沙沱水电站坝后背管设计

罗玉霞

1 工程概述

沙沱水电站位于贵州省沿河县城上游约7km处，为乌江干流开发的第9个梯级电站，工程开发的任务以发电为主，其次为航运，兼顾防洪等综合效益。水库电站正常蓄水位365m，相应库容7.7亿m³，水电站装机容量1120MW，保证出力322.9MW，多年平均发电量45.52亿kW·h。枢纽工程由碾压混凝土坝、坝身溢流表孔、右岸通航建筑、左岸引水发电系统（坝后厂房）组成，坝顶高程371.00m，最大坝高101m。引水管道采用一机一管的供水方式，厂房内设置4台280MW混流式机组，单机引用流量492.27m³/s。

2 压力钢管布置

沙沱水电站引水发电系统纵剖面见图1。引水发电系统布置于河床左岸⑤～⑧号坝段，地基岩体为、中厚层白云质灰岩，岩体较完整，岩层缓倾下游偏右岸。进水口紧贴大坝上游布置，进水口底板高程326.00m，塔顶高程371.00m。进水口后接混凝土渐变段、坝后背管和坝后厂房。四条压力钢管平行布置，轴线方位与坝轴线和厂房轴线垂直，中心间距31.6m。坝后背管采用预留浅槽方式（1/2预留坝外），结构为钢衬钢筋混凝土联合承载，钢管内径10m，外包厚1.5m的C20混凝土。混凝土渐变段末端接钢管上平段，上平段经上弯段后与斜直段相连，斜直段钢管本体断面1/2位于坝体以外，钢管下弯段后接下平段，下平段在垫层管段前由直径10m渐变为直径9.6m，垫层管末端与蜗壳相连接。下平段轴线高程为机组安装高程285.00m，钢管轴线长107.792m，管内流速为6.268～6.8m/s。

3 压力钢管结构设计

3.1 结构计算原则

（1）管道环向应力主要由内水压力引起，全部由钢衬和钢筋承担，该极限状态假定混凝土开裂，不承担环向拉力，仅传递径向压力，由钢衬、钢筋联合受力计算确定钢材用量。

（2）钢衬、钢筋联合承担内水压力，联合承载总体安全系数K＞2，并要求钢衬单独承载的安全系数K₁＞1，钢筋单独承载的安全系数K₂只计算不做要求。

3.2 结构计算

钢衬钢筋配置根据《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）和《水电站压力钢管设计规范》（SL/T 281—2003）的规定进行，两本规范规定钢衬钢筋混凝土管道钢管及环向配筋应满足下列公式：

式中 P、r——计算断面处的设计内水压力，N/mm²，钢管内半径，mm；

f_s、f_y——钢材和钢筋的抗拉强度设计值，N/mm²；

f_yk、σ_s——钢筋的抗拉强度标准值和钢材的屈服点，N/mm²；

t、t₃——钢管管壁厚度和环向钢筋的折算厚度，mm。

3.3 结构计算结果

沙沱水电站在校核水位时由于上下游水头差较小，机组不发电，所以钢管结构计算时只计算正常蓄水位工况。

压力钢管在正常蓄水位工况包括水锤压力在内的内水压为0.4～1MPa，外压0.2 MPa，钢管全部采用16MnR钢材，外包混凝土采用二级配C20混凝土，钢筋采用Ⅱ级钢，钢筋的屈服强度与钢管屈服强度接近，钢板厚20～36mm，总计3166t。钢筋除上弯段考虑不平衡水压力、离心力、坝体作用等因素采用内一层外二层的配筋之外，其余包括垫层管段在内的管段均采用内外单层配筋，钢筋总计1970t。压力钢管结构计算成果见表1。

4 其他相关内容设计与施工质量控制

4.1 厂坝间取消伸缩节

沙沱水电站在厂坝分缝处设置伸缩节在技术上是可行的，但考虑到设伸缩节增加工程投资、影响施工工期以及运行期维护问题，经过有限元分析论证最后厂坝间采用垫层管替代了伸缩节。垫层管段跨越主副厂房分缝处，长10.167m，按钢管和外包混凝土各承担总内水压力的70%和30%进行设计，垫层材料为聚胺脂软木，厚10mm，变形模量2.0MPa，钢管采用光面管，厚36mm，外包混凝土内层每米设5根Φ25钢筋，外层每米设5根Φ32钢筋。

4.2 钢管外壁排水设计

压力钢管上平段在第二道阻水环后设置2根Φ50排水管与大坝上游的排水盲材对接。下平段除了在最后一道加劲环后设置2根Φ50排水管排入厂房的集水井外，还在钢管底部50cm找平混凝土中预埋U形Φ100花管（外包土工布）将坝基渗水排入下游厂房集水井。

4.3 钢管回填灌浆和接触灌浆设计

沙沱水电站考虑施工主厂房和钢管吊装的需要，将下平段钢管顶部与副厂房底部之间混凝土设置为暗梁作为移动门机基础，因度汛需要暗梁和主厂房上游墙先于钢管施工，因此对钢管下平段顶部需做回填灌浆处理，现场采用预埋管和在暗梁上开孔相结合的办法。

接触灌浆采用预先在钢管上平段和下平段（垫层管段除外）和部分上下弯段开孔进行接触灌浆，每个管节沿底拱80°范围每20°开设4个孔径50mm的接触灌浆孔，灌浆孔与加劲环上的串浆孔位置对应。接触灌浆前采用物探声波对接触灌浆区域进行脱空检测，发现有些脱空区域和灌浆孔不对应，又在钢管上临时开了孔径为14mm的接触灌浆孔。除了4号机压力钢管上（弯）平段区域灌浆吸浆量为147L外，其余区域的吸浆量均小于10L。

4.4 外包混凝土质量控制

浇筑混凝土前凿毛和清理干净浮渣，盖上灌浆孔盖，回填混凝土先从一边进料，待底部混凝土盖满后才从两边对称进料，混凝土水平上升，2～3m一层，层间凿毛并浇筑砂浆。钢管底部支撑和钢筋较密，底拱范围用软管和振捣器加强振捣。混凝土达到设计强度后才能拆除内支撑，上平段和下弯段受顶部施工外荷载的影响，施工过程加强钢管内支撑。

4.5 上平段施工质量控制

上平段待大坝碾压混凝土上升到高程326.50m后停止碾压大坝混凝土，然后安装钢管和浇筑外包混凝土，钢管外包混凝土达到设计龄期后才往上碾压大坝混凝土。

4.6 始装节与凑合节施工质量控制

钢管的始装节设置在下平段的第一个管节，这样可以从下平段始端向蜗壳和斜直段两头平行安装施工。下平段和下弯段安装一段后及时浇筑混凝土，防止下弯段由于钢管自重引起的下滑力而使钢管滑动。

每条钢管设置了两个凑合节，斜直段与上弯段之间的凑合节设置在上弯段的第三个管节。下平段末端与蜗壳之间的凑合节采用直接对焊，未设预留环缝。凑合节施工时先测量后下料，对接环缝满足错边量要求。

5 结论

沙沱水电站1号机组靠近山体一侧布置，汛期外压较大，后期结合大坝抗滑体施工支洞环绕厂房和钢管下平段布置了一道防渗帷幕，并在防渗帷幕后设置排水孔最终将外水排入大坝排水廊道。电站机组2013年5月上网发电至今，钢管运行良好。需要注意的是坝后式厂房施工吊装设备往往会布置在下平段钢管的顶部，结合钢管和厂房的施工进度综合考虑施工期外荷载对钢管外压的影响并做好防护。若钢管后期施工，顶部有混凝土梁时应做好回填灌浆。