坝内埋管的特点是管道穿过混凝土坝体并全部埋在坝体内。

(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长度;减少管道空腔对坝体应力的不利影响(特别应减少因管道引起的坝体内拉应力区的范围和拉应力值);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3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(见图4-40)。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。其缺点是管道较长、弯段较多,另外,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(见图4-41)。其优缺点与倾斜式布置相反。对拱坝,当坝体厚度不大而管径却较大时常采用这种布置方式。③铅直式布置。管道的大部分铅直布置(见图4-42)。这种布置通常适用于坝内厂房(或为避免钢管安装对坝体施工的干扰在坝体内预留竖井,后期再在井内安装钢管)。其缺点是管道曲率大、水头损失大,另外,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且管径不宜大于坝段宽度的1/3,管外两侧混凝土较厚且受力对称。通常在这种情况下,厂坝之间会有纵缝,厂房机组段间横缝与坝段间的横缝也应相互错开,见图4-43(b)。若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,故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的厚度也将不同,见图4-43(a)。若坝内埋管(以及其他形式的坝体管道)采用坝式进水口则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应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应布置在坝体内,紧接门槽后应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。有时渐变段也可与上弯段合并而由渐变段直接连接斜直段)。进水口位于坝体内时过水断面较大故宜做成窄高型,渐变段要尽量短以便能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而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太大(以免充水时从通气孔向外溢水和喷水从而影响厂坝之间电气设备的正常运行)。

图4-40　倾斜式布置

图4-41　平斜式布置

图4-42　铅直式布置

图4-43　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,有限元方法大家可参阅相关著作,本书主要介绍简单、实用的近似解析法。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(其计算简图见图4-44),然后根据钢管、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。

图4-44　坝内埋管计算简图

图4-45　混凝土开裂情况判断图

(1)判断混凝土的开裂情况　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、裂穿3种情况。首先假定钢管的壁厚δ和外围钢筋的数量(计算中应将钢筋折算成连续的壁厚δ3),根据图4-45判别混凝土的开裂情况。若混凝土未裂穿则可由式(4-58)进一步推求混凝土的相对开裂深度ψ=r4/r5,即

式中,E′=Es/(1-μ2);E′c=Ec/(1-μ2c);μ′c=μc/(1-μc);p为内水压强;r0、r3分别为钢管和钢筋层半径;Es、μc分别为钢材的弹性模量和泊松比;Ec、μc分别为混凝土的弹性模量和泊松比;σct为判断混凝土开裂的拉应力取值;Δ为钢管与混凝土间的缝隙。其余符号的含义及单位同前。式(4-58)中的ψ有双解时应取其小值,若ψ＜(r0/r5)则表示混凝土未开裂;若ψ＞1则表示混凝土已裂穿。ψ可通过试算法(即逐渐趋近法)求解,也可通过查压力钢管设计规范中的相关曲线获得。

(2)计算各部分应力

①混凝土未开裂时各部分的应力情况。混凝土分担的内水压强为(www.daowen.com)

混凝土内缘的环向应力为

钢筋的应力为

钢管的环向应力为

②混凝土未裂穿时各部分的应力情况。混凝土部分开裂时的钢筋应力为

钢管的环向应力为

式(4-65)中

③混凝土裂穿时各部分的应力情况。此时混凝土已不能参与承载活动,钢管传给混凝土的内水压强为

钢管的环向应力为

钢筋的环向应力为

上述计算是内水压力作用下的基本应力计算。除此以外,坝体荷载也会在孔口周围产生附加环向应力。故应将这两种作用产生的环向应力叠加后再进行配筋计算(若求出的钢筋数量不超过并接近假定的钢筋数量则认为满足要求。否则应重新假定钢筋数量再重复进行上述计算,直到满意为止)。

(三)坝内埋管钢衬的抗外压稳定性计算

坝内埋管钢衬抗外压失稳分析的原理和方法与地下埋管钢衬相同。坝内埋管钢衬的外压荷载主要有外水压力、施工时流态混凝土压力和灌浆压力等。计算时,施工期临时荷载不宜作为设计控制条件(而应靠加设临时支撑、控制混凝土浇筑高度等工程措施解决)。钢衬所受外水压力来源于从钢衬始端沿钢衬外壁向下的渗流(可假定渗流水压力沿管轴线直线变化)。为安全考虑,钢衬最小外压力应不小于0.2MPa。钢衬上游段承受的内压值小、管壁薄但钢衬外渗流水压大,故是抗外压失稳的重点(应该在钢衬首端采取阻水环等防渗措施,并在阻水环后设排水措施,这样可比较有效地降低钢衬外渗压)。接缝灌浆可减小缝隙也有利钢衬抗外压失稳。从各国的应用情况看,坝内埋管钢衬在放空时外压失稳的事故比较少见。