奮斗水庫(kù)壩后背管施工技術(shù)研究

蒲道巍

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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奮斗水庫(kù)壩后背管施工技術(shù)研究

蒲道巍

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

奮斗水庫(kù)工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩后式電站廠房、魚(yú)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(jù)鋼襯管的特點(diǎn)，結(jié)合東北嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件，通過(guò)分析鋼襯管與壩體的應(yīng)力分布情況，研究鋼襯管施工期的溫度應(yīng)力場(chǎng)，確定奮斗水庫(kù)鋼襯管的施工技術(shù)方案。

壩后背管；鋼襯管裂縫限制；溫控措施

1　壩后背管技術(shù)特點(diǎn)

奮斗水庫(kù)電站引水采用鋼襯鋼筋混凝土壩后背管。壩后背管和壩內(nèi)埋管是水電站壓力管道的兩種重要布置形式，均由進(jìn)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(duì)比分析詳見(jiàn)表1。

表1　管道特性對(duì)比表

壩后背管常采用明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管(以下簡(jiǎn)稱鋼襯管)兩種型式。明鋼管斜直段用支承環(huán)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(jì)算值。

(1)

式中：t明鋼管最小壁厚(若有小數(shù)，應(yīng)予進(jìn)位)，mm；D為壓力鋼管的直徑，mm。

鋼襯管的主要荷載為內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓力由外包鋼筋混凝土和內(nèi)襯鋼板共同承擔(dān)。當(dāng)鋼管直徑和水頭很大時(shí)，鋼襯管相對(duì)明鋼管可以減少鋼板厚度，避免因高強(qiáng)鋼或厚鋼板帶來(lái)的造價(jià)貴、技術(shù)難度大等問(wèn)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(shè)計(jì)參數(shù)

奮斗水庫(kù)工程所在地氣溫季節(jié)變化大，晝夜溫差大，多年平均氣溫3.7℃，最高氣溫出現(xiàn)在7、8月份，極溫37.4℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，極溫-44.1℃。多年平均無(wú)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(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)和西南風(fēng)，多年平均風(fēng)速3.3 m/s和2.8m/s。

水電站設(shè)計(jì)總裝機(jī)4000kW，最大設(shè)計(jì)水頭32.64m，最小設(shè)計(jì)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(duì)碾壓混凝土壩施工的干擾，壩后背管的布置采用“單管多機(jī)”型式。引水主管直徑2.4m，進(jìn)水口底板高程356.50m。

奮斗水庫(kù)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(guò)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(yùn)用條件下,允許出現(xiàn)徑向裂縫。但混凝土最大裂縫寬度應(yīng)限制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，并選擇合適的安全系數(shù)。根據(jù)已建工程外包混凝土裂縫調(diào)查及觀測(cè)成果，實(shí)測(cè)最大縫寬已達(dá)到縫寬限制值0.3mm。

表2　部分已建工程實(shí)測(cè)裂縫寬度統(tǒng)計(jì)表　mm

鋼襯管外包混凝土的裂縫，既有垂直管軸的環(huán)向裂縫和平行管軸的軸向裂縫，還有斜向裂縫?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置伸縮管節(jié)，降低壩體變形引起的鋼襯管軸向應(yīng)力。

2.3鋼襯管溫度場(chǎng)

奮斗水庫(kù)鋼襯管的溫度場(chǎng)是非軸對(duì)稱的，尤其是在施工期的溫度場(chǎng)，與內(nèi)水壓力的軸對(duì)稱性完全不同。為了便于問(wèn)題闡述，鋼襯管按第三類邊界條件，近似軸對(duì)稱模型簡(jiǎn)化，則軸對(duì)稱的溫度場(chǎng)由式(2)計(jì)算。

(2)

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

根據(jù)奮斗水庫(kù)鋼襯管施工期溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，不同時(shí)期澆筑的鋼襯管，其溫度場(chǎng)變化很大；需要特別注意鋼襯管腰部混凝土的溫度場(chǎng)變化。施工期鋼襯管腰部所受的約束最強(qiáng)，而運(yùn)行期內(nèi)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(chǎng)受氣溫控制；下半圓混凝土很快達(dá)到與壩體相同的溫度場(chǎng)。

假設(shè)溫度場(chǎng)是近似軸對(duì)稱的，則彈性溫度應(yīng)力按式(3)計(jì)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(nèi)徑，m；μ泊松比；其它符號(hào)意義同上式。

根據(jù)奮斗水庫(kù)鋼襯管應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，鋼襯管的不同部位應(yīng)力分布不同。最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)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(shí)，鋼襯管會(huì)出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力。

運(yùn)行期的溫度應(yīng)力分析，可用于分析對(duì)混凝土裂縫寬度的影響。鋼襯管運(yùn)行期的溫度應(yīng)力由管道內(nèi)外溫差引起，高溫一側(cè)受壓，低溫一側(cè)受拉，與內(nèi)水壓力引起的應(yīng)力組合后，高溫一側(cè)的拉應(yīng)力減少，低溫一側(cè)的拉應(yīng)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(jìn)度及措施

施工期間，奮斗水庫(kù)鋼襯管容易出現(xiàn)較大環(huán)向和軸向拉應(yīng)力部位的處理措施詳見(jiàn)表3。澆筑季節(jié)影響鋼襯管的溫度應(yīng)力大小，對(duì)最高溫度區(qū)域的位置影響不大。通過(guò)優(yōu)選澆筑季節(jié)，降低鋼襯管主要部位的溫度梯度，延緩因溫度場(chǎng)變化而引起較大拉應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間，降低施工期間外包混凝土開(kāi)裂的可能性。

綜上所述，并根據(jù)奮斗水庫(kù)工程施工總進(jìn)度的要求，確定鋼襯管各部位的進(jìn)度計(jì)劃見(jiàn)表4。

表3　鋼襯管關(guān)鍵部位處理措施表

表4　鋼襯管混凝土澆筑進(jìn)度表

4　結(jié)　語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)選擇合適的澆筑時(shí)間及溫控措施，改善溫度場(chǎng)的分布，減小環(huán)向和軸向拉應(yīng)力，確保鋼襯管的施工質(zhì)量。

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

[2]朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制(第2版)[M].北京：中國(guó)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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