坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构优化布置.

第２５卷第４期２００６年８月水力发电学报ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＨＹＤＲＯＥＩ正Ｃ聊ＣＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶ０１．２５Ｎｏ．４Ａｕｇ．，２００６坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构优化布置张伟，伍鹤皋，王从保（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉４３００７２）摘要：本文从管道截面形状、钢材用量和钢筋布置、钢衬外包混凝土厚度，管道与坝体相对位置及接缝处理四个方面，论述坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构设计的优化方法和原则。

结合某水电站工程的实际，从优选的角度对该工程坝下游面钢衬钢筋混凝土管道的布置进行对比分析，表明从减小管线长度、节省工程投资的角度出发，建议采用半埋，外包１．５ｍ厚混凝土的结构布置形式。

关键词：水工结构；结构优化布置；有限单元法；背管；钢衬钢筋混凝土；钢材配置；管坝接缝面中圈分类号：１ｖ７３２．４文献标识码：ＡｏｐｔｉＩＩＩｉｚａｔｉｏｎｏｆａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｓｔｅｅｌｌｉＩｌｉｎｇｒｅｉｎｆ．ｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐｅｎｓｔｏｃｋｓｏｎｔｈｅｄｏｗ璐ｔｒｅａｍｓ珈瞪ａｃｅｏｆｄ锄ｓｚＨＡＮＧＷｅｉ，ＷＵＨｅｇａｏ，ｗＡＮＧＣ０ｎｇｂａｏ（＆砒硒ｒｈ６Ｄｍ幻可旷耽ｆｅｒ＆删脚口以州ｒｏｐ删ｅｒＥ昭ｉ船ｅ—ｎｇ＆如聊ｅ，耽＾帆‰如ｅ瑙妙，贶，ｌ肌４３００７２）Ａｂｓｔ强ｃｔ：Ｆｒｏｍｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｓｈ印ｅ０ｆｐｅｎｓｔｏｃｋｓ，ａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆ８ｔｅｅｌａｎｄａｒｒ蚰ｇｅｍｅｎｔｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｂａｒ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ０ｆｃｏｎｃｒｅｔｅａｒｏｕｎｄｓｔｅｅｌｐｉｐｅａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｎｔｅｄ．ａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄａｍａｎｄｔｈｅｐｅｎｓｔｏｃｋ，ｔｈｅｏｐｔｉｒＩＩｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅ０ｆ８ｔ１１ＪｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅｅｌｌｉｎｉｎｇＩ－ｅｉｎｆｂｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐｅｎｓｔｏｃｋｓｏｎｔｈｅｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｓｕ五ａｃｅｏｆｄａｍｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎａｃｃｏ耐ａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆＪｉｎａｎｑｉａｏｈｙｄｍｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｍｓｔｉＶｅａｎ８ｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅａｎ．ａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｐｅｎｓｔｏｃｋｈａｓｂｅｅｎｃａ而ｅｄｏｕｔｂｙｍｅａＪｌｓｏｆｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｎｅｔｈｏｄ．Ａｎａ玎．肌ｇｅｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉ—ｂｕｒｉｅｄｔ），ｐｅｗｉｔｈ１．５ｍ—ｔｈｉｃｋｃｏｎｃｒｅｔｅｗａｌｌｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｉｎｏＩｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅａｎｄｅｃｏｎｏｒｎｉ舱ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ．ＫｅｙｗｏｒｄＩｓ：ｈｙｄｍｕｌｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｔｍｃｔｕｍｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｎｌｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｐｅｎｓｔｏｃｋｓｏｎｄｏｗｎ８ｔｒｅａｍｓｕｄ．ａｃｅｏｆｄａｍｓ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｓｔｅｅｌｌｉｎｅｒ；ａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌ；ｉｎｔｅｄ．ａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｄａｍａｎｄｐｅｎｓｔｏｃｋ坝下游面钢衬钢筋混凝土压力管道作为电站引水管道新的结构形式，在上世纪６０年代首先出现于前苏联。

我国研究人员自７０年代末开始对其展开研究，并先后在东江、紧水滩、五强溪、李家峡、三峡等大型坝后式水电站中采用了这种管道形式。

在论证三峡压力管道布置形式过程中，经过设计院和许多高校及科研单位全面系统的对比分析后，认为坝下游面浅槽式钢衬钢筋混凝土管道方案具有减少坝体混凝土施工与管道安装的干扰、尤其适用于碾压混凝土坝，对坝体应力削弱小、允许外包混凝土开裂以充分发挥钢材强度等优点，因此将其定为三峡水电站压力管道的最终方案¨”。

随着三峡水利枢纽工程建设的顺利进行和部分机组投产发电，为我国后续工程压力管道的布置和设计提供了丰富的工程经验，如在建和拟建的向家坝、景洪、金安桥、观音岩和龙开口等大型水电站，均将这种管道布置形式作为坝后式厂房压力管道布置的重要比较方案。

本文主要对坝下游面电站压力引水管道（又简称为背管）的横截面形状、钢材用量和钢筋配置、钢衬外包混凝土厚度、背管与坝体相对位置及连接处理等四个方面进行分析与总结。

１背管布置形式与结构型式选择电站压力引水管道确定为背管后，其布置形式和结构型式的选择主要包括以下内容：管道截面形状，钢材用收稿日期：２００５．０４．０６作者简介：张伟（１９ｒ７７一），男，博士研究生第４期张伟等：坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构优化布置量和钢筋配置，钢衬外包混凝土厚度，管道与坝体相对位置及连接处理等。

１．１背管截面形状背管截面形状可以是方圆形（也称马蹄形），多边形和方形三种［２］，如图１。

多边形和方形截面有利于立模，便于施工，但耗材相对较多，在内水压力下易出现应力集中，混凝土中形成较宽裂缝。

方圆形截面应力分布较均匀，受力也较合理，但施工立模较复杂，上半圆在水平面上投影为椭圆形。

随着施工水平的提高，方圆形断面采用组合钢模板立模技术已逐渐成熟，方圆形断面成为主流，萨扬舒申斯克、东江、紧水滩、李家峡以及三峡等工程都采用了这种断面形式。

盆昼蜜一鱼一台－多边形ｂ方形ｃ方圈形图１背管截面形状ｄｏｗｎｓｔｒｅ啪ｓｕｄ．ａｃｅｏｆｄ蚰ｌｓＦｉｇ．１Ｃ∞８ｓ－Ｂｅｃｔｉｏｎａｌｐｒｏｆｉｌｅｏｆｐｅｎｓｔｏｃｋｏｎ１．２钢材用量和钢筋配置钢材用量和钢筋配置对管道结构的安全度、使用性能以及经济指标起着重要的影响，是研究者们一直以来重点关注的内容。

早期人们并没有认识到钢衬与外包钢筋混凝土能可靠地联合工作，钢衬和钢筋二者分别按单独承担全部内水压力进行设计，如克拉斯诺雅尔斯克水电站管道，按钢管承受０．９目的设计水头，安全系数１．６７，钢筋混凝土承受全水头，安全系数１．１，环向钢筋两层，分别靠近内衬及钢筋混凝土外表面。

后来，大量的模型试验和原型观测成果表明，钢衬与外包钢筋混凝土能可靠地联合工作，使得钢材优化配置和钢筋位置成为这种管道的重要研究内容，其目的是充分发挥钢材强度，并能有效限制裂缝宽度ｂ］。

最优钢材配置和钢筋位置是典型的优化问题，并且是一个复杂的优化问题，必须做一定的简化，才能建立解析优化模型，从而直接以经典优化算法求解。

其中，如何获得混凝土开裂前后钢材应力解析解是问题的关键，是确定重要约束条件——应力约束条件以及缝宽约束条件的唯一途径。

基于轴对称假设的正交异性算法，董哲仁教授得到平面应变状态下钢材应力的解析解，建立了满足应力、外压稳定和几何约束条件下，以各钢材厚度为设计变量，钢材总体积或总价为目标函数，以齿行法为基本算法的线性解析优化模型ｎ］。

在此基础上，路振刚博士进一步建立了采用相同钢材应力解析解、约束条件和目标函数，以各钢材厚度和钢材位置（钢环半径）为设计变量，以几何优化法为基本算法的非线性解析优化模型［５］。

二者所做的工作为钢材配置和钢筋位置的优选起了一定的指导意义。

由于坝后背管不是轴对称结构，而是与坝体组合而成的三维空间结构，且所受载荷作用也不仅是水压，用上述方法获得的钢材应力存在不足之处。

为获得较准确的钢材应力，以获得最优的钢材配置和钢筋布置，路振刚博士又提出以非线性有限元法计算钢材应力的优化算法。

这是较为准确的计算方法，但对于大型复杂工程，由于耗费计算资源过大，它的有效性受到很大制约。

基于模型试验成果和科研成果，现行规范以统一的钢材安全度，按承载能力极限承载状态法可直接确定钢材用量和分配。

如式（１），各参数意义见文献［６］。

Ｐ・ｒ≤≮专警㈩”ｒ≤１≈声斧（１）用（１）式确定钢材用量和分配时，主要遵循的原则为：不影响外包混凝土施工的前提下，尽可能多采用钢筋，以增加强度安全性、降低工程造价和减小裂缝宽度，同时必须保证钢衬厚度满足抗外压稳定和施工安装要求。

工程中通常的做法为：混凝土内侧设一层受力环向筋，而外侧设ｌ～２层环向钢筋；纵向筋在相应位置按比例设置，规范建议按２０％一４０％考虑，用作施工架立筋和承受纵向载荷。

１．３钢衬外包钢筋混凝土厚度钢衬外包混凝土厚度与混凝土开裂状态、管道的温度荷载效应和动力荷载效应有密切关系，同时受施工条件，如钢筋布置、混凝土浇筑等影响，满足施工条件的最小管壁混凝土厚度应在０．５ｍ以上。

以往的工程实践中，管道外包混凝土厚度一般采用１．０—２．０ｍ左右，主要通过设计经验和混凝土施工需要确定。

大量不同比尺的模型实验成果表明，在保证施工质量和满足布筋要求的前提下，管壁混凝土厚度对钢衬与外９８水力发电学报２∞６年包混凝土联合工作性能的影响不大。

背管的工作机理为：在设计荷载作用下允许管道混凝土带裂缝工作，以发挥钢材作用；混凝土开裂后环向不能承载，主要作用是传递径向力，以保证钢衬和外包钢筋混凝土联合工作。

研究成果也表明：当外包混凝土厚度减小时，结构初裂荷载将降低；在设计荷载下，开裂处钢筋应力变化不大，但相同配筋面积下，如果混凝土厚度减薄，将使配筋率提高和裂缝宽度减小，更有利于钢筋混凝土的耐久性。

全苏水工研究院所做的克拉斯诺雅尔斯克电站管道模型试验成果也证实了这一结论，即采用Ｏ．５ｍ与１．５ｍ外包钢筋混凝土模型进行对比试验，由于配筋率增大，前者的模型裂缝条数比后者增加１０倍，但裂缝宽度大大减小。

减薄外包混凝土厚度不仅可使混凝土工程量和裂缝宽度减小，而且由于钢筋布置半径变小，钢筋用量也可减少。

但是，它对管道温度荷载效应和动力荷载效应的影响如何，是值得研究的问题，这样才能全面地论证减薄钢筋混凝土厚度的可行性。

１．４管道与坝体相对位置及连接处理背管按相对位置可分为全背式和浅槽式，参见图１，前四种为全背式，后一种为浅槽式。

前者管道本体全部在坝体结构表面以外，对坝体施工速度和应力影响最小，但对管道抗震不利，且加长了管道长度，使厂房位置下移，增加了开挖工程量。

后者部分管体嵌固在坝体以内，为了减小管道传递给坝体的内水压力，防止管道混凝土中的裂缝深入到坝体内，通常在外包混凝土与预留槽两侧壁间设置软垫层。

三峡工程管道设计研究中，进行了全背式和浅槽式的对比分析，最终选用了浅槽式，在建的景洪等水电站也都沿袭了这一设计思想。

广］回Ⅷ匝皿ａ三角形键槽ｂ梯形键糟ｃ台阶形键糟图２授缝键褶类型Ｆｉｇ．２１如ｓ０ｆｋｅｙ．ｓｌｏｔ上弯段在不平衡内水压力和水流离心力作用下，有脱开坝体向外位移的趋势，工程设计中常配置锚筋来承受这些荷载。

经计算，三峡工程管道上弯段接缝面上单位宽度承载法向荷载３５００ｋＮ左右‘引。

在常规荷载及地震力作用下，上弯段和斜直段管坝接缝面可能是结构承载薄弱环节，特别是坝址在高地震区时，管道有相对坝体滑动的趋势。