鋼襯鋼筋混凝土壓力引水結構技術研究

李守志

（北方國際合作股份有限公司，北京100040）

1 引言

北方國際投資建設的老撾南湃（Nam Phay）水電站項目屬于典型的“大庫容、小流量、高水頭、長引水”電站，工程主要由首部樞紐和引水發電系統組成。首部樞紐建筑物主要由高97 m的混凝土面板堆石壩和溢洪洞組成；引水發電系統由岸塔式電站進水口、6.74 km長的引水隧洞、長約1.5 km的壓力鋼管、地面廠房等組成。其中，埋入洞內壓力鋼管長度為762.55 m，地面段壓力鋼管長696.10 m。電站額定水頭700 m，不利工況下最大瞬時水頭達到810 m。

在項目可研階段，地面壓力鋼管采用常規的明敷方案，即：壓力鋼管明敷沿線共布設的6個鎮墩，每個鎮墩之后均設伸縮節，兩鎮墩間每間隔6 m設置一個支墩。壓力鋼管與管槽底凈距保留60 cm，鋼管槽底做漿砌石襯護，邊坡采用噴混凝土支護，以避免雨季邊坡塌滑，危及鋼管安全。

項目開工后，剝離壓力鋼管沿線的覆蓋層，確認鎮墩基礎置于變質凝灰質泥巖強風化中部，管槽基礎置于強風化上部，整個明敷壓力鋼管沿線的邊坡穩定性較差。另外，原設計有6個伸縮節，用于補償溫度變化引起的變形和位移，而伸縮節發生滲漏的可能性較大，一旦發生較大的滲漏，就會增加邊坡穩定性風險。如果采取增加錨索和加強支護等常規措施，則會增加很多費用，在不利地質情況下未必能夠達到預期的效果。需要找到一個既可以解決問題，又不增加投資的辦法。設計人員提出一種壓力鋼管外包混凝土的解決方案，即將整個鋼管包裹在鋼筋混凝土內，溫度變化對不再暴露在陽光下的鋼管的影響減少到可以忽略的程度，無需再設置伸縮節，消除了伸縮節可能泄漏的隱患，同時，也增加了整個壓力鋼管的穩定性。同時，這種壓力鋼管外包混凝土結構會大大減少壓力鋼管沿線的邊坡及槽底修整工程量。為此，對南湃水電站壓力鋼管結構進行專項課題研究是非常必要的。

2 研究的目的和要求

2.1 研究的目的

為了得到壓力引水管道采用鋼襯鋼筋混凝土結構的設計依據，項目委托武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室進行模擬計算和相關的模型試驗分析，用三維有限元方法對鋼管外包混凝土方案進行計算分析，同時比較鋼管外包混凝土方案和明管方案，對高水頭電站壓力鋼管的各種型式進行深入的分析研究，為本工程壓力管道的設計提供依據，并為其他類似工程提供經驗和參考。

本研究課題目的明確，即；通過計算了解鋼管應力狀態、變形程度、鎮墩穩定性及基礎變形，為鋼襯鋼筋混凝土方案提供設計依據；結合具體地形地質條件和工程布置，了解鋼管應力狀態、變形程度,并得出合理支護措施；根據計算進一步確定鋼管的管壁厚度、支撐環加勁環尺寸、支墩間距等。

2.2 研究的必要性

雖然南湃水電站鋼管直徑2 m不算太大，但最大設計內水壓力達810 m，HD值（水頭與直徑的乘積）高達1620 m2以上，接近舉世矚目的三峽水電站壓力鋼管的HD值1730 m2。如果按傳統設計采用地面明鋼管布置方案，那么將存在以下幾個技術經濟方面的問題：

（1）根據初步估算，如果本工程采用明鋼管布置方案，需要采用600 MPa級的高強鋼，管壁厚度大約在30～44 mm，在下部內水壓力較大的管段（包括鋼岔管）值可達2.2%，超過了水電站壓力鋼管設計和安裝規范規定的2.08%，需要進行焊前預熱和焊后消應熱處理，給施工工藝帶來很大困難。

（2）采用明鋼管布置時，管道沿線管槽部位將形成高度不一的邊坡，由于本工程地質條件較差，不僅這些邊坡的支護工程量非常大，而且在電站運行期間特別是雨季情況下，邊坡的穩定性將嚴重影響到地面明鋼管的安全。

（3）已有工程實踐表明，采用明鋼管布置時，鋼管不僅可能遭遇滑坡、滾石的影響，而且當管道放空檢修時受鋼管兩側溫差荷載作用，鋼管可能側向彎曲，除非采取嚴格側向限位措施，否則可能導致鋼管從支墩上脫落，并引起伸縮節嚴重變形甚至漏水。

（4）為了保證明鋼管適應溫度變化和地基不均勻沉陷，一般均在各管段上鎮墩下游部位設置伸縮節；對于像本工程這樣的高水頭水電站，伸縮節均采用波紋管伸縮節，根據以往工程經驗，本工程壓力鋼管所需波紋管伸縮節數為6個，如果按單價50萬元/個計算，光波紋管伸縮節就將增加投資300萬元以上。

2.3 研究的具體要求

為了確保計算的針對性，特別提出了以下具體要求：

（1）分別按明管方案和鋼管外包混凝土方案計算分析，根據兩個方案計算成果確定壓力鋼管合理的布置型式，為設計優化提供依據。

（2）三維模型中應包括地下埋管段、明鋼管段、地面鋼襯鋼筋混凝土管段。

（3）地下埋管段仿真分析中應模擬開挖、支護、灌漿、運行等過程。

（4）對設計方案地下埋管及地面鋼襯鋼筋混凝土管段進行三維有限元分析，提出可行的工程措施。

（5）壓力鋼管分別按采用同種鋼材（鋼管段全部采用高強鋼）和不同鋼材（鋼管段部分采用高強鋼）的管壁厚度、變形、應力、外壓穩定等計算成果。由于鋼管承載較大的內水壓力，在滿足安全和施工要求情況下盡量采用普通鋼材。

（6）充分考慮縫隙值對地面鋼襯鋼筋混凝土管結構的影響，適當取幾組縫隙值進行敏感性分析。

（7）鋼管管壁厚度盡量按壓力上升逐漸加厚，在保證壓力鋼管結構安全性的情況下，考慮壓力鋼管的經濟性及合理性。

（8）取幾組的溫差荷載進行敏感性分析。

2.4 研究的主要內容

2.4.1 國內外類似工程資料收集

搜集國內外水電站壓力鋼管采用外包混凝土的設計狀況，重點了解高水頭壓力鋼管外包混凝土的設計，溫度對壓力鋼管變形的影響，細部措施（如設置誘導縫，裂縫保護等）以及工程實例。

2.4.2 地下埋管段設計研究

（1）對地下埋管段進行仿真分析，模擬開挖、支護、灌漿、運行等過程，根據計算結果對施工期支護措施和圍巖穩定性進行評價，根據管內水壓力分布確定鋼管管壁厚度。

（2）根據運行期地下水位線和施工期灌漿壓力，進行鋼管抗外壓穩定分析，提出相應的抗外壓措施。

2.4.3 地面鋼襯鋼筋混凝土管方案計算

（1）根據內水壓力分布，按解析法分段確定鋼管管壁厚度，分為全部采用高強鋼和部分采用高強鋼兩種情況。

（2）對地面鋼襯鋼筋混凝土管進行整體三維有限元分析和抗外壓穩定分析，進一步確定管壁厚度、加勁環尺寸外圍混凝土厚度等。

（3）根據管線布置，復核鎮墩的抗滑穩定和沉降變形。

（4）對于鋼管外包鋼筋混凝土結構，按聯合承載原則確定各段鋼管管壁厚度和鋼筋配置，進行裂縫寬度驗算。

（5）按照壓力鋼管全線不設伸縮節的方案整體建模（含鋼襯鋼筋混凝土管、鎮墩、地基），計算不設伸縮節時鋼管應力是否滿足規范要求，若不滿足提供建議的工程措施。

（6）對溫度和初始縫隙值進行敏感性評價。

2.4.4 取消伸縮節的驗算

針對選定的鋼襯鋼筋混凝土管道結構，在不設伸縮節的狀態下，進行仿真計算和驗算，確認不設置伸縮節的科學依據。

2.4.5 地面明鋼管方案（比較方案）計算

（1）根據內水壓力分布，按解析法分段確定鋼管管壁厚度，分為全部采用高強鋼和部分采用高強鋼兩種情況。

（2）對地面明鋼管進行三維有限元分析和抗外壓穩定分析，進一步確定管壁厚度、支撐環加勁環尺寸、支墩間距等。

3 研究的方法和結果

3.1 模型范圍

對壓力管道整體建模，模型應包括鎮墩、鋼管、地基、鋼筋混凝土等結構，計算域邊界不小于5倍鎮墩高度。

地下埋管計算模型中，計算域邊界距鄰近建筑外輪廓距離不小于5倍開挖最大洞徑；距地表距離不足5倍開挖高度時取至地表。

3.2 基本假定

（1）在計算中所采用的材料模型應能反應該類巖體和支護結構的力學特性，可將巖體視為彈塑性介質。

（2）明管計算模型中應包含鋼管、加勁環、伸縮節、鎮墩、支墩等結構，地面鋼襯鋼筋混凝土管模型中應包含鋼管、外包鋼筋混凝土、鎮墩等結構。

（3）計算中應將圍巖、噴錨支護、襯砌結構等一并作為有限元分析的研究對象，并考慮應力路徑的影響。

3.3 計算工況

3.3.1 基本荷載

（1）結構自重。

（2）正常蓄水位的靜水壓力。

（3）正常工作情況最高壓力。

（4）特殊工作情況最高壓力。

（5）溫度荷載（最大溫升、溫降按16℃考慮，并做敏感性分析）。

（6）轉彎處內水壓力。

（7）外壓，包管段外壓采用管道放空時通氣設備造成的氣壓差，埋管段外壓采用管道放空時通氣設備造成的氣壓差+地下水水壓力。

（8）灌漿壓力，鋼管和岔管接觸灌漿壓力取0.2 MPa。

3.3.2 基本荷載組合

可能存在的荷載組合見表1和表2。

表1 外包混凝土管荷載組合表（含明管）

表2 地下埋管荷載組合表

3.4 計算結果

通過對該工程引水系統壓力鋼管結構的設計和有限元分析，得到以下結論和建議：

3.4.1 地下埋管段

（1）在施工期，洞室開挖后，洞周圍巖產生朝向洞內的變形，第三主應力有所增加。總體上圍巖變形量較小，圍巖塑性區較小，地下埋管段在施工期整體穩定能夠得到保證。

（2）在運行期，在內水壓力作用下，回填混凝土已全部開裂，但各斷面鋼襯最大Mises應力均小于相應鋼材的允許應力值，說明按規范方法設計所確定的鋼襯厚度完全可以滿足運行期的要求。

（3）埋管段起點由于埋深最大，考慮圍巖聯合承載后鋼襯厚度最薄，鋼襯厚度能滿足光面管的臨界壓力要求，理論上講無需再設加勁環。但如果工程正式運行后地下水位線上升，超過了現在計算采用的外水壓力值，為了安全起見，那么建議本工程埋管起始段200 m左右范圍內設置加勁環。

（4）縫隙值是影響鋼襯應力和圍巖承載比的重要因素。為減小壓力鋼管與混凝土間的縫隙，充分保證混凝土澆筑和接觸灌漿的質量，建議采用微膨脹混凝土進行回填，以減小初始縫隙值。

3.4.2 地面明管段

（1）明鋼管方案：

經過三維有限元計算，鋼管采用壁厚為30～40 mm的高強鋼WDB620可滿足設計要求。當考慮溫升荷載作用時，由于上部結構向上變形引起建基面局部區域方向呈拉應力狀態，除此之外，鎮墩及支墩建基面方向受力主要表現為壓應力，且壓應力數值均能滿足建基面承載力要求，因此明鋼管布置方案在技術上也是可行的，但需要在每2個鎮墩之間布置一個變形量大于80 mm以上的波紋管伸縮節。由此將引起鋼管和伸縮節一次性投資增加，另外地面明鋼管抗震能力較弱，后期維護工作量相對較大。

（2）鋼襯鋼筋混凝土管道方案：

在鋼襯和鋼筋滿足抗力限值的強度要求，且裂縫寬度滿足規范要求（0.3 mm）的情況下，鋼襯厚度和鋼筋配置以初始縫隙0.2 mm來確定。采用高強鋼WDB620鋼襯厚度為24～32 mm，鋼管外包混凝土厚度為500 mm，布置兩層鋼筋即可滿足要求。

（3）由于溫度荷載的作用，斜直段混凝土將出現垂直于管軸線的環縫，但從計算得到鋼襯軸向應力，特別是軸向鋼筋應力來看，數值一般在50 MPa以內，相應的裂縫寬度不大，不會對管道安全造成影響。

（4）本工程采用鋼襯鋼筋混凝土管道方案可以滿足抗滑穩定性要求，安全系數均在3.0以上。鎮墩建基面主要為壓應力，壓應力數值可以滿足地基承載力均滿足要求。綜合比較，建議采用鋼襯鋼筋混凝土管道布置方案。

（5）設伸縮節后，各工況下管道結構對上、下鎮墩的作用力沒有明顯的降低，反而在個別工況下，該作用力略微增大。不管是否考慮溫度作用，在管道中間布置伸縮節并不能很好地減小管道結構傳給鎮墩的作用力，也即對于地面式鋼襯鋼筋混凝土管道上下游鎮墩的穩定性影響不大。

4 成果應用及結論

通過以上針對性的課題研究，南湃水電站最終采用地面式鋼襯鋼筋混凝土管道結構，整個鋼管段不設伸縮節。

與可研規劃階段比較，優化后的壓力管道鋼管制作和安裝工程量減少了1079.83 t，約1/3；外包混凝土增加5247 m3；鋼筋減少420 t。平段管槽采用石渣回填，減少部分開挖邊坡支護工程量。

根據合同單價計算，優化后的壓力管道工程合計減少工程成本206.5萬美元，并且免去了伸縮節結構的后期運行維護成本，成效顯著，用事實證明“科學技術是第一生產力”。

《老撾南湃水電站BOT項目超高壓壓力鋼管設計關鍵技術與應用研究》技術合作研發合同于2014年5月6日在北京簽署。2015年9月9日，北方國際會同西北設計院在武漢大學召開課題研究成果鑒定會。