奋斗水库坝后背管施工技术研究

蒲道巍

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



奋斗水库坝后背管施工技术研究

蒲道巍

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

奋斗水库工程枢纽由碾压混凝土重力坝、坝后式电站厂房、鱼道等建筑物组成。电站引水采用钢衬钢筋混凝土坝后背管。根据钢衬管的特点，结合东北严寒地区的气候条件，通过分析钢衬管与坝体的应力分布情况，研究钢衬管施工期的温度应力场，确定奋斗水库钢衬管的施工技术方案。

坝后背管；钢衬管裂缝限制；温控措施

1　坝后背管技术特点

奋斗水库电站引水采用钢衬钢筋混凝土坝后背管。坝后背管和坝内埋管是水电站压力管道的两种重要布置形式，均由进水口、渐变段、上水平段、上弯管段、斜直管段、下弯管段和下水平段组成。两种管道特性对比分析详见表1。

表1　管道特性对比表

坝后背管常采用明钢管和钢衬钢筋混凝土管(以下简称钢衬管)两种型式。明钢管斜直段用支承环支承在坝下游面上的支墩上，明钢管最小壁厚不宜<式(1)的计算值。

(1)

式中：t明钢管最小壁厚(若有小数，应予进位)，mm；D为压力钢管的直径，mm。

钢衬管的主要荷载为内水压力，内水压力由外包钢筋混凝土和内衬钢板共同承担。当钢管直径和水头很大时，钢衬管相对明钢管可以减少钢板厚度，避免因高强钢或厚钢板带来的造价贵、技术难度大等问题；钢衬管外包混凝土有利于管道防冻。

2　施工边界条件

2.1钢衬管设计参数

奋斗水库工程所在地气温季节变化大，昼夜温差大，多年平均气温3.7℃，最高气温出现在7、8月份，极温37.4℃，最低气温出现在1月份，极温-44.1℃。多年平均无霜期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%。年盛行风向为西风和西南风，多年平均风速3.3 m/s和2.8m/s。

水电站设计总装机4000kW，最大设计水头32.64m，最小设计水头20.34m。电站引水采用钢衬钢筋混凝土坝后背管。为了尽量降低对碾压混凝土坝施工的干扰，坝后背管的布置采用“单管多机”型式。引水主管直径2.4m，进水口底板高程356.50m。

奋斗水库钢衬管上、下弯管段和斜直管段布置在坝下游面上。两弯管段通过锚筋锚固在坝体上，成为斜直管段的锚固段。

2.2钢衬管裂缝控制

钢衬管外包混凝土在正常运用条件下,允许出现径向裂缝。但混凝土最大裂缝宽度应限制在规范允许的范围内，并选择合适的安全系数。根据已建工程外包混凝土裂缝调查及观测成果，实测最大缝宽已达到缝宽限制值0.3mm。

表2　部分已建工程实测裂缝宽度统计表　mm

钢衬管外包混凝土的裂缝，既有垂直管轴的环向裂缝和平行管轴的轴向裂缝，还有斜向裂缝。可通过设置伸缩管节，降低坝体变形引起的钢衬管轴向应力。

2.3钢衬管温度场

奋斗水库钢衬管的温度场是非轴对称的，尤其是在施工期的温度场，与内水压力的轴对称性完全不同。为了便于问题阐述，钢衬管按第三类边界条件，近似轴对称模型简化，则轴对称的温度场由式(2)计算。

(2)

式中：T为计算温度，℃；τ为计算步长，d；θ绝热温升，℃；a为混凝土导温系数，m2/d；r为管道半径，m。

根据奋斗水库钢衬管施工期温度场计算结果，不同时期浇筑的钢衬管，其温度场变化很大；需要特别注意钢衬管腰部混凝土的温度场变化。施工期钢衬管腰部所受的约束最强，而运行期内所受的荷载最大。钢衬管上半圆混凝土暴露在空气中，其温度场受气温控制；下半圆混凝土很快达到与坝体相同的温度场。

假设温度场是近似轴对称的，则弹性温度应力按式(3)计算[2]。

(3)

式中：E混凝土弹性模量，MPa；b、c分别为钢衬管外径、内径，m；μ泊松比；其它符号意义同上式。

根据奋斗水库钢衬管应力场计算结果，钢衬管的不同部位应力分布不同。最大环向应力出现在钢衬管腰部与坝体相接处部位。水化热减弱和外界气温降低时，钢衬管会出现轴向拉应力。

运行期的温度应力分析，可用于分析对混凝土裂缝宽度的影响。钢衬管运行期的温度应力由管道内外温差引起，高温一侧受压，低温一侧受拉，与内水压力引起的应力组合后，高温一侧的拉应力减少，低温一侧的拉应力加大，考虑温度的影响后，管道的总体安全度基本不变。

3　施工进度及措施

施工期间，奋斗水库钢衬管容易出现较大环向和轴向拉应力部位的处理措施详见表3。浇筑季节影响钢衬管的温度应力大小，对最高温度区域的位置影响不大。通过优选浇筑季节，降低钢衬管主要部位的温度梯度，延缓因温度场变化而引起较大拉应力的出现时间，降低施工期间外包混凝土开裂的可能性。

综上所述，并根据奋斗水库工程施工总进度的要求，确定钢衬管各部位的进度计划见表4。

表3　钢衬管关键部位处理措施表

表4　钢衬管混凝土浇筑进度表

4　结　语

现场施工时，应选择合适的浇筑时间及温控措施，改善温度场的分布，减小环向和轴向拉应力，确保钢衬管的施工质量。

[1]傅金筑．坝后背管外包混凝土裂缝研究[A]．第六届全国水电站压力管道学术论文集，北京：中国水利水电出版社，2006.

[2]朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社，2012：31-37.

1007-7596(2016)07-0035-02

2016-06-12

蒲道巍(1984-)，男，湖南怀化人，工程师。

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