充分利用围岩承担内水压力是其设计的指导思想。
　　地下管道的衬砌形式除钢板衬砌外，尚有混凝土及钢筋混凝土衬砌、预应力混凝土衬砌和具有防渗薄膜的混凝土衬砌等。
　　1．混凝土及钢筋混凝土衬砌
　　混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌在低水头压力管道中应用较多，但若用于高水头情况，在内水压力作用下，混凝土衬砌难免开裂，所以应用较少。在高水头情况下，防渗和承担内水压力主要靠围岩。因此，其工作机理与不衬砌隧洞相似。衬砌主要只能起到平整洞壁的作用。为了防渗和承担内水压力，围岩必须较新鲜完整，同时，其原始的最小主压应力应不小于该点的内水压强，并有1.2～1.4的安全系数，以防在充水后围岩被水力劈裂。洞室开挖后的二次应力与充水后的三次应力不但与洞室的尺寸和形状有关，而且决定于原始地应力场。因此，确定原始地应力场是地下工程设计的重要内容。但对小型工程和在设计的初步阶段，由于地质资料不足，原始地应力场难以确定，在这种情况下，也可根据岩石的覆盖厚度初步确定管道的位置和线路。根据挪威的经验，管顶以上岩体的最小覆盖厚度应满足
　　                                             (8-57)
式中  Lr——计算点至岩面的最小距离，见图8－41；
　　  γw、H——水的容重和计算点的静水压；
　　　γr、α——岩体容重和山坡倾角；
　　  K——安全系数，可取1.2～1.4。
　　围岩的覆盖厚度除满足上述要求外，还应该是新鲜完整的，以满足防渗要求。
图8-41 围岩覆盖厚度
　　2．预应力混凝土衬砌
　　预应力混凝土衬砌是在管道充水之前在衬砌中施加预压应力，使管道充水后衬砌中不出现拉应力，或在局部只有很小的拉应力。混凝土衬砌中预压应力的施加方法主要有以下三种：
　　(1) 高压灌浆。在混凝土衬砌与围岩之间进行高压灌浆，给衬砌施加预压应力。这种方法简单可靠，应用较广，但要求围岩新鲜完整，并有足够的厚度。
　　(2) 钢缆施压。在混凝土衬砌外围预设钢缆，待混凝土强度足够后，张拉钢缆给衬砌施加预压应力。这种做法安全可靠，对围岩的要求不高，但施工复杂，造价较高。
　　(3) 用膨胀混凝土衬砌。在混凝土的凝固过程中，因自身膨胀形成压应力。若围岩不够完整或覆盖厚度不够，可在衬砌靠围岩一侧布置钢筋，使其在衬砌混凝土的膨胀过程中承受拉应力，以确保混凝土能够形成足够的压应力并减小混凝土膨胀在围岩中引起的应力。
第十节 混凝土坝体压力管道
一、混凝土坝体压力管道的特点、类型和布置
　　混凝土坝体压力管道是依附于混凝土坝身，即埋设在坝体内或固定在坝面上，并与坝体成为一体的压力输水管道。其特点是结构紧凑简单，引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好，造价低，运行管理集中方便，但是管道安装会干扰坝体施工，坝内埋管空腔削弱坝体，使坝体应力恶化。
　　混凝土重力坝和坝内钢管及坝后厂房是应用非常广泛的传统型式，近年来混凝土坝下游面压力管道也逐渐得到应用，混凝土坝坝式水电站采用坝体管道的愈加普遍。常见的混凝土坝体压力管道分为两种：坝内埋管、坝体下游面钢管(坝后背管)。
二、坝内埋管
　　坝内埋管的特点是管道穿过混凝土坝体，全部埋在坝体内。
(一) 坝内埋管的布置
　　坝内埋管在坝体内的布置原则是：尽量缩短管道的长度；减少管道空腔对坝体应力的不利影响，特别要减少因管道引起的坝体内拉应力区的范围和拉应力值；还应减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道本身的安装和施工。
　　在立面上，坝内埋管有三种典型的布置形式：
　　(1) 倾斜式布置：管轴线与下游坝面近于平行并尽量靠近下游坝面，如图8-42所示。其优点是进水口位置较高，承受水压小，有利于进水口的各种设施布置；管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行，可以减轻管道周围坝体的应力恶化；与坝体施工干扰较少。缺点是管道较长，弯段多。此外，管道与下游坝面间的混凝土厚度较小。
　　(2) 平式和平斜式布置：管道布置在坝体下部，如图8-43所示。优缺点与倾斜式布置相反。对于拱坝，坝体厚度不大，而管径却较大时，
常采用这种布置方式。
图8-42 倾斜式布置
图8-43 平斜式布置
　　(3) 竖直式布置：管道的大部分竖直布置，如图8-44。这种布置通常适用于坝内厂房，或者为了避免钢管安装对坝体施工的干扰，在坝体内预留竖井，后期在井内安装钢管。缺点是管道曲率大，水头损失大，管道空腔对坝体应力不利。
　　在平面上，坝内埋管最好布置在坝段中央，管径不宜大于坝段宽度的三分之一。这样，管外两侧混凝土较厚，且受力对称。通常在这种情况下，厂坝之间有纵缝，厂房机组段间横缝与坝段间的横缝相互错开，如图8-45(b)。坝与厂房之间不设纵缝而厂坝连成整体时，由于二者横缝也必须在一条直线上，管道在平面上不得不转向一侧布置，这时钢管两侧外包混凝土厚度不同，如图8-45(a)。
　　坝内埋管(以及其它型式的坝体管道)采用坝式进水口，其布置和设施必须满足进水口的所有要求。进水口的拦污栅一般布置在坝体悬臂上以增加过水面积，检修闸门及工作闸门槽通常布置在坝体内，紧接门槽后是由矩形变为圆形的渐变段，然后接管道的上水平段或上弯段；有时渐变段可与上弯段合并，渐变段直接联接斜直段。
　　进水口位于坝体内，过水断面较大，宜做成窄高型，渐变段要尽量短，以便较快过渡到圆形断面，这样有利于闸门结构及坝体应力。
　　应注意保证通气孔的必要面积和出口高程及合理位置，以免进气时产生巨大吸入气流，影响通气孔出口附近设备及运行人员安全。应使进口处所设充水阀和旁通管面积不过大，以免充水时从通气孔向外溢水和喷水，影响厂坝之间电气设备的正常运行。
　　
图8-44 竖直式布置
(a)                (b)
图8-45 管道在坝内的平面布置
(二) 坝内埋管的结构计算
　　坝内埋管的结构计算可以用有限元方法或近似解析法，下面主要介绍近似解析法。从与管道轴线方向垂直的平面内截取单位厚度，并假定其属于轴对称平面应变问题，其计算简图如图8-46。根据钢管、钢筋和混凝土的变形协调关系，推导出计算公式。其计算步骤如下：
　　(1) 判断混凝土开裂情况。在内水压力作用下，钢管外围混凝土可能有未开裂、开裂但未裂穿和裂穿三种情况。首先，假定钢管的壁厚δ和外围钢筋的数量(将钢筋折算成连续的壁厚δ3)，根据图9－47判别混凝土的开裂情况。
　　若混凝土未裂穿，可由下式进一步推求混凝土的相对开裂深度
　　=  (8-58)
      
      
      
式中      P——内水压强；


　　
　　图8-46 坝内埋管计算简图                         
 
 
 
 
 
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