1.2 国内外坝后背管实例介绍

在吸收苏联经验的基础上，我国在20世纪70年代开始在东江、紧水滩、李家峡等水电站成功采用了布置在坝后的钢衬钢筋混凝土压力管道，积累了设计施工经验并有所创新。特别在三峡工程上引水管道工程取得了重大科技成就。三峡水电站压力管道具有引水流量大（966m3/s），钢管直径大（12.4m），钢管水头大（计入水锤压力后最大水头139.5m），管道规模大（HD值1730m2）的特点，在技术设计阶段，在大量科学试验研究和设计计算的基础上选定了下游坝面浅槽式钢衬钢筋混凝土压力管道结构型式，这本身就是工程技术界的创举，其后在三维非线性计算、大比尺仿真模型试验、施工实时仿真分析和原型观测分析（李家峡）等方面均达到国际先进水平。由此可知近二三十年来我国在钢衬钢筋混凝土压力管道的设计、模型试验和原型观测等方面已完成大量研究工作，积累了宝贵经验，取得了重大成就。

以下将就国内外坝后背管实例介绍如下。

1.东江水电站坝后背管简介

东江水电站位于我国湖南省境内湘江支流耒水，采用拱坝坝后式厂房总体布置，安装了4台单机容量为125MW的水轮发电机组。双曲拱坝坝高157m，底宽35m，顶宽7m，坝顶中心线弧长438m，坝体共划分为29个坝段。

东江工程的引水道布置曾重点研究了上游坝面管和下游坝面管两种布置方案，经布置及结构形式比较，选用在坝身中部开口的斜面式进水口和下游坝面敷设压力管道的结构布置。引水钢管内径5.2m，斜管段外包钢筋混凝土厚度2m，坝后平管段钢筋混凝土厚度1.5m，背管剖面图见图1.2。正常高水位285.0m时，管道末端的净水压力1.41MPa，包括水锤压力在内的最大水压力约为1.62MPa，HD值为842.4m2。管道通过的最大引用流量为123m3/s，每条引水道全长约174m。

东江是我国第一个采用坝后背管的工程，设计按钢衬和钢筋混凝土筒壁单独承受内水压力进行强度校核。对于钢衬，要求在设计情况（正常水位285.0m）内水压力（包括水锤压力）作用下应力值不超过0.72σs（钢板屈服点强度），对钢筋混凝土筒壁要求内外层钢筋的平均应力值不超过1.2倍的钢筋设计强度。对16Mn钢板和Ⅱ级钢筋总体强度安全系数不低于2.5。

图1.2 东江水电站厂坝横剖面图（单位：m）

2.李家峡水电站背管简介

李家峡水电站位于青海省境内黄河干流上，水电站枢纽由拦河大坝、泄水建筑物、发电厂房和引水系统等组成。

拦河大坝为三心圆双曲拱坝，最大坝高155m，坝顶高程2185m，坝顶宽8m，坝基最大宽度45m，主坝坝顶长414.39m，共分20个坝段。正常蓄水位2180m。

泄水建筑物包括右中孔、左中孔和左底孔。中孔进口底坎高程2120m，孔口尺寸8m×10m，设计流量2×2190m3/s，底孔进口高程2100m，孔口尺寸5m×7m，设计泄量1110m3/s。

厂房采用坝后双排机布置，上游排布置两台机组，下游排厂房布置3台机组，顺水流方向单间厂房宽27.5m，双排机厂房总宽55m。电站安装有5台400MW水轮发电机组，总装机容量2000MW，年发电量5.9亿kW·h，是黄河上已建和在建的最大水电站。

引水钢管直径8m，设计水头138.5m，最大水头152.0m，HD值为1216m2，背管斜直段外包混凝土厚1.5m，上弯段外包混凝土厚2m。背管剖面见图1.3。钢管采用16Mn钢材，钢板厚度为18～40mm，管体总净重514t，总用钢量6120t。各条管道长度不等，最短为166.92m，最长为202.77m，5条管全长927.78m。

此外，李家峡水电站5条背管中有4条经论证分析后取消了伸缩节，用8m长的垫层管代替。

图1.3 李家峡水电站背管布置图（高程单位：m，尺寸单位：cm）

Ⅰ—钢管壁厚（mm）；Ⅱ—环筋面积（cm2/m）；Ⅲ—锚固筋面积（cm2/m）

3.三峡水电站坝后背管优化设计方案简介

三峡水电站在左、右岸坝后厂房内装设26台容量为700MW的水轮发电机组（其中左岸安装14台，右岸安装12台），装机容量达18200MW。按规划在2009年后，还将在右岸山体内增设地下厂房并安装6台700MW的机组，届时，三峡水电站装机总容量将达22400MW，装机台数和容量均超过当今世界上已建成的最大水电站—巴西与巴拉圭合建的依泰普水电站（18×700MW=12600MW），成为20世纪施工21世纪初建成甚至延续相当长一段时间的世界最大的水电站。三峡水电站左右岸机组采用单管单机供水，坝后式厂房。电站压力管道直径12.4m，HD值为1730m2。压力管道采用的坝后背管布置型式是浅卧在下游坝面6.47m深的预留槽内，即钢管埋入坝面以下约1/3管径，压力管道的结构型式为钢衬钢筋混凝土联合受力的型式。

在技术设计阶段即优化设计前钢衬采用了较厚的16MnR钢板和4～5层较大直径的钢筋 （Ⅱ级钢筋最大直径为φ40mm）。在技术设计审查阶段，根据马善定进行的钢衬钢筋混凝土管1∶2大比尺平面结构模型试验的成果和国内外这种管道的设计运行经验，对安全系数、钢衬、钢筋材质及配置等进行了优化。优化设计后，埋管段、上弯段、斜直段钢衬材质为16MnR，壁厚依次为26mm、28mm、30～34mm，下弯段钢衬采用了60kgf/mm2级钢板，壁厚34mm；管道环向受力钢筋从上至下全部减为三层φ36～40Ⅲ级钢筋（图1.4）。经优化设计后，节省了工程量，减少了钢筋层数，方便了施工，有利于保证混凝土的施工质量。设计总体安全系数为2.0，满足了总的强度安全要求。

图1.4 三峡压力管道布置图（高程单位：m；尺寸单位：cm）

4.克拉斯诺雅尔斯克水电站背管简介

克拉斯诺雅尔斯克水电站是修建在苏联最大河流叶尼塞河上的第一个水电站，它的装机容量为600万kW。工程于1961年开工，至1972年全部建成。大坝为混凝土重力坝，最大坝高124m；溢流坝布置在河床靠左岸部分，有7个净跨度25m的闸孔，坝顶水头10m。水电站厂房靠右岸，直接布置在坝后，厂房的长度430m，布置了12台单机容量为50万kW的水轮发电机组；水轮机输水管道是布置在重力坝下游坝面的坝后背管，为两管一机供水方式，岔管前钢管直径为7.55m，岔管后的钢管直径为9.3m，计算水头（包括水击压力）130m，HD值为1209m2，钢管壁厚为32～40mm。如图1.5所示。

图1.5 克拉斯诺雅尔斯克水电站背管布置图（高程单位：m；尺寸单位：mm）

该水电站是苏联首次采用坝后背管的工程，设计认为钢管与环向钢筋单独发挥作用，外包钢筋混凝土仅作为防护设施考虑。钢管规定的安全系数为1.5，而环向钢筋安全系数为1.1，结构总的安全系数为2.6。

5.萨扬-舒申斯克水电站背管简介

萨扬-舒申斯克水电站位于俄罗斯叶尼塞河上，电站安装了10台640MW的机组，总装机容量为6400MW，坝型为重力拱坝，最大坝高为245m，坝顶弧线长1066m。引水管道由10条坝后背管组成，在正常高水位时的工作水头范围从管道的起始段的56m到尾部的226m，若考虑水锤压力，则相应的计算水头为56～278m。大坝于1980年竣工，厂房靠近枢纽左岸布置。

钢管直径7.5m，外包钢筋混凝土厚1.5m。由于采用了钢管钢筋混凝土联合受力的设计方法，钢管壁厚大大减薄，为16～30mm，节省了钢材1.75万t，节省的投资是原技术设计阶段按旧的设计方法投资额的40%（包括钢筋单价低价于钢板单价的因素）。

设计在正常使用荷载作用下结构总的安全系数为1.8～2.0。背管剖面图见图1.6。

图1.6 萨扬-舒申斯克水电站背管剖面图（高程单位：m；尺寸单位：cm）