覃克非
(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,成都 610072)
武都水庫壩后背管設(shè)計(jì)
覃克非
(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,成都 610072)
介紹了武都水庫壩后背管的布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)型式及配筋、防腐設(shè)計(jì)和安全監(jiān)測設(shè)計(jì)。壩后背管因其對大壩混凝土施工干擾小,已廣泛采用。設(shè)計(jì)除滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗外壓穩(wěn)定外,還需滿足外包混凝土的限裂要求。在高地震區(qū),應(yīng)采取措施加強(qiáng)背管與壩體混凝土之間的連接。
壩后背管;鋼襯鋼筋聯(lián)合受力;背管結(jié)構(gòu)型式
武都水庫壩址位于四川省江油市武都鎮(zhèn)北4km的涪江干流上,工程以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電,兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)生活及環(huán)境供水等綜合利用,是武都引水工程的水源。
武都水庫總庫容5.72億m2,設(shè)計(jì)控灌面積15.23萬hm2,為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐區(qū)主要建筑物有碾壓混凝土重力壩及壩后式廠房,最大壩高120.34m,水庫攔河壩及壩身泄水建筑物級(jí)別為1級(jí),壩后式廠房為3級(jí)。大壩的地震設(shè)防類別為甲類,地震烈度8°,壩后廠房烈度7°設(shè)防。
武都水庫發(fā)電廠房為左岸壩后式,電站裝機(jī)3臺(tái),容量3×50MW。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)土建工程由壩后背管式壓力鋼管、主副廠房、尾水渠、GIS樓等組成。
電站進(jìn)水口設(shè)置在13#~15#壩段,每個(gè)壩段各設(shè)1個(gè)壩式進(jìn)水口。主廠房布置在13#~15#壩段后,安裝間布置在主廠房左側(cè),副廠房布置在安裝間下游,GIS樓、主變場等布置在13#~15#壩段后與主廠房之間的EL580.5m平臺(tái)上。
電站壓力鋼管共3條,單管單機(jī),為壩后背管,按鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力設(shè)計(jì)。除15#壩段上的鋼管因總體布置需要略偏向左側(cè)外,13#、14#壩段上的壩后背管均布置在壩段中央。壓力鋼管進(jìn)水口底高程612.50m,鋼管出口中心高程由廠房水輪機(jī)安裝高程568.956m。壓力鋼管設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力由1臺(tái)機(jī)組甩全負(fù)荷工況控制,管道末端最大內(nèi)水壓力發(fā)生在最大水頭85.12.m條件下,3臺(tái)機(jī)甩全負(fù)荷3×51.54MW時(shí),最大水頭111.9m。壓力鋼管前端以水平段連接于電站事故閘門井方變圓漸變段后,彎轉(zhuǎn)后呈斜直段平行壩面敷設(shè),下水平段通過湊合節(jié)與蝸殼相連接。單根管長98.47m,鋼管直徑4.6m。鋼管鋼材選用16MnR鋼,鋼管外包混凝土橫截面上圓下方形,混凝土強(qiáng)度C25鋼筋混凝土,厚度1.0m。
壩后背管橫剖面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
圖1 壩后背管橫剖面圖
武都水庫管道直徑較大,設(shè)計(jì)進(jìn)行了鋼襯鋼筋混凝土管道強(qiáng)度及抗外壓穩(wěn)定計(jì)算、鋼襯鋼筋混凝土管道線彈性有限元分析、鋼襯鋼筋混凝土管道非線性有限元分析。
根據(jù)SL281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,鋼襯鋼筋混凝土管道設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下式要求:
式中K為總安全系數(shù),取2.0;P、r為計(jì)算斷面處的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力(MPa)和鋼管內(nèi)半徑(mm);σs,fyk為鋼板屈服強(qiáng)度和鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa),工程分別采用16MnR和Ⅱ級(jí)鋼筋;t0、t3為鋼管管壁厚度和鋼筋折算厚度(mm);φ為焊縫系數(shù),取0.9。
根據(jù)各計(jì)算斷面的具體參數(shù),在確定鋼襯厚度和鋼筋用量時(shí),在不影響外包混凝土施工的前提下,盡可能多地采用鋼筋,這樣有利于增加強(qiáng)度安全性、降低工程造價(jià)和減小裂縫寬度;但同時(shí)也必須保證鋼襯厚度不小于管壁最小結(jié)構(gòu)厚度,據(jù)此初步確定鋼襯厚度和鋼筋配置。
在進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定計(jì)算時(shí),取安全系數(shù)為1.8,計(jì)算時(shí)考慮管道檢修放空和施工時(shí)灌漿兩種工況,在同時(shí)滿足兩種工況的要求下,先按光面管計(jì)算臨界外壓。如不滿足要求,可分別計(jì)算加勁環(huán)間管壁及加勁環(huán)的臨界外壓。
(1)正常運(yùn)行工況、特殊運(yùn)行工況及地震組合工況下,鋼襯外圍混凝土的環(huán)向應(yīng)力絕大部分大于C25混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.3MPa,大部分地方可能開裂;管道混凝土軸向應(yīng)力除單獨(dú)地震工況外,其他情況下均為壓應(yīng)力;斜直段下部斷面附近是管道最薄弱的地方,管道混凝土環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均在此達(dá)到最大值。
(2)管壩接縫面上的法向應(yīng)力,在正常運(yùn)行和特殊運(yùn)行工況1時(shí)均為壓應(yīng)力,有利于壩后背管和壩體的結(jié)合。特殊工況2時(shí)(正常水位發(fā)電+地震)管壩接縫面上出現(xiàn)了較大的法向拉應(yīng)力及剪應(yīng)力,管道混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力最大值也達(dá)1.85MPa,可見地震荷載的作用不容忽視,需要采取相應(yīng)的工程措施,比如設(shè)鍵槽、插筋等。
對按規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度計(jì)算所擬定的配筋方案(即配筋方案1)進(jìn)行了非線性有限元分析,并進(jìn)行了混凝土裂縫寬度的驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明,在正常運(yùn)行工況下,管道混凝土主要在管內(nèi)水壓力的作用下,管頂及管道兩側(cè)混凝土均出現(xiàn)徑向開裂,管底外層混凝土也有局部開裂,裂縫寬度不滿足規(guī)范要求。因此需調(diào)整配筋方案,依據(jù)SL/T191—96《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的限裂要求,對管道混凝土環(huán)向配筋進(jìn)行調(diào)整(以下稱配筋方案2),并采用有限元程序驗(yàn)算。
按配筋方案2進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果為:
(1)背管段管道混凝土絕大部分徑向開裂,但在上彎管上游的埋管段和主變平臺(tái)以下的埋管段,由于外圍混凝土較厚,除了頂、底局部開裂外,管道兩側(cè)混凝土基本上沒有出現(xiàn)裂縫。裂縫深度最大不超過1m,對壩體不會(huì)有太大的影響,也不必設(shè)墊層。對于上彎段,由于是按鋼襯鋼筋混凝土管道設(shè)計(jì)的,允許混凝土開裂,但限制了縫寬,設(shè)置墊層對鎮(zhèn)墩承擔(dān)彎管處離心力反而不利。
(2)管道混凝土發(fā)生徑向開裂后,內(nèi)水壓力主要由鋼襯和鋼筋共同承擔(dān),所以鋼襯和鋼筋的應(yīng)力值相對線彈性的計(jì)算結(jié)果明顯增高。配筋方案2在局部增大了配筋率,鋼筋及鋼襯的應(yīng)力值較方案1有所降低。無論采用哪種配筋方案,所得的鋼襯和鋼筋應(yīng)力值均小于相應(yīng)鋼材的允許應(yīng)力。
(3)配筋方案2通過增加方案1中裂縫超標(biāo)部位的鋼筋配置,使得管道混凝土的最大裂縫寬度降低到0.29mm,已經(jīng)可以滿足結(jié)構(gòu)使用要求。因此配筋方案2為推薦方案。
壩后背管為鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力管。
壓力鋼管鋼材選用16MnR鋼,鋼管厚度根據(jù)各段應(yīng)力確定,從14~28mm,具體如表1所示。
表1 鋼管壁厚及配筋單位:mm
壓力鋼管設(shè)有抗外壓穩(wěn)定加勁環(huán),并在上彎段及下彎段設(shè)有加勁板。加勁環(huán)和加勁板厚度均為20mm,加勁環(huán)截面尺寸150mm×20mm,上平段及上彎段加勁環(huán)間距為1m,斜直段及下平段加勁環(huán)間距為2m。
上平段、上彎段、下彎段及下平段除墊層管段外,在鋼襯底部120°范圍內(nèi)預(yù)留灌漿孔,進(jìn)行鋼管與外包混凝土之間的接觸灌漿,灌漿壓力位0.2MPa,以保證縫面接合良好。
在壓力鋼管的首端設(shè)置了3道截面尺寸為150mm×20mm的阻水環(huán),并在最后1道阻水環(huán)的最低部位設(shè)有2根準(zhǔn)63鍍鋅排水鋼管,排水鋼管并排置于截水環(huán)(角鋼)的底部,下引至壩體EL601.5檢修排水廊道的排水溝內(nèi)。
鋼襯鋼筋混凝土管外包混凝土內(nèi)外層均配置了受力鋼筋,鋼管外包混凝土內(nèi)層鋼筋為圓環(huán)形,外層鋼筋為上圓下方形。鋼襯鋼筋混凝土管各段管壁厚度及配筋設(shè)計(jì)如表1所示。
管道外包混凝土與壩體接縫面采用預(yù)留鍵槽連接,槽深1.0m,寬6.6m,縫面要求充分鑿毛,縫面設(shè)置臺(tái)階,臺(tái)階按高度40cm控制。在臺(tái)階上預(yù)埋縫面插筋,插筋間距為50cm,上彎段插筋為準(zhǔn)28鋼筋,其余部位插筋為準(zhǔn)25鋼筋。
鋼管內(nèi)外壁均采取防腐處理:①對內(nèi)外壁在涂裝前進(jìn)行表面預(yù)處理(包括脫脂凈化、噴射處理),處理后的金屬表面清潔度等級(jí)不低于GB8923—88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》的規(guī)定,即鋼管內(nèi)壁(包括墊層管外壁)為Sa2 1/2級(jí),鋼管外壁為Sa2級(jí),表面粗糙度控制在Ry40~70μm范圍。②在外壁涂裝時(shí)選用無機(jī)改性(酸性)水泥漿,干膜厚度為300~500μm;在內(nèi)壁涂裝時(shí)選用耐水性和耐磨性良好的重防水涂料,底層為無機(jī)磷酸鹽富鋅底漆,干膜厚度80μm;中間層為超厚漿型環(huán)氧瀝青防銹底漆,干膜厚度125μm;面層為超厚漿型環(huán)氧瀝青防銹面漆,干膜厚度250μm。
安全監(jiān)測選擇位于15#壩段的壓力鋼管作為代表,監(jiān)測斷面選擇為:臨近廠房處內(nèi)水壓力最大的橫斷面、應(yīng)力復(fù)雜的上彎段橫斷面、壩后背管中部橫斷面以及管道混凝土應(yīng)力最大處的斜直段下部橫斷面,共4個(gè)。
在斜直段下部橫斷面及壩后背管中部橫斷面上,測點(diǎn)選在鋼管頂部的外包混凝土中間部位,各布置了1組單向小應(yīng)變計(jì)和小無應(yīng)力計(jì),用以監(jiān)測外包混凝土的應(yīng)變、應(yīng)力。
在除斜直段下部橫斷面外的3個(gè)監(jiān)測斷面上,測點(diǎn)選在內(nèi)外兩層鋼筋的頂部、右側(cè)腰部、底部,在測點(diǎn)處沿環(huán)向受力鋼筋軸線方向分別布置1支鋼筋計(jì),用以監(jiān)測鋼筋的應(yīng)變、應(yīng)力。
在4個(gè)監(jiān)測斷面上,測點(diǎn)選在鋼管的頂部、底部及右側(cè)腰部,在測點(diǎn)處沿鋼管環(huán)向、軸線分別布置1支鋼板計(jì),用以監(jiān)測鋼管的環(huán)向和軸向應(yīng)變、應(yīng)力。
在除斜直段下部橫斷面外的3個(gè)監(jiān)測斷面上,測點(diǎn)選在鋼管的頂部、右側(cè)腰部,在鋼管外壁與外包混凝土接觸面上設(shè)置縫隙計(jì),用以監(jiān)測鋼管與外包混凝土之間的縫隙。
在除斜直段下部橫斷面外的3個(gè)監(jiān)測斷面上,測點(diǎn)選在管壩接觸面臺(tái)階上,于管壩接觸面中部布置單向測縫計(jì),用以監(jiān)測背管外包混凝土與壩體混凝土接觸情況。
(1)武都水庫大壩為碾壓混凝土重力壩,壩體混凝土薄層鋪填碾壓,上升速度快。設(shè)計(jì)采用壩后背管式壓力鋼管布置,最大限度地減少了對混凝土施工的干擾,背管可在壩體混凝土施工完成后進(jìn)行,加快了施工進(jìn)度。
(2)壩后背管結(jié)構(gòu)計(jì)算除按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行鋼襯鋼筋混凝土管道強(qiáng)度及抗外壓穩(wěn)定計(jì)算外,還采用了線彈性有限元和非線彈性有限元計(jì)算分析。采取有效措施加強(qiáng)了背管混凝土與壩體混凝土接觸面的連接,并優(yōu)化了配筋以滿足外包混凝土的限裂要求。
(3)武都水庫壩后背管采用鋼襯和鋼筋聯(lián)合受力,在不影響外包混凝土施工的前提下,適當(dāng)?shù)囟嗖捎娩摻睿欣谠黾咏Y(jié)構(gòu)安全性、降低工程造價(jià)和減小裂縫寬度。
(4)工程于2011年10月下閘蓄水后,同年11月低水位發(fā)電,期間水位最高至發(fā)電死水位624m。壩后背管一直運(yùn)行正常,各安全監(jiān)測儀器測值在正常范圍內(nèi)。
(5)按照工程專題研究成果及已建工程的經(jīng)驗(yàn),背管段外包混凝土在正常運(yùn)行時(shí)存在徑向開裂的可能。因此,后期工程運(yùn)行期間,應(yīng)加強(qiáng)壓力鋼管外包混凝土的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫后要及時(shí)采取有效措施,對裂縫進(jìn)行填充、封閉處理,防止內(nèi)部鋼筋銹蝕。
[1]SL281—2003,水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2]SL203—97,水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3]SL/T 191—96,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4]DL5077—1997,水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[5]SL319—2005,混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[6]武漢大學(xué)水利水電學(xué)院.四川省武都水庫壩后背管結(jié)構(gòu)與廠壩結(jié)合型式研究[R].2006.
Engineering of Wudu Reservoir Penstock on Downstream Dam Surface
QIN Ke-fei
(Sichuan Hydroelectric Investigation,Design and Research Institute,Chengdu 610072,China)
In this paper,penstock on downstream dam surface arrangements,structural calculation and reinforcement,an
ti-corrosion and safety monitoring design for Wudu reservoir is presented.Penstock on downstream dam surface has little interference on construction and has been widely used.Design shall not only meet the structural strength and resistance to external pressure stability,but also require to meet the of external concrete crack limiting.In the high earthquake intensity area,proper measures shall be taken to strengthen the connection between penstock and concrete structure.
penstock on downstream dam surface;combined stress of steel lining and reinforcement;penstock structure
TV222
A
1672-9900(2013)01-0040-04
2012-10-29
覃克非(1967-),男(漢族),四川成都人,高級(jí)工程師,主要從事水利水電勘測設(shè)計(jì)工作,(Tel)028-64797723。