压力管道结构设计原则

1.强度设计

强度设计的原则是：①钢衬厚度按明管单独承受全部内水压力（含水击压力）进行计算，其允许应力为0.55倍钢板屈服应力；②压力管道按整体极限状态进行设计，钢衬及钢筋的应力不超过有关规范规定的极限值；③钢衬及外包钢筋混凝土共同承担内水压力、温度应力及坝体应力引起的压力钢管道附加应力；④外包钢筋混凝土按限裂设计，允许裂缝宽度为0.3mm；⑤考虑软垫层施工方便，压力钢管抗外压稳定设计采用加劲环。遵上原则，设计选定的结构配置：钢衬为16MnR 钢板，厚度18～32mm；外包钢筋混凝土布置2层直径分别为Φ32mm、Φ36mm环向钢筋，另在二期回填混凝土外侧布置1层Φ28mm层面构造钢筋。最大配筋量为沿管道轴线每延米环向钢筋面积132.57cm2。

2.二期回填混凝土与坝体混凝土连接设计

引水压力钢管预留槽沿管轴线长约60.0m，二期回填的钢管槽混凝土与先期浇筑的坝体混凝土龄期相差较长，在接触缝面存在多种荷载组合下的应力。因此，妥善解决二期回填混凝土与坝体混凝土的接触缝面连接对压力管道安全运行至关重要。设计采用了以下措施：

（1）底部采用连接插筋并凿毛处理，侧面采用键槽光面处理。考虑坝体混凝土浇筑层较高，平行于管轴线方向钢管槽底设置27个高1.5m的台阶，在台阶立面布置Φ25mm插筋承受缝面拉应力及部分剪力。在二期混凝土回填前，对钢管槽底部坝体混凝土均需作凿毛处理，以确保钢管槽底部一、二期混凝土结合紧密。在预留钢管槽两侧布置梯形浅键槽，槽深20cm，以承担接触面沿管轴方向的剪力，在二期混凝土回填前缝面做光面处理，以保证坝体一期混凝土只承担压应力而不承担拉应力，同时削弱钢管顶部外包混凝土的温度应力。

（2）鉴于上弯段钢管结构的复杂性和重要性，上弯段前半部分及渐变段管周混凝土与坝混凝土整体浇筑，并设置连接拉筋，以提高强度和刚度。(www.xing528.com)

（3）预留钢管槽二期混凝土回填，采用低热微膨胀水泥补偿收缩混凝土。预留钢管槽周围的坝体混凝土在二期混凝土回填时均已达到设计标号，约束刚度大且为三面约束，为采用低热微膨胀水泥混凝土提供了极为有利的约束条件。采用低热微膨胀水泥混凝土，利用其低热及微膨胀的特点，可以加大浇筑层厚，提高施工进度。同时使一、二期混凝土结合紧密，降低施工期温度应力，改善钢衬受力条件，提高外包混凝土的抗裂性能。

3.垫层设计

垫层材料的物理力学性能，关系到压力钢管能否安全可靠地运行。根据万家寨地区气候特点及结构要求，垫层材料需具有弹模小、压缩变形小、抗渗、抗冻、耐腐蚀且保温性能好等特性。通过对聚乙烯、聚苯乙烯、橡胶等垫层材料进行多项试验，并进行综合技术经济比较，选定高压聚乙烯低发泡塑料作为浅埋式压力钢管的软垫层。考虑到二期回填时流态混凝土对其压缩作用，其设计弹模值取1.0～2.0MPa。通过计算，在结构允许的条件下，选取不同的垫层厚度以充分发挥钢衬及外包钢筋混凝土的承载力。

设计选取的垫层厚度：上弯段2cm，斜直段及下弯段为3cm；垫层设计包角220°；垫层周长14.4m，包角末端垫层厚度由2cm（或3cm）在1.0m 范围内渐变为0.5cm，以减小钢衬及外包混凝土的局部应力集中。

为防止钢管周围渗水长期浸泡垫层材料，引起垫层材料老化，影响垫层传载效果，在敷设垫层范围内设置环向排水钢管以加强排水。