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前苏联钢衬钢筋混凝土压力管道经验及其应用

2016-02-27 10:33:33中国钢材招标网

  前苏联钢衬钢筋混凝土压力管道经验及其应用张超然(中国长江三峡工程开发总公司湖北宜昌443002)提出了设计准则并修改了相应的设计规范,总结了丰富的经验。为了吸收前苏联的钢衬钢筋混凝土压力管道的设计、施工经验,中国长江三峡工程开发总公司邀请了俄罗斯专家进行咨询,对三峡电站压力管道按苏联规范作复核计算,优化了三峡电站压力管道的设计。

  1概述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、安全而具有广阔发展前景的水电站输水管道型式。它具有很多优点:它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,避免了采用超厚钢板所带来的卷板、焊接的困难;(2)钢衬和钢筋混凝土联合受力,管道的整体安全度相对较高;(3)改变了传统的坝内埋管型式,从而减少了管道空腔对坝体的削弱以及坝体施工与管道安装施工的干扰;(4)节省高强钢板,降低了造价;(5)外包混凝土可以防止钢管受严寒或日照等温度影响。

  前苏联是世界上首先采用钢衬钢筋混凝土压力管道的国家。60~70年代兴建的大型水电站如克拉斯诺雅尔斯克、萨扬一舒申斯克和契尔盖,当压力输水管道的HD值(H为设计水头,D为管道内径)>1 200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和古昌水电站采用了铺设在软基上的钢衬钢筋混凝土压力钢管。此外,阿里一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= 160⑴、英古里水电站(HD=1650)、萨扬一舒申斯克水电站(HD =1700)罗贡水电站(HD=2280)的蜗壳也是钢衬钢筋混凝土结构。他们对钢衬钢筋混凝土结构作了大量的科学试验研宄工作,积累了丰富的经验,并编制和颁布了一整套设计和施工规范。

  我国从70年代开始,在东江、紧水滩、五强溪和李家峡等水电站也选用了钢衬钢筋混凝土压力管道,取得了一些设计和施工经验。长江三峡工程水电站压力管道引用流量大(966m3 /s),钢管直径大(12. 4m)钢管最大水头(计入水锤压力)730.在技术设计阶段,经过比较论证,选定钢衬钢筋混凝土作为压力管道的结构型式。进行了大量的科学试验研宄和设计计算。为了吸收苏联的钢衬钢筋混凝土压力管道的设计、施工经验,三峡总公司于1997年5月邀请了三位俄罗斯专家进行了咨询,并于1997年9月组团赴俄罗斯考察,还委托俄罗斯专家对三峡电站压力管道按苏联规范作复核计算。

  2钢衬钢筋混凝土压力管道设计和制造工艺三位俄罗斯专家(莫斯科水工金属结构设计局局长尼古拉也夫、水工安装公司外经处处长埃利曼诺夫、动力建筑物研宄院强度实验室主任李西契金)于1997年5月应邀来宜昌对三峡水电站钢衬钢筋混凝土管道进行了咨询。

  总公司事先就管道的施工技术向俄方提出了书面咨询要求,俄方提交了简要书面咨询材料,并与三峡总公司、长江委设计院、施工投标单位和有关专家进行了交流和讨论。俄专家还对管道的设计和构造、取消伸缩节等问题介绍了经验并提了建议。

  21钢衬钢筋混凝土管道的设计方法和构造管道按第一类(强度)极限状态用下式计算n荷载组合系数,基本荷载用1 N作用力计算值;ma工作条件系数,一级建筑物用0.92;Fa-F0钢筋、钢衬截面积;Ra、R0钢筋、钢衬设计强度值。

  钢衬厚度应尽量取结构最小厚度,如果所需钢筋面积太大,难于布置,可增加钢衬厚度以减少钢筋面积。

  例如:莫斯科附近的扎高尔斯克抽水蓄能电站有6条预制式钢衬钢筋混凝土压力管道。它的构造代表了俄罗斯当前水平。管道内径7.5m设计内压171m水头,管长约800m钢衬(R0=290MPa)厚10mm内外层用40A111钢筋(Ra=365MPa)1米长管道共20根,成正反螺旋形,内层钢筋直接绕在钢衬外表面上。外包混凝土M300壁厚40cm粗骨料最大粒径40mm塌落度8~10cm.管道环向钢筋早期曾用屮60、丰70的粗钢筋,现趋向用士40以下强度较高的A―向用A―1丨钢筋温度作用列入特殊荷载组合,可降低安全系数。

  弯段与直段同样设计,材料设计强度可不降低。

  早期一些管道,如库普沙伊电站管道的钢衬外设加劲环,但后来在萨扬舒申斯克等电站管道的钢衬上,未设加劲环钢衬钢筋混凝土压力管道的混凝土管壁允许开裂,露天管道的裂缝宽度限制值为0.3mm.裂缝宽度可用下式计算:eg对长期荷载用1.3;n对螺纹筋用1.0;Ea钢筋拉应力值;Eaa钢筋弹性模量;截面含筋率;d钢筋直径(mm)布拉茨克、克拉斯诺雅尔斯克、萨扬舒申斯克、扎高尔斯克等电站管道外包混凝土均发生了裂缝,有的缝宽大于0. 5mm.有些裂缝在充水前就己发生,是施工质量不好和气候条件引起。裂缝宽度和应力与季节有关。裂缝对建筑物运行未发现有明显影响,布拉茨克电站管道己正常运行30多年。

  22钢衬的制造和安装关于钢筋框的制作,由于三峡管道尺寸大,环向钢筋有4层,不能完全套用俄罗斯现有工艺,但可扎高尔斯克电站的方法:内层螺旋形钢筋直接绕在置于水平轴旋转台架上的钢衬上,并在此台架上,在内层钢筋上焊上钢筋制的骨架,再在此钢筋骨架上绕外层螺旋形钢筋。

  钢筋端面焊接接头检验的抽样率为1/10.对于三峡电站管道,每一管节长4m,钢衬及内支撑重50t钢筋框重约50t总重约100L钢衬与钢筋框是否联成整体后运输到现场安装就位,取决于运输及起吊能力。如果二者分别运输和安装,则先将钢衬在坝体上以悬臂方式支吊好,然后再在其外部套上钢筋框。浇筑管道混凝土以萨扬舒申斯克电站管道(钢筋混凝土壁厚1.5m标号200-300)为例,是采用专门的滑移式钢模板,可进行无缝面的连续浇筑。钢筋布置很密时,可用流态混凝土,坍落度大于20cm,不必振捣。80年代在英古里电站己应用过,但在下游坝面管尚未用过。

  在咨询会议后期,总公司、长江委及有关专家进行了专门三峡电站钢衬钢筋混凝土管道原设计方案总的安全系数K大于2. 2,钢衬、钢筋各自单独承担全部内水压力时要求安全系数均大于1.0.苏联萨扬舒申斯克电站管道K值为1.8~2.0,且按俄罗斯现行规范,K值己进一步降低。建议优化设计,适当降低K值,并选用强度更高的钢板和钢筋以减少环筋层数,取消加劲环,以简化施工。

  三峡管道可采用螺旋形外包环筋的加工方法钢衬与环筋在工厂组装好,整体运到坝面安装,这有利于钢衬和钢筋的焊接质量和简化现场施工。

  3钢衬钢筋混凝土压力管道运行情况和新技术3.1关于钢衬钢筋混凝土压力管道前苏联其他几个电站钢衬钢筋混凝土压力管道的基本情况见表1.表1前苏联几个电站钢衬钢筋混凝土压力管道情况表电站名称克拉斯诺雅尔斯克萨扬舒申斯克扎高尔斯克契尔盖依泽雅库普沙伊斯克坝型重力坝重力拱坝土坝拱坝支墩坝重力坝坝高(m)计算水头(m)管道直径(m)钢壁厚(mm)外包混凝土壁厚(m)第一层环向钢筋汾50第二层环向钢筋汾40参观的三个电站的管道混凝土管壁均可见裂缝,有些裂缝处有白色游离钙泌出。据目测,克拉斯诺雅尔斯克管道外包混凝土为六边形,下游面1~3条,侧面1~2条,缝宽一般在0.3mm以下。萨扬舒申斯克管道裂缝间距约0. 4~0.8m宽度一般0.3mm以下,个别约0.5mm.此二电站管道的有些裂缝在充水前己产生,充水后条数及缝宽增加,裂缝处均未作防护处理,运行人员认为裂缝对管道运行无明显影响。扎高尔斯克管道裂缝间距约0.3m裂缝条数少,缝宽小,目测在0. 3mm以下。第一条管道外表面己全部涂上白色防护料,己不能见到裂缝,看来俄方己决定对裂缝采取涂料封闭的保护措施。

  管道外包混凝土中的配筋,有两层,也有三层的,有1级及111级钢筋。配置的环筋量,有的相当于受力用钢量的一半,如萨扬舒申斯克,也有的按全部内水压力由钢筋承担,钢衬仅作为防渗,如扎高尔斯克。钢衬外一般不设加筋环,有的在弯段和岔管段有加劲环。

  3.2关于钢衬钢筋混凝土预制管的制作工艺扎高尔斯克抽水蓄能电站钢衬钢筋混凝土预制管道的钢衬内径7.5m用10~12mm屈服强度为320MPa的钢板卷制而成,外部无加劲环。管节长为4.4m来料钢板尺寸为9X1.5m,每块钢板一裁为二,再拼焊纵缝成整体然后卷制成管节。纵缝平行于板材轧制方向,卷制方向与轧制方向垂直,这在我国是不允许的。据称设计中该钢衬仅起防渗作用,内压全部由外包钢筋混凝土承受。

  由于钢板较薄,拼焊后的钢板直接卷绕在特制的鼓心上,焊接最后一道纵缝并探伤。该鼓心是一个曲率半径与钢衬内径相同的特制工艺设备,刚度较大,显得笨重,直径可调整。

  它也是钢衬钢筋网构架的内支撑,在外包混凝土浇筑后才撤除,为施工周转需要,共有22个。

  钢衬外部为两层⑴⑴屈服强度为350MPa的螺纹钢筋。每一管节的两层环筋均为连续的螺旋状,并组成整体网架。螺旋状钢筋网架制作的核心是钢筋对焊及绕制。对焊是在专用的钢筋对焊机上完成的。对接时两极形成电弧,将接头部分融化,并施加压力使两接头熔为一体。每对焊一个接头约1分钟。对焊机后紧接着接头修整及钢筋调直。对焊机是俄国国内生产的标准产品。这种工艺在俄国己成熟。检验方式是在对接生产线上每个管节抽取三个试样进行测定。

  将卷有钢衬的鼓心吊至转动台车上,调圆。在此台车上先将内层钢筋直接成螺旋形绕在钢衬外表面上,然后在内层钢筋上焊上钢筋支架,再在支架上将外层钢筋成螺旋状绕上。

  环筋外有纵向钢筋。钢衬钢筋网管节形成一个具有一定刚度的整体。

  预制管节的外包混凝土厚度40cm,二级配,骨料最大粒径40mm.混凝土在预制厂内特制的振动模架上(管节呈轴线垂直状态)浇筑,但振捣效果不理想,后改用插入式振捣。

  养护脱膜及拆除管节内部鼓心支撑后,管节由轴线垂直状态翻转至水平状态,装到安装台车上经有轨运输送到安装管线就位。

  就上所述,对于三峡工程,很有参照借鉴价值的是:钢筋连续对接及其在钢衬管节外部的连续螺旋形绕制。在对钢衬内支撑和外部钢筋网架采取适当加固措施后,钢衬及其外部钢筋网架在工厂内整体组装成的安装管节,具有一定刚度,可满足运输、吊装要求,这将对加快压力管道安装进度及提高质量极为有利。

  4三峡压力管道设计复核俄专家根据长江委设计院提出的三峡管道技术设计资料,对岸坡6机坝段、河床12机坝段管道各四个横剖面(上弯段末端、斜直段中部、下弯段上端、下弯段下端)进行了计算复核。

  计算采用解析法及平面有限元方法两种,计算复核完全按照俄罗斯现行规范进行,其中包括下列内容:计算环向内力的“锅炉公式”:P内水压;D管道内径。

  r运行条件系数,取1.rs钢材系数,取0.92 Asi-As钢衬、钢筋截面积;RwRs钢衬、钢筋设计强度。

  计算及复核按以下三种组合进行:(上接第4页)(11)道路的畅通是做好防汛度汛工作的保证。各施工单位要有专人负责施工道路的修复与维护,保证防汛期间车辆畅通无阻。

  3重点部位防汛预备方案根据国家防总‘凡在设计标准内的工程必须确保安全,遭遇超标准洪水则应有预备方案“的要求,对三峡工程二期上下游围堰、二期厂坝基坑,永久船闸下游引航道围堰(KL围堰)以及隔流堤等重点部位作出如下应急防汛预案:二期上游围堰度汛标准按100年一遇洪水流量83 /设计,200年一遇洪水流量88400m3/校核,设计堰顶高程88. 5m按遭遇500年一遇洪水流量94 /(相应上游水位87.4m,下游水位81.3m)的标准提出上游围堰应急防汛预案,此时上游围堰挡水位将较设计挡水位提高2. 4m为87.4m,计入波浪爬高及最大风速壅水高度0.95m,并考虑安全超高0.5m,计算堰顶高程88. 85m采用在围堰顶加设临时子堰度汛措施。子堰顺围堰顶布置,由石渣和石渣混合料填筑而成,子堰顶部高程90.0m,顶宽3.0m,上、下游侧边坡均为1:1.5.上游围堰与混凝土纵向围堰接头部位,其子堰加高可参照典型断面结构用编织袋装风化砂代替,子堰顺混凝土纵向围堰上纵堰外段堰顶布置,与上纵堰内段相连二期下游围堰度汛标准按50年一遇洪水流量79 /设计,堰顶高程81.5m按遭遇百年一遇洪水流量83700m3 /(相应上游水位85下游水位79.2m)的标准提出下游围堰应急防汛预案,此时下游围堰挡水位将较设计挡水位提高2m计入最大波浪爬高及最大风速壅水高度0.95m,并考虑安全超高0.5m计算堰顶高程80. 65m仍低于设计围堰顶高程81.5m,洪水不会漫顶,不需采取加设临时子堰的措施,但堰顶高程必须达到设计高程,顶面按设计要求设有不小于0.5m厚的碎石层。

  遭遇50年一遇洪水(相应流量79 000m3/)时,为保证二期围堰安全,二期厂坝基坑必须停止抽水,停止施工,并应于混凝土纵向围堰一线安设适量的虹吸管,作好向二期基坑充水的准备。遭遇百年一遇洪水(相应流量83700m3时,采用预先安设的虹吸管向二期基坑充水反压。基坑能移动的机械设备或重要部件突击撤离现场。

  /设计,相应挡水位76.95m,堰顶高80m,防渗体顶高程78.0m,按遭遇百年一遇洪水流量83700m3/的标准提出KL围堰应急防汛预案,此时KL围堰挡水位将较设计挡水位提高2 2m,计入最大波浪爬高及最大风速壅水高度,计算水位将高于设计堰顶高程80m由于KL围堰上下游侧均设计有块石或石渣护坡,堰顶有0.5m厚的石渣层,确定不采取加高措施,让其堰顶漫水,此时永久船闸下游基坑必须停止抽水,停止施工,并要加强观测,随时准备抢险。

  下游隔流堤顶实际施工高程:号0+ 000至1+000段为79.5m78.0m,号1+000至1+024段及其以下段为―76.0m按遭遇20年一遇洪水流量72 /(相应水位76.95m)的标准提出隔流堤的防汛预案。为防止风浪冲刷堤顶,接航道侧己有护坡,于隔流堤顶铺筑一层(厚约30cm)袋装风化砂保护。

  导流明渠按50年一遇洪水流量79 000m3/设计,遭遇超设计标准洪水时,明渠水位将漫过右岸混凝土护坡顶而冲刷混凝土护坡外侧的全强风化岩及覆盖层而造成混凝土护坡破坏,因此,需对明渠出口段右岸坡基础为全强风化岩及覆盖层部位修筑拦水堤,防止超标准洪水漫过混凝土护坡顶部冲刷其软弱基础。

  以上防汛预案将根据实时的水情气象预报由三峡工程防汛领导小组决策是否实施。(编辑:李彦芹)

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