第1章 概述

1.1 钢衬钢筋混凝土压力管道的应用及发展

敷设在混凝土坝下游坝面上的钢衬钢筋混凝土压力管道是一种经济、安全，并且有广阔发展前景的水电站输水管道。它具有很多优点，是一种钢板衬砌与外包钢筋混凝土联合承受内水压力的结构，钢衬的厚度可以较明管方案为薄，这就解决了一些高水头、大直径的压力管道当采用厚度超过32～40mm的钢板时的材质要求和卷板、焊接的困难；钢衬和钢筋混凝土联合受力，并允许外包混凝土开裂，可充分发挥钢材的受拉作用，且两者在同一部位同时出现缺陷，都达到破坏的概率很小，万一发生事故，也不是撕裂性的突发事故，所以管道的整体安全度较高；在工程布置上，改变了传统的坝内埋管形式，将压力管道布置在下游坝面，从而减少了管道空腔对坝体的削弱，减少了坝体施工与管道安装施工的干扰，有利于保证施工质量和进度；由于节省一些高强钢板的进口，在造价上相对经济些；外包混凝土可以防止钢管受严寒或日照等造成的温度影响。

苏联是世界上首先采用钢衬钢筋混凝土压力管道的国家。他们在20世纪60—70年代兴建的大型水电站如克拉斯诺雅尔斯克、萨扬-舒申斯克和契尔盖，当压力输水管道的HD值（H为设计水头，D为管道内径，均以m计）不小于1200时，均采用了钢衬钢筋混凝土压力管道。札哥尔抽水蓄能电站采用铺设在软基上的钢衬钢筋混凝土压力管道。此外，阿里-瓦赫德水利枢纽的水轮机引水管道的岔管，努列克水电站（HD=1600）、英古里水电站（HD=1650）、萨扬-舒申斯克（HD=1700）、罗贡水电站（HD=2280）的蜗壳均是钢衬钢筋混凝土结构。

纵观俄罗斯关于钢衬钢筋混凝土结构的发展过程，可分为三个阶段。20世纪60年代苏联为了解决大直径钢管承受内压问题，在克拉斯诺雅尔斯克水电站首先采用钢衬钢筋混凝土管道。当时，对钢管和外包混凝土的联合作用并无明确认识，只采用了比较简单的办法：规定钢衬承受全部内水压力时其安全系数为1.3～1.8，即钢衬中的应力必须小于被采用钢材屈服强度的1/1.3倍，由外包混凝土中的钢筋承受全部内水压力时，安全系数1.1～1.3，这样，结构总的安全系数2.4～3.1。同时要求管道与下游坝面连接牢固，并允许外包混凝土开裂。另外为了减小管道的规模，采用了两管一机的布置方案，将钢管的难点转移到分岔段上。俄罗斯设计者们针对该电站的新型结构，完成了几何比尺1∶10和1∶20的仿真结构模型试验，用大比尺试件模拟管道的破坏情况，并测试其承载力，实验结果证实了钢衬钢筋混凝土结构压力管道设计原则的合理性。上述过程可视为第一发展阶段。

到20世纪70年代前后，随着代表这类结构第二阶段水平的萨扬-舒申斯克水电站的兴建，苏联一些水电设计和科研部门针对钢衬钢筋混凝土结构进行了一系列理论和实验研究，并相继拟定了一些设计规范。确定了把钢管与外包钢筋混凝土作为整体结构设计的原则，认为二者能可靠地联合工作，不存在原来设想的钢管发生灾难性破坏的可能性，因而结构可靠性较好，由此建立的计算方法，在正确使用荷载作用下，结构强度总安全系数比第一阶段有所降低，取1.8～2.0。钢衬不再按单独承受内水压力校核，直接按整体结构极限状态方法进行强度计算：

式中：KH为可靠系数，一级建筑物用1.25；nc为荷载组合系数，基本荷载用1.0；N为构件中拉力；mn为工作条件系数，一级建筑物用0.92；Fa、F0为钢筋、钢衬截面积；Ra、R0为钢筋、钢衬设计强度值。

另外考虑结构的耐久性，钢管和钢筋中的应力在使用荷载作用下不得超过规范确定的极限值，混凝土裂缝宽度aT不超过0.3mm：

式中：K为系数，可用1.2；Cg为对长期荷载作用1.3；η为对螺纹钢筋用1.0；σa为钢筋拉应力值；Ea为钢筋弹性模量；μ为截面含筋率；d为钢筋直径，mm。

上述这种联合受力的结构设计方法显然具有客观的技术经济效益。苏联原 《水工建筑钢衬钢筋混凝土结构设计参考资料》（∏—780—83）是反映第二阶段发展水平，具体介绍联合受力结构设计方法的代表性文献。

我国20世纪70年代兴建的湖南东江水电站是国内首次采用下游坝面钢衬钢筋混凝土压力管道的工程，同期还有紧水滩水电站，在设计中既按整体结构进行强度计算，对钢衬及外包钢筋混凝土分别单独承载进行校核，这就是被称作“双保险”的设计方法。近十年来，随着国内设计，科研的深入开展，对这种结构的特点认识越来越深刻，按整体结构设计的方法已经成为一种趋向。如后来相继建成的五强溪、李家峡等大型水电站和已建的三峡巨型水电站，压力管道均采用了钢衬钢筋混凝土结构，总安全系数在不断降低，已接近前苏联水平。

目前钢衬钢筋混凝土结构的设计，随着二三十年工程实践的检验和更深入的研究，正在迈入第三发展阶段。在通过与莫斯科动力建筑研究院专家的交往中获悉，苏联时期（20世纪70—80年代）实行的规范，正在进行修订，修订工作主要着眼于结构的耐久性。如俄罗斯一些大型水电站管道混凝土裂缝宽度超过0.3mm，中国几个电站按他们的规范计算也小于0.3mm，但实际运行中都超过这个标准；除电站外俄罗斯还有一些水闸、挡土墙、船闸等结构按原来的设计规范可不加横向钢筋，而运行若干年后出现受力筋屈服，甚至拉断等异常情况，图1.1是莫斯科动力建筑研究院进行的两个对比试验，清楚地表明了配置横向钢筋可以有效控制贯穿性裂缝；另外对不设软垫层，不打压的完全联合受力的钢衬钢筋混凝土蜗壳在俄罗斯进行了深入研究，并得到了广泛应用，这种结构可靠、便宜，按照联合受力原理，并经试验表明，钢筋能够承受绝大部分水压力，钢蜗壳可以较薄，但外面的钢筋要配足。不久新修订的水工建筑混凝土和钢筋混凝土结构、钢衬钢筋混凝土结构等很多新规范将问世。新规范除列入蜗壳新结构研究成果，注意结构抗剪外，还要考虑钢筋进入事故的情况，同时考虑钢筋的塑性。对结构件（对压力管道及它的岔管、弯道、蜗壳、闸室等）趋于极限状态的条件，新的规范公式将通过应力反映出来，故设计时应由限制条件计算主拉应力及主压应力，并按新的规定检验应力强度是否满足要求。总之，基于工程实践的深入研究，将更趋于科学化。

图1.1 莫斯科动力建筑研究院横向钢筋配置对比试验图