（水利工程专业论文）无粘结预应力混凝土压力隧洞的设计研究.pdf

摘要 本文通过辽宁省大伙房水库输水二期工程浅埋段压力隧洞的设计实例，提出了 运用无粘结预应力环锚技术解决浅埋深、围岩破碎洞段压力隧洞的衬砌抗裂问题。 本文对大伙房水库输水二期工程浅埋压力隧洞五个典型断面进行了有限元分析，采 用的无粘结预应力方案均能满足各种设计工况的要求。确定的方案经济合理、技术 可行、施工方便、结构安全，完全可以满足这些洞段的复杂围岩条件和长期运行的 要求。 本文共进行了以下工作： ( 1 ) 通过调研，确定采用无粘结预应力混凝土衬砌方案。主要是调查国内外 类似工程的预应力混凝土衬砌的应用、发展状况，研究本工程采用无粘结预应力混 凝土衬砌的适用性。 ( 2 ) 采用有限元分析软件a n s y s ，分别对无粘结预应力衬砌方案的预应力钢 绞线和钢筋混凝土衬砌单独建模，预应力钢绞线的单元节点与钢筋混凝土单元间通 过约束方程法建立起相互作用的关系，分析钢绞线和钢筋混凝土衬砌的应力和变 形，计算结果表明确认采用的设计参数能够满足规范要求。 ( 3 ) 通过研究解决后张法预应力环锚的关键技术，包括衬砌及锚固槽混凝土 配比、锚具及防腐系统、超挖处理和环缝止水等专题的研究，确定保障后张法预应 力方案可靠性的措施，为设计方案提供有价值的建议。 无粘结预应力衬砌技术在国内9 0 年代还鲜有应用，它在小浪底泄洪排砂洞中 的提出和成功应用成为国内首创，填补了国内空白。本设计充分吸收了小浪底工程 和近年来其它应用环锚技术的工程设计成果，对解决大伙房水库输水二期工程浅埋 复杂地质洞段衬砌设计难题起到了关键的作用。 关键词：大伙房水库输水工程浅埋压力隧洞衬砌后张法无粘结预应力环锚 抗裂有限单元法 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to f t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ed e s i g no f l o wc o v e r e dp r e s s u r et u n n e l i nl i a o n i n gd a h u o f a n gr e s e r v o i rw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t ( 2 n ds t a g e ) ，a n dt or a i s et h e u n b o n e dp r e s t r e s s e de n c i r c l e da n c h o r a g em e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo fp r e v e n t i n g c r a c k si nl i n i n go fp r e s s u r et u n n e l si nl o wc o v e r e da n du n f a v o r a b l eg e o l o g i cc o n d i t i o n s f i v er e p r e s e n t a t i v es e c t i o n si nl i a o n i n gd a h u o f a n gr e s e r v o i rw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t ( 2 n ds t a g e ) h a sb e e na n a l y s e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n df i n dt h eu n b o n d e d p r e s t r e s s e dm e t h o dc a ns a t i s f yt h en e e do fe v e r yd e s i g nc o n d i t i o n t h ec h o s e nm e t h o d h a sc h a r a c t e r i s t i ca sf o l l o w s ：p r o p e rp r i c ei ne c o n o m i c ，p r a c t i c a li nt e c h n o l o g y , e a s yo n p e r f o r m i n ga n ds a f ei ns t r u c t u r e ，s oi tc a n m e e tt h en e e do ft u n n e l sl o n g - t e r mm i m i n gi n c o m p l e xg e o l o g yc o n d i t i o n t h i sa r t i c l em a i n l yc o n c e r n e dt h ec o n t e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) i tm a i n l yc o n c e r n e do nt h er e a s o nw h yc h o o s eu n b o n d e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t e l i n i n gt e c h n o l o g y t h em a i nw a yi st oi n v e s t i g a t et h ea p p l i c a t i o na n dn e wd e v e l o p m e n t o fp r e p r e s s e dc o n c r e t el i n i n gi nc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e sa n dr e s e a r c ho nw h e t h e ri t c a nb eu s e di nt h i sp r o j e c t ( 2 ) u s et h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y st om a k em o d e lf o rc o n s e c u t i v es t r a n d s a n du n b o n d e dp r e p r e s s e dc o n c r e t el i n i n g ，b u i l dt h er e c i p r o c i t yr e l a t i o no ft h ec e l l si n c o n s e c u t i v es t r a n d sa n dc e l l si nr c ，a n a l y s et h es t r e s sa n dt r a n s m o g r i f i c a t i o no f c o n s e c u t i v es t r a n d sa n dr ct om a k es u r et h ed e s i g np a r a m e t e rc a nm e e tt h en e e do f s p e c i f i c a t i o n ( 3 ) r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep o s t t e n s i o n i n gp r e s t r e s s e de n c i r c l e d a n c h o r a g em e t h o d ，i n c l u d i n gs t u d i e so fc o n c r e t em i xi nl i n i n ga n dn o t c ho fa n c h o rp a r t ， a n c h o ra n dp r e s e r v a t i v es y s t e m ，u n w a n t e de x c a v a t i o na n dw a t e r - s t o po fr i n gp a r t i n g ， a n db a s e do nt h o s es t u d i e st or a i s et h er e l i a b l ea p p l i c a t i o nm e a s u r e sf o rp o s t - t e n s i o n i n g i n i t i a ls t r e s sm e t h o d e ，m a k es u g g e s t i o nf o ru s a g eo f t h o s et e c h n o l o g i e s u n b o n e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t el i n i n gw a si n f r e q u e n tu s a g ei n9 0 t h ，u n t i li tw a su s e d i nf l o o da n ds e d i m e n td i s c h a r g et u n n e l so ft h ex i a ol a n gd ip r o j e c tf i r s tt i m ea n df i l l e d u pt h ei n t e r n a lb l a n k t h i sd e s i g ng a i n se x p e r i e n c eo nu s a g eo fu n b o n e dp r e s t r e s s e d t e c h n o l o g yi nt h ex i a ol a n gd ip r o j e c ta n do t h e rp r o j e c t s ，a sar e s u l t ，t h ep r o b l e mo f h o wt od e s i g nl i n i n go ft u n n e l si nl o wc o v e r e dm a du n f a v o r a b l eg e o l o g i cc o n d i t i o n sc a n b es o l v e d k e yw o r d s ：d a h u o f a n gr e s e r v o i rw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t ，l o wc o v e r e dp r e s s u r e t u n n e l ，l i n i n g ，p o s t - t e n s i o n i n g ，m a b o n e d ，p r e s t r e s s e d ，e n c i r c l e da n c h o r a g e ，c r a c k p r e v e n t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 无粘结顶瓜力混凝土胝力隧删的设计研究 第一章绪论 1 1 预应力混凝土压力管道发展概况 预应力是指为了改善结构或构件在各种使用条件f 的工作性能和提高其强度而 在使用前预先施加的永久性内应力m 。 将预应力原理应用于混凝土的实践始于十九世纪八十年代。起初，预应力混凝 土主要j 、女用于桥梁、厂房屋面、储仓、罐、管、轨枕、电杆和桩等结构和构件，后 来逐步扩大到居住建筑、公用建筑、高层建筑、高耸结构、地下结构、海洋结构、 压力容器和大吨位船舶结构等各个方面。由于预应力混凝土在结构裂缝和变形控制、 管道高压防渗等方面的优越性能，自预应力混凝土产生以来，在各种环形结构如筒 仓、蓄水池、污水消化池、核电站安全壳、电视塔以及压力隧洞等结构中得到了迅 速的应用和发展p 】。应用初期，限于预应力混凝土理论研究水平、施工技术能力等 诸多因素的影响，预应力混凝土在压力管道方面的应用仅限于小管径或管径虽大但 内压不高的环形结构，在大管径、大内压的环形结构中仍趋向于采用钢筋混凝土、 钢衬钢筋混凝土或加劲压力钢管 “j 。近二三十年来，随着国内外建设事业的发展， 在我国和世界各地相继建成了一一大批高耸、巨型的预应力混凝土环形受压特种结构， 压力管道趋向巨型和超巨型化发展【l 。对于超大直径和超大内压的环形管道，钢筋 混凝土结构将面临诸如裂缝控制、防渗、防腐蚀等不易克服的技术性难题，采用压 力钢管也将是对国产高强低合金调质钢材质、厚壁钢管焊接、制造和安装技术水平、 结构耐久性等诸多方面的严峻挑战，造成施工难度增大，造价显著提升”】；预应 力混凝土由于其材料自身的优越性，不仅能够显著地节省钢材，而且通过对结构施 加预压应力，调整结构内部的应力状态，提高了结构在使用阶段的抗裂性能和刚度 h 】，有效地克服了钢筋混凝土和压力钢管这两种结构材料所不能解决或不能很好解 决的技术难题。尤其近年束，随着预应力施工机具的曰益完善，旖工技术日新月异， 许多新的施工工艺、机具设备不断涌现，使预应力混凝土压力管道施工工艺得到了 迅猛发展，国产高强钢丝、钢绞线产量的增加以及部分预应力设计思想的提出和传 播更进一步推动了预应力混凝士在环形压力管道结构中的应用。 白5 0 年代推广应用预应力混凝土技术以来，我国在预应力混凝土压力管道的设 计与施工方面已税累了丰富的成功建设经验，但不可否认，我国在预应力混凝土压 力管道建设方面还存在诸多不足，直到目前为止，国内还没有一套完全适用于预应 尤粘结顶应力混凝士压力隧洞的设计研究 逐年提高，钢绞线已可阻按国际标准大量生产1 8 6 0 m p a 级的低松弛产品。但我国预 应力筋束产品均质性较差，有待进一步提高。目前，国内外在预应力混凝土压力管 道中应用较多的是高强碳素钢丝和用这种钢丝制成的7 股钢绞线，预应力筋束抗拉 强度最高已达2 0 0 0 m p a ，其发展趋势是高强低松弛钢绞线和高强钢丝束 2 0 , 2 1 l 。 1 2 2 有粘结体系和无粘结体系 根据张拉预应力筋束与浇筑混凝上的先后顺序，在混凝土中形成预应力的方法 可分为先张法和后张法两大类。预应力混凝土压力管道主要采用后张法进行施工。 压力管道后张预应力混凝土技术按照预应力筋束与混凝土的相互关系和施工工艺可 划分为有粘结和无粘结两人体系吲。 有粘结体系是在混凝土浇筑前，在模板内按所要求的形状安装金属导管，然后 浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后将预应力筋束穿入管道并进行张拉锚固，最 后向空心管道内注入高压水泥浆。压浆应确保预应力筋束与管道内壁紧密粘结，可 改善构件的抗裂性能，保护预应力筋束不被锈蚀。这种方法需要预留导管、穿筋、 灌浆等繁杂工序，在管道壁中易造成配筋拥挤，所留导管水平位置不易控制，在浇 筑混凝土时导管可能被堵塞，灌浆不易饱满密实，硬化后孔道内部易形成空洞，有 的部位起不到粘结筋的作用。而且有粘结体系预应力筋束的摩擦损失大，在管壁混 凝土中建立的有效环向预压应力较小，将显著增加预应力筋束的用量，提高工程造 价。但有粘结体系比较可靠，受锚具失效影响小【2 4 】。 无粘结体系是在预应力筋束外部裹以塑料p e 套管，内部空隙以油脂填充，在浇 筑混凝土前将其和普通非预应力钢筋一样铺设在模板内，当混凝土达到一定强度后 张拉和锚固预应力筋束。与有粘结体系相比，无粘结预应力体系具有不需要预留孔 洞、穿筋、灌浆等烦琐工艺，施工简便，预应力筋束与混凝土问摩擦力小，混凝土 管壁中建立的有效环向预压应力较大等诸多优点。但若锚具一旦失效，无粘结体系 所锚固的预应力筋束将丧失全部预应力【2 5 。7 1 。 随着锚具体系、张拉工艺和防腐处理等的不断发展和进步，无粘结体系逐步得 到认可并广泛应用于各种预应力混凝土压力管道结构q l 28 1 。而有粘结体系，由于施 工技术成熟、经验丰富，尽管有粘结预应力体系在建立环向混凝土预应力的均匀性 方面存在一些弱点，且在平放或斜放压力管道中应用存在着上半环预应力钢绞线张 拉施工及内槽口封堵等难点，但是在竖放的水工凋压井、市政工程的污水消化池、 工业建筑的圆形储仓等方丽仍具有广泛的应用前景 无枯结顶成力混凝土t 力隧 | | i j 的设汁研究 1 2 3 预应力混凝土压力管道预应力筋束锚固支撑方法 预应力混凝土压力管道根据预应力筋束支撑方式的不同，其锚固支撑方法主要 可分为五类：外扶壁支撑、内扶壁支撑、外槽口支撑、内槽口支撑和环锚支撑 5 , 2 9 , 3 0 】。 1 2 3 1 外扶壁支撑 所谓外扶壁支撑，即在管道壁外表面沿管道轴向设置条带形扶壁进行环形预应 力筋束的张拉和锚固，如图1 1 所示。 设置外扶壁的基本原则是力求在混凝土管壁中建立起均匀的环向预压应力，尽 量减小由于预应力筋束张拉所引起的管道环向预压应力的分布不均匀性。依据该原 则可确定预应力混凝土压力管道所应设置的外扶壁数目和外扶壁沿环向的布置方 式。对于竖直的压力管道，外扶壁沿环向应对称均匀布置；对于斜放或平放的压力 管道则应考虑施工的方便和可行性确定如何设置外扶壁。从受力角度分析，外扶壁 不仅不会对原结构造成削弱，而且还有改善原结构受力性能的作用，并能增加结构 的整体刚度。对于直径较大的压力管道，为保证环向预压应力分布的均匀性，宜将 预应力筋束沿圆周分成多段分别张拉，减小环向预应力筋束的水平包角，避免过大 的预应力摩擦损失。预应力筋束沿圆周分段越多，环向预应力筋束所受的摩擦损失 就越少，管道壁在环向建立的预压应力也就越均匀。从施工角度讲，预应力筋束沿 圆周分段越多，则设置的扶壁数也相应增多，将直接导致预应力筋束锚具数量的上 升，影响压力管道结构与周围建 布置飘耐黼；3 | 作删 = 蕈丽翩j 涮；。 鎏形丽弛一蒯3 删确嘎瀵曜咧啦坶呸省澎p e 薛醮；萎剖到比拱雄酹设置；彰鸯 型棼蕉量置纠拳到引氆通过缛台技一术经巧贫砺确囊；壁方案，为使沿管壁轴向 各截面上的总有效顸压应力值尽可能的均匀分布，一般预应力筋束沿管壁轴向 布置时宜交错布置，使相邻钢绞线束锚固端错位一定角度。在实际= 【：程中，压力 管道单设一个外扶壁将会引起环向预压应力较大的分布不均匀，除非工程特殊要求， 一般很少采用。在预应力混凝土压力管道中，由于外扶壁局 部将承受很大的集中荷载，所以其构造设计非常重要。一般情况下，为满足预 应力筋束张拉端的局部承压抗裂和强度要求，设置的外扶壁应保持预应力筋束末端 在环形切线的延长线上，保证张拉面与端部的预应力筋束相垂直，以及满足张拉施 工操作空间和锚具封头保护等要求。另外，外扶壁的构造还应考虑预应力钢束的交 叉通过，纵向非预应力普通钢筋和内外拉结箍筋的合理配置，以及设置某些构造钢 无粘结预应力混凝土抓力隧洞的设计研究 l 图11 外扶壁o u t e rb u t t r e s s图1 2 内扶壁i n n e rb u t t r e s s 外扶壁压力管道施工难度较小，技术成熟，大量被各种压力管道结构所采用， 如郑州污水处理厂污泥消化池、珠江水泥厂生熟料库、南京江心洲污水处理厂污泥 消化池、大港电厂储煤筒仓、秦山核电站安全壳、大亚湾核电站安全壳、日本柳又 水电站调压井以及日本奥矢作第一水电站引水调压井等。 1 2 3 2 内扶壁支撑 所谓内扶壁支撑，即在管道壁内表面沿管道轴向设置条带形扶壁进行环形预应 力筋束的张拉和锚固，如图1 2 所示。 分析预应力混凝土压力管道力的平衡系统，由于荷载在管壁混凝土中产生的拉 力是均布的，而环向预应力筋束产生的压力是集中的，所以在管壁混凝土中将会引 起局部横向拉应力，该拉力将导致管壁产生垂直撕裂裂缝。将环向预应力筋束紧靠 管壁外表面布置将减少该拉力，反之若紧靠内表面布置会增加该拉力。因此，环向 预应力筋束一般应尽量布置在管壁外侧。但内扶壁作为张拉、锚固环向预应力筋束 的受力承台设置于管道壁内表面，环向预应力筋束需要引到内扶壁上进行张拉和锚 固，这将导致预应力筋束有较大的曲率变化，环向将产生较大的局部弯矩和剪力。 为避免或尽量减小预应力筋束张拉造成的局部次应力，设置的内扶壁应使预应力筋 束从管壁外环向内环转向时具有较小的内弯曲率并采用较大的包角( 一般为 8 0 。 3 6 0 。) ，预应力筋束上下层应交错布置，力求环向预应力筋束在管壁中引起的内力 尽可能的均匀分布。 与设置外扶壁样，设置内扶壁对整体结构也不会产生不利的削弱作用，但内 扶壁的存在将减小管道结构内部的有效使用空间，尤其对有排水要求的压力管道如 水电站引水涮、排砂洞等结构将减弱它的通排能力；内扶壁的存在使管壁原本光滑 无粘结预应力混凝土胜力隧7 阔的设计研究 连续的内表面变成带有突起的非连续筒面，削弱了管壁内表面良好的过水特性，导 致水流通过管道时将承受较大的摩阻力。同时内扶壁由于向内凸起，在水流作用下 尤其是受到挟砂高速水流的作用，内扶壁局部将受到较大的磨蚀作用，如果内扶壁 局部构造处理不好，将直接威胁到锚具和预应力筋束的防腐性能，增加结构的维护 费用，影响结构的长期安全运行。 对于水电站中井式调压室或压力隧洞等一些圆形压力管道结构，当在其外表面 施加环向预应力比较困难时，一般可考虑在管壁内表面设置内扶壁支撑，如意大利 c h i o t a s p i a s t r a 抽水蓄能电站主调压井、b r a s i m o n e 水电站凋压井和t a l o r o 抽水蓄能 电站引水调压井等。 1 2 3 3 外槽口支撑 所谓外槽口支撑，即在管道壁外表面沿管道轴向开设槽口进行预应力筋束的张 拉和锚固，如图1 3 所示。 外槽口支撑压力管道在满足设计要求的前提下，既不增加多余的工作量，也不 影响结构的整体外观，且便于管道结构滑模施工。但开设槽口是对原结构的一种削 弱，结构整体刚度减小，管道壁混凝土中建立的预压应力沿环向分布均匀性减弱； 在张拉过程巾及张拉完成后，外槽口及其附近区域应力发展及分布十分复杂，局部 应力集中，易于引起构造裂缝，如果处理不妥，对锚具和预应力筋束的防腐耐久性 能以及压力管道正常运行期间变形和裂缝控制均有较大影响。 为使环向预应力筋束在管壁混凝土中产生的预压应力尽可能分布均匀，一般力 求增大相邻槽口沿管道纵轴向的间距，采用预应力变角张拉工艺对结构施加预应力， 改变原有的直线张拉方法，以缩减槽口开洞尺寸，尽量减少槽口开洞对整体结构受 力的影响。 无粘结预心力混凝土胝力隧涮的设计研究 图1 3 外槽1 2 1o u t e r b l o c k o u t 图1 4 内槽口i n n e r b i o c k o u t 1 2 3 4 内槽口支撑 所谓内槽口支撑，即在管道壁内表面沿管道轴向开设槽口进行预应力筋束的张 拉和锚固，如图1 4 所示。 这种支撑方式与设置外槽口相似，由于压力管道环形截面在张拉阶段被削弱， 槽口附近应力复杂，为避免在张拉端产生裂缝，设计时应采耿相应的措施。同时， 将外圈环向预应力筋束引到内槽口进行张拉锚固时，由于预应力筋束曲率变化较大， 与内扶壁支撑方式一样，在环向将产生较大的局部弯矩和剪力。为了尽可能使环向 预压应力均匀分布，一般预应力筋束应采用较大的包角，如清江隔河岩引水压力隧 洞的预应力筋束包角为3 8 0 。 1 2 3 5 环锚支撑 所谓环锚支撑，即沿管道轴向在管道壁内表面或外表面开设槽v i 并在槽口内设 置可移动的环形锚具，预应力筋束以该锚具作为张拉和锚固承台，槽口只起放置并 封堵保护环形锚具的作用，如图1 5 所示。 环形锚具集张拉和锚固于一体，是针对环形预应力混凝土结构特点发展起来的 专项技术，最早于7 0 年代初由意大利v s l 国际预应力公司开发并应用在多条水工 压力隧洞的预应力混凝土衬砌结构中( 如v s lz u 6 6 型环锚) 。9 0 年代初，我国在 o v m 锚固体系的基础上开发研制出大吨位环形锚具o v m ( h v m ) 一h m 锚并在清江 隔河岩水电站引水隧洞预应力混凝土衬砌中得到成功应用。这种锚固方法不需要承 压垫板，不存在锚固端的局部应力集中问题，预应力摩擦损失也较小( 相当于两端 张拉) ，同时预应力筋束一般采用3 6 0 。或7 2 0 。包角，使整个预应力筋束形成一个 无粘结预应力混凝土j 玉力隧洞的设计研究 完整的环形锚束，中问不存在局部空白区域或重叠区。但当在管道内侧槽口环锚支 撑时，因预应力筋束内弯产生的局部应力有导致局部裂缝的可能，所以应加强陔区 域的构造措施。 一一 、 a ) 外槽口环锚支撑o u t e r b l o c k o u tb ) 内槽口环锚支撑i n n e r b l o c k o u t 图1 5 环锚支撑r i n g - l i k ea n c h o r a g es u p p o r t 对预应力的施加方式除上述五种外，还有其他形式，如前苏联压水型反应堆厂 房的安全壳筒壁采用双向交叉的螺旋线预应力筋束布置方案，螺旋线形筋束与水平 面呈3 5 。左右倾角，其上端锚固于环梁，下端锚固于环形张拉廊道的顶部，管壳不 设扶壁。采用该种方式施加预应力，不仅设计复杂而且施工难度大，仅应用于特定 环境中的特殊结构，在一般压力管道建设中除非不得以外很少采用。无论采用哪种 锚固方式，张拉完毕后，均应及时对锚固区加以保护。 1 2 4 预应力混凝土压力管道锚具选择及张拉施工工艺 无论外扶壁支撑、内扶壁支撑、外槽口支撑或是内槽口支撑，预应力混凝土压 力管道均采用群锚体系锚固预应力筋束。 在国外，预应力技术经过多年的发展，应用技术已比较完善。几乎每家从事预 应力的大公司都有自己的一套完整的预应力张拉锚固体系，而且随着钢绞线群锚体 系的发展及在整个预应力体系中所占比重的迅速增大，许多公司也都研制了自己的 钢绞线群锚体系。比较有代表性的预应力张拉锚固体系如法国f r e y s s i n e t 体系、 瑞士v s l 体系、英国c c l 体系等。由于国外技术的专利与保密，我国在预应力张 拉锚固体系方面的研究和生产技术一直滞后于国际先进水平。长期以来，以采用传 统的预应力锚夹具为丰，而钢绞线锚夹具长期依赖进口。直到1 9 8 7 年x m 和q m 预 无粘结顶成力混凝十l t , i ；j 隧；问的设计研究 展，环形预应力混凝土技术已广泛应用于水电水利工程压力隧洞和凋址井、核电站 安全壳、一 业储料仓、市政工程消化池和蓄水池等诸多领域，环形预应力筋束的锚 固支撑方法由于受现场地形、施工条件和技术能力等因素的制约也趋于多样化、实 用化，对于一些领域的环形预应力结构，其预应力筋束锚固支撑方法则趋于定型化。 预应力混凝土压力管道部分：工程应用实例概况如表1 1 所示3 8 6 7 1 。 表11预应力混凝土压力管道部分工程实例概况 国建设预应力筋束锚固支撑方法、锚 工程名称压力管道概况 家年代及张拉控制力具预应力筋束包角 总计4 3 2 0 个锚具 1 ”洞长7 1 09 5 r n 、 槽，与垂直中心线 黄河小浪底 由 1 9 9 7 2 。洞长7 2 3 m 、3 ”洞 无粘结高强低松 成- i - 4 5 。交替布置 长7 3 5 0 5 m ，总长弛钢绞线 2 排内槽口环锚，计 排沙洞衬砌国2 1 6 9 m ，内径6 5 m ，8m 1 5 7 5 0 0 r n m ， 3 2 4 0 个；与垂直中 1 9 9 8 心线成6 0 。交替 衬砌厚度0 5 m ，内 p 。= 1 6 7 4 k n 布置2 排内槽口环 压1 2 m p a 锚，计1 0 8 0 个。v s l z 6 1 2 ，od = 7 2 0 。 高强预应力筋束 与垂直中心线成2 5 天生桥一级水电 由 1 9 9 7 洞长3 9 0 2 m ，内径 1 2 巾。1 52 4 刨0 0 耐 。和7 5 。交替布置 站 国始建 9 6 m ，衬砌厚度 1 4 士1 1 5 2 4 喊3 3 0 m4 排内槽口环锚， 引水隧洞 0 7 r n ，内压1 3 m p a p 一= o v mh m l 5 op = 3 6 0 2 4 5 2 5 1 诤c 2 9 4 3k n 1 、3 洞总长3 0 2 m ，高强钢绞线束， 14 、3 4 洞内槽口， 内径9 5 m ，衬砌厚 巾1 1 52 4 0 0 m m o m l 5 - 1 2 ，0p - - 3 8 0 隔河岩水电站 中 1 9 9 3 09 0 r e ；o m ： 引水隧洞 国 2 # 、4 。洞总长3 0 0 m ， p 一= 2 1 2 6 7 k n ： 2 4 、4 。洞内槽口环 内径95 m ，衬砌厚 o v m ：锚，o v m h m l 5 ，op 0 7 5 m ； p 一一2 2 6 8 5 k n ： = 3 6 0 。 日本 1 座生料库、2 座 s w p r 7 a 1 52 高 沿管壁外环均布4 珠江水泥厂 由 熟料库。高度6 4 m ，强钢绞线， 生( 熟) 料库国 1 9 9 8个外扶壁，0 t 4 1 5 - 9 ， 内径2 5 m ，壁厚 9 中1 1 52 04 m 3 0 0 ”6 0 0 m m ： 0p = 1 8 0 。 p 。= 1 5 1 8 k n 郑州污水处理厂 由 4 座污泥消化池， 无粘结高强低松 污泥消化池 国 2 0 0 1 高1 5 4 5 m ，内径 弛钢绞线 沿管壁外环均布4 2 中1 1 5 2 1 0 r n m “ 个外扶壁，b m ，op 5 0 m ，壁厚0 5 m = 1 8 0 。 4 由1 1 5 2 3 0 m m 南京江心洲 中 6 座，高1 7 3 m ， 无粘结高强钢绞沿筒壁外环均布4 污水处理厂 国 1 9 9 1 内径2 4 0 4 m ，壁厚 线束，个外扶壁， 3 “4 m 。1 2 7o v m l 3 - 1 ，0p = 1 8 0 污泥消化池0 4 m 2 0 0 “3 0 0 m m 无粘结预应力混凝十住力隧洲的设计 i j f 究 国建设预应力筋束锚固支撑方法、锚 工程名称压力管道概况 家年代及张拉控制力具预应力筋束包角 柳又水电站日 高3 14 l t i ，内径 1 2 巾8 m m 高强钢 沿管壁外环均布6 2 5 m ，壁厚0 4 m ，个外扶壁，夹片锚， 调压井 太 丝束 内压03 m p a 。 0p = 1 2 0 。 奥矢作第一水电日 高5 0 m ，内径 1 2 m8 n r n 高强钢 沿管壁外环均布8 1 66 m ，壁厚06 m ，个外扶壁，夹片锚， 站引水调压井 太 丝束 内压03 m p a 。 0p 一1 8 0 。 2 条各长2 1 3 0 m 和 无粘结高强钢绞 与垂直中心线成6 0 p r e s e n z a n o 思 1 9 8 8线束 大 2 2 9 5 m ，内径 6 m 1 1 5 2 4 。交替布置2 排内 水电站引水洞 5 6 0 m ，衬砌厚槽口环锚v s l 利 1 9 9 0 3 0 0 ”5 8 0 m m 0 5 2 mz u 6 6 0p 一3 6 0 。 p 一一1 0 7 5 k n 引 2 段总长1 9 7 m ，内 无粘结高强钢绞 与垂直中心线成4 5 水 径6 8 0 m ，衬砌厚线束 。和7 5 。交替布置 g r ir r l s e l 抽水 洞 0 40 i i ，内压g 由1 5 2 4 2 0 0 m m 4 排内槽口环锚， v s i _ z u 6 6 ，0d = 瑞 19 7 7 “ 0 7 5 m p a 。 p o 。= 1 1 0 0 k n 3 6 0 。 蓄能电站士 1 9 7 8 长6 0 m ，内径无粘结高强钢绞 沿管壁内环均布6 尾 6 8 0 m ，衬砌厚线束6 由 个内槽口环锚，v s l水 06 0 m ，内压15 2 4 2 4 0 n z n 洞z 6 1 2 ，0d = 3 6 0 。 1 4 m p a 。 p 一= 2 1 8 0 k n t a i o r o 思 1 9 7 5 4 段总长4 9 5 m ，内高强钢绞线束与垂直中心线成4 5 抽水蓄能电站大 径5 5 m ，衬砌厚6 巾。1 5 2 4。交替布置2 排内 0 4 5 m ，内压 3 0 0 。3 6 0 m m ，槽口环锚，v s i _ 引水洞利 1 9 7 6 0 9 m p a 。 p 。= 1 1 6 1 州z u 6 6 op = 3 6 0 。 高强钢绞线束上 高9 06 m ，内径部1 3 高度5 中沿管壁内环均布2 t a i o r o 抽水蓄能 息 1 48 m ，衬砌厚15 2 4 7 5 0 ： 个内扶壁，e e 6 - 5 、 电站引水调压井 大 1 9 7 5 08 m ，内压 下部2 3 高度 e e 6 1 9 ，0p = 1 8 0 利 0 9 m p a 。 1 9 巾1 5 2 4 2 5 0 。7 5 0 音 高度6 1 m ，内径 高强钢绞线束沿管壁内环均布3 b r a si m o r e r 曲 1 9 7 3 11 2 巾1 1 5 2 4 + 个内扶壁，e e 6 - 1 2 、 水电站调压并 大2 6 m ，衬砌厚0 7 m ， 利 1 9 7 41 9 巾。1 5 2 4e e 6 1 9 ，op = 1 2 0 内压06 m p a 。 15 0 “4 0 0 m m 高度9 0 m ，内径高强钢绞线束 沿管壁内环成1 3 5 s a n f i o rr p o 思 1 9 7 1 “8 2 m ，衬砌厚0 6 m1 2 m 1 1 5 2 4 。+ 1 3 5 0 + 9 0 。 水电站调压井 大交替布置3 个内槽 利 1 9 7 3和0 8 m ，内压 2 0 0 1 0 0 0 m m 口环锚，v s l z 6 1 2 ， 1 o i p a 。p 一2 1 8 0 k n 0p = 3 6 0 。 1 3 预应力混凝土压力管道研究现状与进展 1 3 1 预应力混凝土压力管道设计思想的发展 预应力混凝土压力管道的发展与预应力混凝土的设计水平密切相关。 早期预应力混凝土理论认为施加预应力是为了把混凝土变成弹性材料，其目的 无枯结顺应力混凝土胜力隧 h 的设计研究 只是为了改变混凝土的性能，变脆性材料为弹性材料。为保证结构或构件在正常使 用期间不出现裂缝，作用在结构或构件上的预压应力须超过外部荷载产生的拉应力， 形成全截面受压混凝土，即结构或构件采用“无拉应力”或“零应力”作为预应力 混凝土的设计准则。囿于理论水平的不足，初期预应力混凝土压力管道均按此准则 进行设计，结构设计水平处于全预应力阶段。 随着对预应力混凝土认识的深入，把预应力混凝土按照抗裂性分为严格要求不 出现裂缝、一般要求不出现裂缝和容许出现裂缝三类，裂缝控制等级分属于一级、 二级和三级，对前两类计算方法采用应力控制，也即把预应力划分为全预应力( 对 应抗裂一级) 和部分预应力( 对应抗裂二级、三级) 。按全预应力设计的结构抗弯承 载能力安全系数偏大，浪费钢材；在恒载小活载大的条件下，预压区混凝土长期处 于高压应力状态将引起大徐变，造成较大的预应力损失；由构件约束所引起的拉应 力有可能造成严重的裂缝，过大的预压应力也将引起沿预应力筋束方向的水平裂缝。 而部分预应力设计有利于节约预应力钢材，减小混凝土徐变引起的预应力损失，同 时由于配置有普通钢筋，破坏时具有较大的延性和能量吸收能力，有利于结构的抗 震；预压应力的降低也有利于局部裂缝问题的解决。实践证明，部分预应力混凝土 既具有全预应力混凝土与钢筋混凝土二者的一些主要优点，又基本上排除了两者的 主要缺点，目前已逐渐成为预应力混凝土压力管道的主导设计思想。 1 3 2 预应力混凝土压力管道设计理论与方法现状与进展 到目前为i ，国内外预应力混凝土压力管道的工程设计仍然以完全弹性理论为 基础。在进行管道设计时，往往将预应力筋束和普通钢筋按含钢率大小等效为薄钢 板层，并将环向预应力简化为均布线荷载作用在混凝土管壁上。显然，这种结构简 化仅与预应力混凝土压力管道正常运行期间的受力情况比较相符，而在预应力混凝 士压力管道施工期间，由于预应力是以外部荷载的形式作用在混凝土上，预应力筋 束对结构整体刚度并没有贡献。对于有粘结预应力体系，在施工阶段还需考虑预留 孔洞对结构整体的削弱作用。有时为了计算的方便，将预应力筋束、普通车冈筋和混 凝土三者的弹性模量折算为等效弹性模量，管壁按照均质厚壁圆筒理论进行设计。 但无论采用那种简化模式，由于对压力管道环向预应力筋束作用机理认识上的不足， 均不能完全作为预应力混凝土压力管道设计的依据，还需要结合压力管道三维有限 元分析进一步校核施加于预应力混凝上压力管道上的预应力，通过反复调整试算， 最终确定合理的预应力筋束数量及其布置形式，整个设计过程比较繁杂【72 1 ”j 。近几 无粘结俪府雨泊澍手庠万暗i 蠡甜 ；( 薯删峰 骢醢墨! 私帮半笳龄够雀羼掣华碍嬲翦贮跳托骈驰融n 一弱静彬藕。最矗笮坦验罂型 貉；髫型曩揣掣加拦籀割嘉 ；菩i 苇套蔫搿荔懈磐烈驯聪磊叫菲j 澄咎穗罂昝旌 镦措蕉翠森疆擎谊娶蚕i 新 无粘结顶应力混凝上胜j 隧删的啦计研究 第二章大伙房水库输水二期工程隧洞衬砌方案比选 2 1 大伙房水库输水二期工程概况 辽宁省大伙房水库输水：工程是以大规模、跨流域调水为主要任务的大型输水工 程。该工程一期主体为长8 5 3 2 k m ，成洞洞径7 1 6 m 的自流式输水隧洞，通过一期工 程将浑江水调往大伙房水库，经过大伙房水库调节后，通过二期工程的隧洞和管路 向扰顺、沈阳、辽阳、鞍山、盘锦、营口六个城市供水，各城市供水能力为：抚顺 5 7 x 1 0 4 t d 、沈i j h 2 7 7 x l0 4 t d 、 zf h 7 6 x 1 0 4 t d 、鞍1 1 1 7 3 1 0 4 t d 、营口7 0 x 10 4 t 从盘锦 6 4 x 1 0 4 t d 。 二期输水隧洞为有压洞，圆形断面，成涮洞径6 m ，从取水头部到刘山出口，全 段总长为2 8 9 4 4 k m 。两段管道连接段将整个输水隧洞段分隔为三段，第段隧洞 ( 0 + 0 6 8 m - 5 + 3 l l m ) 长度为5 2 4 3 k m ，坡度为1 1 4 o ；第二段隧洞( 7 + 3 3 1 m 2 2 + 6 7 4 m ) 长度为1 5 3 4 3 k m ，坡度0 7 4 o ：第三段隧洞( 2 4 + 1 7 0 m - 2 9 + 0 1 2 m ) 长度为4 8 4 2 k m ， 坡度0 7 4 。隧洞段合计2 5 4 2 8 k m 。 穿越东洲河段( 桩号5 + 3 1 l m 7 + 3 3 1 m ，段长2 0 2 0 m ) 采用管道连接；塔峪段( 桩 号2 2 + 6 7 4 m 。2 4 + 1 7 0 m ，段长1 4 9 6 m ) 采用圆形暗涵连接。 输水管线线路全长2 3 1 4 k m ，其中： 输水洞出口一沈阳配水站l 输水线路长约1 7 0 k m ；为2 x d n 3 2 0 0 p c c p 管道； 沈阳配水站1 一沈阳配水站2 输水线路长1 6 4 k m ，为2 x d n 3 2 0 0 p c c p 管道； 沈阳配水站2 一辽阳配水站输水线路长5 2 7 k m ，为2 d n 2 4 0 0 p c c p 管道； 辽阳配水站一鞍山配水站输水线路n ：2 8 7 k m ，为2 d n 2 4 0 0 p c c p 管道； 鞍山配水站一营盘配水站输水线路长4 1 3 k m ，为l x d n 2 4 0 0p c c p 管道： 营盘配水站一盘锦配水站输水线路长4 3 6 k m ，为l x d n l 4 0 0 玻璃钢管道； 营盘配水站一营口配水站输水线路k 3 1 7 k m ，为1 x d n l 8 0 0 玻璃钢管道。 输水管线沿线配有各种阀井，包括稳压井、空气阀井、泄水阀井、检修阀井等。 本工程主要建筑物包括输水隧洞、输水管道、加压泵站、配水站及净水厂等。 本区属温带季风型大陆性气候，冬季严寒、二f 燥，夏季温热、多雨。降水主要 集中在6 9 月。 本地区地理位置在北纬4 0 。以北，多年平均气温在5 9 之间。全年气温1 月 最低，在9 c 1 6 。0 之间，极端最低气温为2 8 4 0 。7 j 4 最高平均在2 2 。c 2 5 ， 尤粘结倾应力混凝土胜力隧涮的蹬计研究 第三章大伙房水库输水二期工程预应力隧洞应力计算条件 3 1 应力计算基本条件 3 1 1 设计采用的相关规范 预应力混凝土隧洞衬砌设计研究中参考了大量规范，以下列出主要使用的1 1 个 规范。 水利水电工程结构可靠度设计统一标准g b 5 0 1 9 9 - 9 4 水工建筑物荷载设计规范d l 5 0 7 7 1 9 9 7 水工隧洞设计规范s l 2 7 9 2 0 0 2 水工混凝土结构设计规范s l t1 9 1 9 6 无粘结预应力混凝土结构技术规范 j g j t9 2 9 3 钢绞线、钢丝束无粘结预应力筋 j g 3 0 0 6 9 3 无粘结预应力筋专用防腐润滑脂 j g 3 0 3 5 9 6 预应力筋用锚具、夹具和连接器 g b t1 4 3 7 0 预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规范 j g j8 5 9 2 预应力用液压千斤顶j g t5 0 2 8 9 3 混凝士结构工程施工及验收规范 g b5 0 2 0 4 3 1 2 典型断面选择 根据地质资料报告分析，选取以下五个典型断面分别进行应力计算，确定预应 力参数。 典型断面1 ：位于0 + 6 3 0 m 的心太河，洞底板高程9 8 2 2 m ，该处洞顶以e 埋深l o m ， 洞室围岩以全、强风化花岗质片麻岩为主，按i v 类围岩考虑。围岩天然密度为 2 8 2 9 c m 3 ，单位弹性抗力系数取k22 0 m p a c m ；内水压力取5 0 m 水头。 典型断面2 ：位于5 + 1 0 0 m 处，靠近东