淺議鋼襯鋼筋混凝土管道

由于輸水管道無論從構(gòu)造或者是荷載情況都和水電站的壓力管道相似，所以再設(shè)計(jì)長距離高水頭差的輸水管道時(shí)，一般都參考水電站壓力管道的研究成果。事實(shí)上輸水管道和壓力管道還是有一定區(qū)別的。有些輸水管道對管徑的要求往往并不像壓力管道那么苛刻。例如本文的張家灣輸水管道，雖然水頭差有600米，但管直徑選1米就足夠了。這樣從一定程度上，稍微減輕了高水頭給設(shè)計(jì)帶來的難度。

水電站的壓力管道是其關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)物之一。隨著水電工程的規(guī)模日益巨大，壓力管道也日趨巨型乃至超巨型化。常規(guī)的形式和設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以滿足需要，人們需要不斷探索新結(jié)構(gòu)、新材料和新方法。對于高水頭的大型水電站，常見的壓力管道形式一般是鋼管和鋼襯混凝土管。

鋼筋混凝土管耐久、價(jià)廉、變形小、節(jié)約金屬材料、制作簡便，并且歷史悠久，技術(shù)成熟。但由于混凝土抗裂性能較差，所以鋼筋混凝土管一般用于小型水電站的壓力管道和低水頭的輸水管道。但對于高水頭的輸水管道，也有工程在管道前段采用。例如四川的冷竹關(guān)水電站壓力管道，在1714～1548米水頭處，采用了襯砌厚度為40厘米的鋼筋混凝土管。

鋼管的模型容易建立，計(jì)算也簡單，但是卻有著一些缺陷。為了抵抗高水頭，鋼管的管壁一般需要消耗大量的鋼材。而管壁如果過后，不僅僅是需要更多的鋼材，還會(huì)大大增加對板材加工和安裝的難度。況且，任何的材料不可能完全的均勻，加工、焊接和安裝中也難免存在缺陷。所以壓力鋼管的失事風(fēng)險(xiǎn)，特別是經(jīng)過長期運(yùn)行后總是存在的。巨型鋼管一旦爆裂，后果不堪設(shè)想。

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道是近年來我國發(fā)展迅猛的新結(jié)構(gòu)形式。我國在80年代中期首先應(yīng)用于東江和緊水灘水電站，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過進(jìn)一步論證，在三峽水電站中，26根直徑達(dá)12.4米的壓力管道均采用了鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)很大的飛躍。鋼筋混凝土管不但經(jīng)濟(jì)，而且安全。因?yàn)閷撘r和鋼筋混凝土兩種性能迥異的材料組合在一起受力，而且各取適當(dāng)?shù)陌踩群?，要使兩者剛巧同時(shí)達(dá)到破壞而造成毀滅性事故的風(fēng)險(xiǎn)就大大的降低了。這也是三峽工程中采用聯(lián)合受力方案的主要因素。

但是鋼襯鋼筋混凝土管也有自己的缺點(diǎn)。要對這種巨型聯(lián)合體系作精確分析卻有相當(dāng)?shù)碾y度，而常規(guī)的簡單計(jì)算或線性分析又顯然不能滿足工程需要。因?yàn)樵诜治鲋?，不僅要考慮兩種體系的聯(lián)合承載，而且必須考慮鋼筋混凝土的開裂、開裂后的非線性性質(zhì)并控制裂縫寬度。為了解決這些問題，專家們引入了有限元的分析方法，而ANSYS等軟件的應(yīng)用使得這些方法變得很容易實(shí)踐了。通過有限元的分析和優(yōu)化，可以得到相對精確的設(shè)計(jì)方案。