挖、支护、灌浆、运行等过程。

（4）对设计方案地下埋管及地面钢衬钢筋混凝土管段进行三维有限元分析，提出可行的工程措施。

（5）压力钢管分别按采用同种钢材（钢管段全部采用高强钢）和不同钢材（钢管段部分采用高强钢）的管壁厚度、变形、应力、外压稳定等计算成果。由于钢管承载较大的内水压力，在满足安全和施工要求情况下尽量采用普通钢材。

（6）充分考虑缝隙值对地面钢衬钢筋混凝土管结构的影响，适当取几组缝隙值进行敏感性分析。

（7）钢管管壁厚度尽量按压力上升逐渐加厚，在保证压力钢管结构安全性的情况下，考虑压力钢管的经济性及合理性。

（8）取几组的温差荷载进行敏感性分析。

2.4 研究的主要内容

2.4.1 国内外类似工程资料收集

搜集国内外水电站压力钢管采用外包混凝土的设计状况，重点了解高水头压力钢管外包混凝土的设计，温度对压力钢管变形的影响，细部措施（如设置诱导缝，裂缝保护等）以及工程实例。

2.4.2 地下埋管段设计研究

（1）对地下埋管段进行仿真分析，模拟开挖、支护、灌浆、运行等过程，根据计算结果对施工期支护措施和围岩稳定性进行评价，根据管内水压力分布确定钢管管壁厚度。

（2）根据运行期地下水位线和施工期灌浆压力，进行钢管抗外压稳定分析，提出相应的抗外压措施。

2.4.3 地面钢衬钢筋混凝土管方案计算

（1）根据内水压力分布，按解析法分段确定钢管管壁厚度，分为全部采用高强钢和部分采用高强钢两种情况。

（2）对地面钢衬钢筋混凝土管进行整体三维有限元分析和抗外压稳定分析，进一步确定管壁厚度、加劲环尺寸外围混凝土厚度等。

（3）根据管线布置，复核镇墩的抗滑稳定和沉降变形。

（4）对于钢管外包钢筋混凝土结构，按联合承载原则确定各段钢管管壁厚度和钢筋配置，进行裂缝宽度验算。

（5）按照压力钢管全线不设伸缩节的方案整体建模（含钢衬钢筋混凝土管、镇墩、地基），计算不设伸缩节时钢管应力是否满足规范要求，若不满足提供建议的工程措施。

（6）对温度和初始缝隙值进行敏感性评价。

2.4.4 取消伸缩节的验算

针对选定的钢衬钢筋混凝土管道结构，在不设伸缩节的状态下，进行仿真计算和验算，确认不设置伸缩节的科学依据。

2.4.5 地面明钢管方案（比较方案）计算

（1）根据内水压力分布，按解析法分段确定钢管管壁厚度，分为全部采用高强钢和部分采用高强钢两种情况。

（2）对地面明钢管进行三维有限元分析和抗外压稳定分析，进一步确定管壁厚度、支撑环加劲环尺寸、支墩间距等。

3 研究的方法和结果

3.1 模型范围

对压力管道整体建模，模型应包括镇墩、钢管、地基、钢筋混凝土等结构，计算域边界不小于5倍镇墩高度。

地下埋管计算模型中，计算域边界距邻近建筑外轮廓距离不小于5倍开挖最大洞径；距地表距离不足5倍开挖高度时取至地表。

3.2 基本假定

（1）在计算中所采用的材料模型应能反应该类岩体和支护结构的力学特性，可将岩体视为弹塑性介质。

（2）明管计算模型中应包含钢管、加劲环、伸缩节、镇墩、支墩等结构，地面钢衬钢筋混凝土管模型中应包含钢管、外包钢筋混凝土、镇墩等结构。

（3）计算中应将围岩、喷锚支护、衬砌结构等一并作为有限元分析的研究对象，并考虑应力路径的影响。

3.3 计算工况

3.3.1 基本荷载

（1）结构自重。

（2）正常蓄水位的静水压力。

（3）正常工作情况最高压力。

（4）特殊工作情况最高压力。

（5）温度荷载（最大温升、温降按16℃考虑，并做敏感性分析）。

（6）转弯处内水压力。

（7）外压，包管段外压采用管道放空时通气设备造成的气压差，埋管段外压采用管道放空时通气设备造成的气压差+地下水水压力。

（8）灌浆压力，钢管和岔管接触灌浆压力取0.2 MPa。

3.3.2 基本荷载组合

可能存在的荷载组合见表1和表2。

表1 外包混凝土管荷载组合表（含明管）

表2 地下埋管荷载组合表

3.4 计算结果

通过对该工程引水系统压力钢管结构的设计和有限元分析，得到以下结论和建议：

3.4.1 地下埋管段

（1）在施工期，洞室开挖后，洞周围岩产生朝向洞内的变形，第三主应力有所增加。总体上围岩变形量较小，围岩塑性区较小，地下埋管段在施工期整体稳定能够得到保证。

（2）在运行期，在内水压力作用下，回填混凝土已全部开裂，但各断面钢衬最大Mises应力均小于相应钢材的允许应力值，说明按规范方法设计所确定的钢衬厚度完全可以满足运行期的要求。

（3）埋管段起点由于埋深最大，考虑围岩联合承载后钢衬厚度最薄，钢衬厚度能满足光面管的临界压力要求，理论上讲无需再设加劲环。但如果工程正式运行后地下水位线上升，超过了现在计算采用的外水压力值，为了安全起见，那么建议本工程埋管起始段200 m左右范围内设置加劲环。

（4）缝隙值是影响钢衬应力和围岩承载比的重要因素。为减小压力钢管与混凝土间的缝隙，充分保证混凝土浇筑和接触灌浆的质量，建议采用微膨胀混凝土进行回填，以减小初始缝隙值。

3.4.2 地面明管段

（1）明钢管方案：

经过三维有限元计算，钢管采用壁厚为30～40 mm的高强钢WDB620可满足设计要求。当考虑温升荷载作用时，由于上部结构向上变形引起建基面局部区域方向呈拉应力状态，除此之外，镇墩及支墩建基面方向受力主要表现为压应力，且压应力数值均能满足建基面承载力要求，因此明钢管布置方案在技术上也是可行的，但需要在每2个镇墩之间布置一个变形量大于80 mm以上的波纹管伸缩节。由此将引起钢管和伸缩节一次性投资增加，另外地面明钢管抗震能力较弱，后期维护工作量相对较大。

（2）钢衬钢筋混凝土管道方案：

在钢衬和钢筋满足抗力限值的强度要求，且裂缝宽度满足规范要求（0.3 mm）的情况下，钢衬厚度和钢筋配置以初始缝隙0.2 mm来确定。采用高强钢WDB620钢衬厚度为24～32 mm，钢管外包混凝土厚度为500 mm，布置两层钢筋即可满足要求。

（3）由于温度荷载的作用，斜直段混凝土将出现垂直于管轴线的环缝，但从计算得到钢衬轴向应力，特别是轴向钢筋应力来看，数值一般在50 MPa以内，相应的裂缝宽度不大，不会对管道安全造成影响。

（4）本工程采用钢衬钢筋混凝土管道方案可以满足抗滑稳定性要求，安全系数均在3.0以上。镇墩建基面主要为压应力，压应力数值可以满足地基承载力均满足要求。综合比较，建议采用钢衬钢筋混凝土管道布置方案。

（5）设伸缩节后，各工况下管道结构对上、下镇墩的作用力没有明显的降低，反而在个别工况下，该作用力略微增大。不管是否考虑温度作用，在管道中间布置伸缩节并不能很好地减小管道结构传给镇墩的作用力，也即对于地面式钢衬钢筋混凝土管道上下游镇墩的稳定性影响不大。

4 成果应用及结论

通过以上针对性的课题研究，南湃水电站最终采用地面式钢衬钢筋混凝土管道结构，整个钢管段不设伸缩节。

与可研规划阶段比较，优化后的压力管道钢管制作和安装工程量减少了1079.83 t，约1/3；外包混凝土增加5247 m3；钢筋减少420 t。平段管槽采用石渣回填，减少部分开挖边坡支护工程量。

根据合同单价计算，优化后的压力管道工程合计减少工程成本206.5万美元，并且免去了伸缩节结构的后期运行维护成本，成效显著，用事实证明“科学技术是第一生产力”。

《老挝南湃水电站BOT项目超高压压力钢管设计关键技术与应用研究》技术合作研发合同于2014年5月6日在北京签署。2015年9月9日，北方国际会同西北设计院在武汉大学召开课题研究成果鉴定会。