奮斗水庫壩后背管施工技術研究

蒲道巍

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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奮斗水庫壩后背管施工技術研究

蒲道巍

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

奮斗水庫工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩后式電站廠房、魚道等建筑物組成。電站引水采用鋼襯鋼筋混凝土壩后背管。根據鋼襯管的特點，結合東北嚴寒地區的氣候條件，通過分析鋼襯管與壩體的應力分布情況，研究鋼襯管施工期的溫度應力場，確定奮斗水庫鋼襯管的施工技術方案。

壩后背管；鋼襯管裂縫限制；溫控措施

1　壩后背管技術特點

奮斗水庫電站引水采用鋼襯鋼筋混凝土壩后背管。壩后背管和壩內埋管是水電站壓力管道的兩種重要布置形式，均由進水口、漸變段、上水平段、上彎管段、斜直管段、下彎管段和下水平段組成。兩種管道特性對比分析詳見表1。

表1　管道特性對比表

壩后背管常采用明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管(以下簡稱鋼襯管)兩種型式。明鋼管斜直段用支承環支承在壩下游面上的支墩上，明鋼管最小壁厚不宜<式(1)的計算值。

(1)

式中：t明鋼管最小壁厚(若有小數，應予進位)，mm；D為壓力鋼管的直徑，mm。

鋼襯管的主要荷載為內水壓力，內水壓力由外包鋼筋混凝土和內襯鋼板共同承擔。當鋼管直徑和水頭很大時，鋼襯管相對明鋼管可以減少鋼板厚度，避免因高強鋼或厚鋼板帶來的造價貴、技術難度大等問題；鋼襯管外包混凝土有利于管道防凍。

2　施工邊界條件

2.1鋼襯管設計參數

奮斗水庫工程所在地氣溫季節變化大，晝夜溫差大，多年平均氣溫3.7℃，最高氣溫出現在7、8月份，極溫37.4℃，最低氣溫出現在1月份，極溫-44.1℃。多年平均無霜期126d。多年平均降水量502mm，主要集中在汛期6—9月份，占全年降水量的73%，7、8月份占46%。年盛行風向為西風和西南風，多年平均風速3.3 m/s和2.8m/s。

水電站設計總裝機4000kW，最大設計水頭32.64m，最小設計水頭20.34m。電站引水采用鋼襯鋼筋混凝土壩后背管。為了盡量降低對碾壓混凝土壩施工的干擾，壩后背管的布置采用“單管多機”型式。引水主管直徑2.4m，進水口底板高程356.50m。

奮斗水庫鋼襯管上、下彎管段和斜直管段布置在壩下游面上。兩彎管段通過錨筋錨固在壩體上，成為斜直管段的錨固段。

2.2鋼襯管裂縫控制

鋼襯管外包混凝土在正常運用條件下,允許出現徑向裂縫。但混凝土最大裂縫寬度應限制在規范允許的范圍內，并選擇合適的安全系數。根據已建工程外包混凝土裂縫調查及觀測成果，實測最大縫寬已達到縫寬限制值0.3mm。

表2　部分已建工程實測裂縫寬度統計表　mm

鋼襯管外包混凝土的裂縫，既有垂直管軸的環向裂縫和平行管軸的軸向裂縫，還有斜向裂縫。可通過設置伸縮管節，降低壩體變形引起的鋼襯管軸向應力。

2.3鋼襯管溫度場

奮斗水庫鋼襯管的溫度場是非軸對稱的，尤其是在施工期的溫度場，與內水壓力的軸對稱性完全不同。為了便于問題闡述，鋼襯管按第三類邊界條件，近似軸對稱模型簡化，則軸對稱的溫度場由式(2)計算。

(2)

式中：T為計算溫度，℃；τ為計算步長，d；θ絕熱溫升，℃；a為混凝土導溫系數，m2/d；r為管道半徑，m。

根據奮斗水庫鋼襯管施工期溫度場計算結果，不同時期澆筑的鋼襯管，其溫度場變化很大；需要特別注意鋼襯管腰部混凝土的溫度場變化。施工期鋼襯管腰部所受的約束最強，而運行期內所受的荷載最大。鋼襯管上半圓混凝土暴露在空氣中，其溫度場受氣溫控制；下半圓混凝土很快達到與壩體相同的溫度場。

假設溫度場是近似軸對稱的，則彈性溫度應力按式(3)計算[2]。

(3)

式中：E混凝土彈性模量，MPa；b、c分別為鋼襯管外徑、內徑，m；μ泊松比；其它符號意義同上式。

根據奮斗水庫鋼襯管應力場計算結果，鋼襯管的不同部位應力分布不同。最大環向應力出現在鋼襯管腰部與壩體相接處部位。水化熱減弱和外界氣溫降低時，鋼襯管會出現軸向拉應力。

運行期的溫度應力分析，可用于分析對混凝土裂縫寬度的影響。鋼襯管運行期的溫度應力由管道內外溫差引起，高溫一側受壓，低溫一側受拉，與內水壓力引起的應力組合后，高溫一側的拉應力減少，低溫一側的拉應力加大，考慮溫度的影響后，管道的總體安全度基本不變。

3　施工進度及措施

施工期間，奮斗水庫鋼襯管容易出現較大環向和軸向拉應力部位的處理措施詳見表3。澆筑季節影響鋼襯管的溫度應力大小，對最高溫度區域的位置影響不大。通過優選澆筑季節，降低鋼襯管主要部位的溫度梯度，延緩因溫度場變化而引起較大拉應力的出現時間，降低施工期間外包混凝土開裂的可能性。

綜上所述，并根據奮斗水庫工程施工總進度的要求，確定鋼襯管各部位的進度計劃見表4。

表3　鋼襯管關鍵部位處理措施表

表4　鋼襯管混凝土澆筑進度表

4　結　語

現場施工時，應選擇合適的澆筑時間及溫控措施，改善溫度場的分布，減小環向和軸向拉應力，確保鋼襯管的施工質量。

[1]傅金筑．壩后背管外包混凝土裂縫研究[A]．第六屆全國水電站壓力管道學術論文集，北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]朱伯芳．大體積混凝土溫度應力與溫度控制(第2版)[M].北京：中國水利水電出版社，2012：31-37.

1007-7596(2016)07-0035-02

2016-06-12

蒲道巍(1984-)，男，湖南懷化人，工程師。

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