水电站输水系统设计理论与工程实践(第五章)_系统工程理论与实践
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水电站输水系统设计与工程实践
第五章
水电站输水系统结构设计
水电站水道系统的建筑物是多种多样的，河岸式进水口、塔式进水口为框架结构；隧洞、地下埋管、调压室、地下岔管为地下结构；坝式进水口、坝内管、坝后背管、调压塔等为钢筋混凝土结构；明管、钢岔管为钢结构。所以水电站水道系统结构设计与计算是结合水电站水道系统受力特点、复杂的边界条件所进行的地下结构、钢筋混凝土结构和钢结构的设计与计算。由于地下结构存在衬砌和不衬砌的差别，存在不同的衬砌和支护方式，因此结构设计与计算的问题更为复杂。
第一节
地下管道结构设计
一、设计理论与结构发展
合理利用围岩的自身稳定性与承载能力，研究围岩与建筑物在不同受力状态下的相互依存关系，是地下结构设计的重要问题。我国在水工隧洞、地下埋管、调压室的设计理论与结构发展方面，在进行大量科学研究、工程建设、运行实践的基础上，吸收国外的先进经验，取得了较大的进步。从50年代以研究衬砌弹性阶段工作为主，发展到目前以研究围岩与衬砌在不同状态下联合受力进而以围岩为主的设计理论；从把围岩当作一种作用在衬砌上的荷载，到研究加固围岩、充分发挥围岩的作用和自承能力；从利用结构力学方法进行近似计算，到利用计算机运用有限元、边界元等方法分别考虑衬砌和围岩及不同介质的线弹性、非线弹性及塑性的计算，进而研究把水压力按体力考虑的透水衬砌设计理论。1.围岩分类与地应力
70年代以前，我国沿用普氏理论对岩体进行分类，这一理论对于强烈破碎的岩体和松散地层较为适宜，但把存在一些节理、裂隙、断裂等的各种岩体都视为散体，显然与实际情况不符。工程实践证明，要正确地、科学地评价各类围岩的稳定性与承载力，不但要有定性评价，还必须有一些定量指标加以区别。我国目前采用的水利水电围岩分类表是经已建工程的实践后简化制定的，有初步与详细分类两种，以适用于不同的勘测设计和施工阶段。
在地应力的判断与分析方面，近年所使用的方法有：
（l）经验法。以自重理论为依据，结合围岩主要的构造节理，分析水平应力与垂直应力的比值，判断围岩的应力；
（2）有限元分析法。根据地形及已知地应力场等边界条件，计算所求部位的地应力；（3）实测地应力法。根据现场实测地应力资料，通过计算求出各组节理面上的地应力；
（4）水力劈裂试验法。我国在天荒坪电站现场成功地完成了静水头近700m的水力劈裂试验。
2.隧洞衬砌应力分析理论
我国在隧洞衬砌计算理论的发展过程，大致可分为三个阶段：
（1）在50年代，我国建造的圆形断面的引水隧洞，一般其承受的内水压力不超过60m水头，多按抗裂理论进行计算，限制混凝土的拉应力不超过其允许的拉应力。采用这一抗裂理论，对围岩较好、水头不高的隧洞，一般衬砌厚度不大、钢筋用量不多，即可满足要求。我国在以衬砌为主的弹性理论计算方面已有一套比较完整的计算方法。50年代建造的一批引水隧洞，衬砌厚度多为1／8～1／12隧洞直径，钢筋用量则随地质参数与作用水头的变化，采用混凝土、单筋混凝土或双筋混凝土，配筋率0～2％。，多数隧洞直今运行安全，无异常现象。这一理论的不足之处是按抗裂衬砌设计中的钢筋未能充分发挥作用，另一方面由于衬砌有较大的刚度，限制了洞径的变形，使得本来可以利用的围岩支承作用得不到发挥，在围岩弹性抗力较低或内水压力较大的地段，为满足混凝土不开裂的要求，往往需要加大衬砌厚度或提高混凝土标号。而衬砌刚度的加大又加大了衬砌自身承受的荷载，更加限制了围岩的作用，既不合理也不经济。同时，衬砌产生裂缝的原因比较复杂，即使按抗裂设计也不能防止衬砌不开裂，许多隧洞在施工期就有裂缝出现，充水运行后虽有量的增减，但无质的区别。
（2）60年代至80年代，隧洞的衬砌计算，允许混凝土或钢筋混凝土出现裂缝，但要限制裂缝的宽度，以保证衬砌的受力条件。一般裂缝宽度限制在0.2～0.3mm，对有侵蚀性的水质，最大计算裂缝宽度则限制在0.15～0.25mm。只在隧洞衬砌开裂后，内水外渗将危及围岩和相邻建筑物的安全时，隧洞衬砌须按抗裂标准设计。对于仅作为平整围岩表面的衬砌，则不作限裂要求。
（3）80年代以后，随着水电事业尤其是抽水蓄能电站的发展，相继出现了许多大直径、高内压的钢筋混凝土衬砌的隧洞。按原限裂设计进行衬砌应力分析，已不能反映实际情况。同时也不能解释衬砌开裂后钢筋应力呈下降趋势这一现象（广州抽水蓄能电站的充水试验与高压试验洞的实测应力、应变资料反映了这一特点，衬砌大约在内水压力为1.6～2.5MPa时开裂，开裂后应力、应变值下降，最大内压时钢筋应力与混凝土应变都很小，有些甚至呈受压状态）。围岩的作用及其应力情况（包括地应力）得到高度重视和深入研究，同时也对衬砌开裂后的工作性态、渗水作用等作了进一步研究。在内水压力作用下，隧洞围岩支承作用的、主导地位，通过实践得到进一步的肯定。衬砌由于内水压力开裂，以及施工期产生的温度缝、施工缝、灌浆孔等形成渗水通道，实际上当围岩厚度与构造地应力足可承担内水压力时，已不需衬砌承担内水压力，因此只需配置少量钢筋即可。配筋目的 在于：①限裂；②维持衬砌的整体性，防止隧洞放空时塌落及过快充水等带来的意外损害。3.锚、网、喷、衬及其他结构型式的应用
首先是锚喷结构得到较广泛的应用，隧洞开挖过程中采用锚杆、钢筋网喷混凝土来加固围岩，以充分发挥围岩自承能力。60年代我国对这项新技术已有使用，70年代应用的范围扩大，在一定的地质条件下并已用作隧洞工程的永久衬砌，取得了较好的效果。锚杆结合钢筋网混凝土衬砌与围岩联合承受内水压力时，可限制裂缝的扩展；承受外压时与锚杆围岩联成整体，提高了其承压能力。除钢筋混凝土衬砌外，应用较多的还有不衬砌、混凝土抹平衬砌、喷混凝土等类型，一些工程还应用了预应力等技术。
（1）高压群孔灌浆预应力混凝土衬砌。白山水电站1＃压力管道上平段，经试验后将原设计的钢筋混凝土衬砌改为利用围岩固结灌浆孔进行高压群孔灌浆的预应力混凝土衬砌。其工艺为：衬砌回填灌浆后，自衬砌表面钻深入岩体 3m的固结灌浆孔，每排12～14孔，排距2.5～3.0m。灌浆之前，进行群孔压水（压力达2.0MPa），使衬砌与围岩脱开，然后降压改灌灰浆，压力达2.0～2.5MPa，灰浆由稀改浓，直到0.6：1。当吸浆量在0.2L／min以下时改用稀浆，在2.0～2.5 MPa压力下并浆2h结束。经观测：灌浆时衬砌与围岩间实际作用压力约为灌浆压力的60％左右，分布并不均匀；衬砌所受预应力达混凝土不开裂所需预应力的2～3倍；在3年内，试验洞的预应力值基本没有变化，1＃引水洞原型观测在 1年内仅因温度变化松弛 8％，预计充水运行多年后预应力效果仍然显著。灌浆后内壁干燥，质量良好。
该电站3＃引水洞斜管段原为普通钢筋混凝土衬砌，因施工质量欠佳，又距水库较近，漏水颇多，先后用固结灌浆、氰凝灌浆，均未见效，后改用上述群孔高压灌浆工艺，灌浆压力2.0MPa，堵住了所有渗漏，效果显著。
（2）环形后张法预应力钢筋混凝土衬砌隔河岩水电站按一洞一机布置，右岸设有4条内径为9.5m的引水隧洞，开挖直径11.3m，中心距24m，单洞长446m。隧洞中段穿过大坝防渗帷幕线。隧洞围岩岩性软弱，溶洞发育，断层裂隙多溶蚀填泥，地质条件复杂。考虑到帷幕下游洞段从拱坝右拱座通过，在厂后高边坡处出口，且洞间岩柱单薄，因此对衬砌有严格的防渗要求。
帷幕线上游洞段，运行期间内外水压平衡，水锤影响较弱，采用普通混凝土衬砌，完全能满足受力和防渗要求。帷幕下游洞段围岩岩性软弱，且内水压力高，外水压力较小，PD值高达8900kN／m。鉴于普通钢筋混凝土衬砌方案难以满足要求，钢板衬砌造价高、施工难度大、工期长，而环形后张预应力钢筋混凝土衬砌（以下简称“预应力衬砌”）不仅能满足衬砌环的受力、防渗要求，比钢板衬砌节省投资30％左右，而且施工难度较小，工期较短。因此，下游洞段除出口段用钢板衬砌外，其余均采用“预应力衬砌”。
隔河岩水电站4条引水隧洞分别采用QM与HM两种不同的张拉和锚固方式，预应力衬砌长度合计602m，共用钱索1380束，设计张拉力为297kN。4．不良地质段的结构处理与施工
隧洞不良地质的施工和结构处理，是长引水隧洞中常遇到的问题。我国天生桥二级水电站的引水隧洞最具特色，电站设有3条引水隧洞，内径8.7～9.8m，单洞长约9.8km。穿越三叠统灰岩、白云岩及砂页岩地层，最大埋深约800m。其中灰岩及白云岩段长约8.2km，下游砂页岩段约1.5km。隧洞采用钻爆法和掘进机全断面开挖，钢筋混凝土衬砌。该地区喀斯特发育，洞线与数条暗河系统相交，遇大小溶洞600多个，既有小型干枯溶洞群，也有泥石充填的大型溶洞和雨季大量涌水的暗河，同时还有宽达5～15m的断层破碎带；埋深较大的洞段有不同程度的岩爆等，故有“地质博物馆”之称。这些不良地质段不仅给施工带来极大困难，也给结构设计带来许多复杂问题。为此采用短进尺控制爆破、喷混凝土、钢支承、钢管棚架浇注项拱混凝土及进行钢筋混凝土临时支护，严重岩爆地段进行混凝土充填、二次开挖等。在结构上，对长约2km的IV、V类围岩及大型溶洞段，除施工处理外，结合永久支护进行围岩及泥石充填物的高压水泥灌浆、化学灌浆及桩基管桥等综合措施处理。经处理后，效果良好。
我国在60年代初，曾有两个中型水电站的引水隧洞，因地质条件不良、埋置深度不够、设计处理不当及施工质量不好等原因，造成隧洞渗水、局部坍塌等后果，经处理后至今运行正常。
（l）下马岭水电站压力斜井局部坍塌事故。，斜井全线通过半风化玢岩，岩体节理裂隙发育，且多为泥质充填，用动力法测得围岩的弹性模量为（1.5～2.0）
×104MPa。压力斜井的内径5.4m，上部 131.6m长为钢筋混凝土衬砌，厚度 40 ～70cm，混凝土标号为200号、B4，最大静水头约80m，围岩厚度20m左右；其下75.5m长为钢板衬砌，斜井段钢板厚度8mm，下平段板厚8～24mm，最大静水头约107m。开挖过程中围岩未曾坍塌，也没有遇到地下水，岩石裂隙率0.07～0.13，裂隙间距20～50cm。设计采用参数 f=4～6，K0＝340～850kg／cm3。衬砌后进行了压力为0.2MPa的回填灌浆和压力为0.5MPa的围岩固结灌浆。
该工程于1961年2月10日发电，第三天，厂房后山坡的岩层裂隙就有局部漏水现象，即进行了固结灌浆处理，并在山坡上钻了两个地下水位观测孔进行监测。运行三年后，终因渗漏加剧，导致地表塌滑、洞壁衬砌部分脱落的事故。事后开挖竖井检查，衬砌混凝土质量差，多蜂窝、冷缝和裂缝等，回填灌浆质量也很差，衬砌外的空洞多末灌满，后将斜井段全部进行钢衬处理，至今运行正常。
（2）白莲河水电站压力斜井严重渗漏事故。该电站压力斜井内径8m，埋深约30m，工作水头61m。围岩为细粒花岗岩，设计采用的参数f=6～
10、K0＝2600
K。=30～～1200kg／cm3；下端水平支洞内径3.4m，埋深约25m，围岩参数f一4～6、50kg／cm3，出口20m取K0＝0；厂房后变压器平台处埋深仅5m，而其内水压力最大，水头达66m。洞区围岩透水性不大，渗透系数一般小于0.001m/d，但支洞一带破碎带比较集中，节理多张开并有泥质充填，且施工超挖较大（一般达0.5～1m）。该压力水道在衬砌前曾用以导流，最大流速10m／s，历时约 6个月，泄流后洞内未见严重冲刷。此后，除斜井段不作衬砌外，其他部分作了钢筋混凝土衬砌，但衬砌混凝土存在较严重的质量问题：支洞顶拱严重超挖部分用浆砌石回填，密实性很差；衬砌工作缝间未设止水铜片；混凝土有冷缝、蜂窝、麻面等缺陷；灌浆孔封堵不良等。
1963年1月水道充水（洞内水头41m），出现了严重的内水外渗现象。厂房后山坡及变压器平台大量渗水，70％的出水点集中在内水压力最大、渗径最短的支洞一带，总漏水量达40L/s。充水后2～20min内便从地表渗水，最高出逸点高出支洞约30m，大部分渗水点随着水道充水由低处向高处出露。这些现象表明存在比较通畅的渗漏通道。经采用环氧砂浆对洞内的百余条、总长约1200m的各种裂缝作了处理后，效果良好，所有渗水点已基本不渗水，运行至今30余年，未再出现新的问题。
二、地下埋管 1．地下埋管的应用
地下埋管是指置于围岩隧洞内的钢板衬砌（亦简称钢衬）压力管道。这种结构，因具有较好的抗拉强度和变形能力及良好的抗渗性能，而在地下厂房、引水式（或坝后式）地面厂房的进厂段或围岩较差及覆盖较薄处普遍应用。这种管道钢衬与围岩联合承受内水压力，有较大的承载力与安全余度。我国已建和在建的大、中型水电站中，有地下埋管的电站有100余座，水头最高的内压达10MPa，管径最大的达9.0m。有的管道，从50年代投产运行（如古田一级、黄坛口、官厅、狮子滩等电站），至今运行正常。
地下埋管有竖井、斜井和水平洞之分，需根据厂区枢纽布置和地质等情况并经综合、经济技术比较后具体采用。竖井式的优点是井壁围岩稳定条件好，施工也较方便，高压管道有可能缩短。1.1．竖井式高压管道
竖井式高压管道在工程中必须结合厂房位置从地下的洞群布置进行全面技术经济比较后采用。天生桥二级电站与二滩电站即为竖井型式。
（1）天生桥二级水电站压力钢衬布置。该电站是一个低坝长隧洞引水发电工程，总装机容量6× 220MW，3条引水隧洞平均长度 9555m，隧洞后接 3个内径 21m的阻杭式调压井。每个调压井底部分岔出2条压力钢管，每条钢管向单机容量220MW的机组单独供水。压力钢管呈L型布置，每条管道引用流量142.5m3/s，钢管直径5.7m，竖井高度160m，下水平段长度约380m，末端设2个锥管，钢管直径由5.7m变为5.0m，再缩至4.2m后与厂房的蝶阀相连，锥管下部水平，以利检修时放空管内积水。该电站厂房为地面厂房，管道采用L型布置是为了将竖井的下半部和下水平段的前半段置于埋藏较深的新鲜围岩处，以充分利用围岩抗力，分担部分内水压力，从而减少钢衬厚度。
（2）二滩水电站压力钢衬布置。该电站采用首部开发、地下厂房，总装机容量 6× 550MW，单机单管引水，共有 6条管道，管径 9.0m。压力管道由上、下水平段及竖井组成，自竖井下弯管至下水平段采用钢衬，总长111m。在竖井与厂房之间设有灌浆帷幕与排水帷幕。管壁厚度根据围岩抗力与内水压力计算确定。位于排水帷幕上游的下弯管，管壁厚度28mm，管壁外侧设T形加强环，环高220mm，上翼缘宽200mm，板厚30mm，加强环中心间距700mm。在弯管起始端的止水环处设排水管，通向排水廊道。下水平段管壁厚度28～34mm，设有矩形加强环，环高200mm，板厚30mm，加强环间距 2000mm。1.2．斜井式高压管道
斜井式钢衬轴线与水平面呈小于900的倾角，是地面或地下厂房布置中常用的型式，单机单管或一管多机（下部分岔）布置，斜井的坡度根据布置要求、工程地质条件、施工方法选用。以往习惯向上出渣的斜井坡度采用300～350，向下出渣的斜井坡度多在450左右。近年来一些工程多采用爬罐开挖竖井和斜井，先由下向上利用爬罐开挖一导井，然后再由上向下扩挖成型，利用导并溜渣。在斜井很长的高水头电站中，为使斜井开挖、钢管安装、混凝土回填等工作能分段同时施工，在斜井段可设一段或几段水平段，如广州抽水蓄能电站（简称广蓄）及天荒坪抽水蓄能电站的斜井型式（这两座电站的高压管道仅在下水平段钢筋混凝土岔管的下游进厂支管采用钢衬。广蓄支管直径3.5m，一期4根支管总长620m；天荒坪6根支管，单长258～308m，内径3.2～2.2m）。
（1）鲁布革水电站钢衬布置。该电站为长隧洞引水发电工程，装机4×150MW，厂房为地下厂房。在调压井底部引水隧洞分岔为2条直径为4.6m的压力钢管，呈斜井式布置，倾角480。两条钢管互相平行，中心线距离35m，斜坡高度308.8m。至下水平段后每条钢管再各分岔为2条支管，直径3.2m。斜井钢衬与岩石之间回填150号素混凝土，不作任何灌浆处理。钢衬强度按加大缝隙的办法设计，以增加一定的管壁厚度；其外压稳定靠设置排水斜洞，降低外水压力。外水压力的强度，考虑到运行期引水隧洞的尾部及调压井的渗漏（在钢管的首部设两道止水环和两道防渗帷幕灌浆，并对引水隧洞尾部和调压井周围的岩石进行固结灌浆）以及雨季地表水的下渗，地下水位按引水隧洞中心线计算。由于在钢管下面设有排水斜井和平洞，考虑一个0.2的折减系数，这一假定使钢管沿程都受到一定的外水压力。排水斜井轴线距两根钢管中心线距离均为35m，横断面上形成一个倒品字形。排水斜井上、下端各设一条排水平洞，上排水洞通至山坡外，下排水洞将渗水排至厂房集水井。排水平洞及斜井均为2.2m × 2.5m的方圆形断面，不进行任何支护。
（2）小浪底电站钢衬布置。工程总装机容量 6 ×300MW，电站为引水式，厂房为地下厂房，分别由6条压力管道引水。压力钢管的上游端与钢筋混凝土引水隧洞相衔接，下游端与机组蜗壳相连，形成上下水平段、上下弯管段和倾角为500的斜井段。压力钢管的1#～4#钢管为 182.0m，5#～上游端布置在山体灌浆帷幕线上游 15.0m处，始端中心高程：6#钢管为184.2m，钢管末端中心高程均为129.0m。根据厂房和山体灌浆帷幕的布置，6条钢管的长度各不相同，平均长度为190.0m，上弯段的位置是根据最低发电水位时机组突然增荷，在上弯管管顶不产生负压，且留有一定的安全裕度确定，从而也决定了上平段的长度。钢管内径7.8m，最大PD值达1533m2，属特大型钢管工程，钢板厚度为20～34mm。在下平段排水洞上游至钢衬始端，均设加强环以保证管壁稳定。加强环中心间距，直管段为1.5m，上、下弯管段与中心线弧长相同，均为2.182m。
（3）十三陵抽水蓄能电站钢衬布置。该电站装机4×200MW，其压力钢衬斜井全长约850m，是我国已建成的最长的斜井式钢衬。其斜井段长约575m（不包括上、中、下平段和弯管段），其中管径5.2m段长约375m，管径3.8m段长约187m，两者设锥管连接。斜井中部水平连接段长约30余米，斜井坡度500。在靠近厂房处，每条压力钢管分为两条支管，支管内径2.7m，长36m。压力钢管管壁厚度16～44mm，外衬70cm厚混凝土，能承受静态内水压力水头573m，动态水压水头685m。
（4）天湖水电站不衬砌压力竖井、斜井布置。该电站位于广西桂林全州县境，是我国第一座水头超过1000m的中型水电站。电站为引水式，水头1074m，装机4台共90MW。第一期装机二台，共30MW（国产立轴冲击式机组，设计净水头1022m），最大引用流量3.52m3/s，已于 1992年11月投产运行。
本工程地质条件优越，基岩为新鲜及微风化的黑云母花岗岩，岩性坚硬完整，单轴抗压强度60～110MPa，变形模量4×104～6×104MPa，裂隙率0.2～0.3条／m，纵波速度4000～6000m／s，劈裂试验岩石抗拉强度6～10MPa，经多种方法测试，地应力最小主应力为7.44～8.16MPa。钻孔单位吸水率值一般约0.0001，小部分0.0004～0.0006。
一期工程有前地、引水系统及地面厂房。引水道采用不衬砌隧洞、竖井及斜井全长约2153m，下接钢管道。压力竖井内径4m，高约350m，承受最大水头约400m。压力斜井倾角350，全长384m，断面宽2.5m，高2.5m，面积4.91m2，最大水头614m，井内最大流速分别为0.28m／s及0.7m／s（二期工程完成后流速将增至0.84m／s及2.2m／s）。防渗采用对井内4条主要漏水裂隙表面凿槽回填环氧树脂砂浆，并进行钻孔灌浆（压力1.2MPa），灌入水泥约 2900kg。经充水试验，实测总渗水量 3.22L/s，防渗效果良好。
高压明管一期工程为一条内径1.0m钢管，长2281m（上游900余米设于洞内），在厂前分为两条内径为0.7m的支管进厂。钢板为A3及16Mn，厚度26～46mm，承受最大水头1181m。岔管夹角600，为月牙肋加强式，最大壁厚60mm，月牙肋厚120mm。全管在安装后进行了整体水压试验，试验压力12.5MPa，历时21小时，情况正常。2．地下埋管的应力计算
我国地下埋管的应力计算，多数根据在钢衬、混凝土和围岩在内水压力作用下三者接触面处的变形相容条件推导出的公式进行计算。为安全计，一般均遵守以下三条原则：
（l）隧洞的埋深：为防止洞周围岩在高内水压力作用下发生“水力劈裂”失稳，隧洞的埋深一般按其距地表最短的有效距离（L）作为安全的界限，即要求上述距离内的岩石覆盖重量大于洞内内水压力rLcoswH（r、w分别为岩石和水的容重，为山坡地面的平均倾角，H为洞内内水压力）。此外，有条件时，特别是对于不衬砌隧洞，尚应进行地应力量测，为防渗起见，地应力的最小主应力值应大于内水压力值。
（2）计算管壁应力时，考虑钢衬与管外混凝土之间，以及混凝土与围岩之间存在缝隙，这种缝隙包括施工缝隙、温度变化引起的收缩缝隙，施工缝隙与施工方法及质量有关，一般采用0.2mm。
（3）地下钢衬的钢材允许应力[]：在基本情况下，采用[]=0.67n；特殊情况下，采用[]=0.9n。若钢材屈强比大于0.67，则以s＝0.67b计算允许应力（s为钢材的抗拉强度，b为屈服点，屈强比为s／b）。3．地下埋管的抗外压稳定分析
因地下埋管的管壁厚度、多按内水压力计算确定，在考虑围岩弹性抗力与钢衬联合受力情况下，一般管壁都较薄。在混凝土衬砌、灌浆以及外水压等外压力的作用下，管壁的稳定性问题突出。管径较大时，问题更加突出。我国在70年代，曾发生过施工期地下埋管失稳事故，最严重的工程实例是云南的绿水河电站钢管和广东泉水电站钢管的失稳事故，发生局部失稳事故的有浙江湖南镇电站钢管。
（l）绿水河电站压力管道失稳情况。电站全部钢管采用光面管，曾发生两处失稳破坏，一处为1#斜井钢管，在管后填灌砂浆时失稳破坏，该段钢管内径2.8m，管壁厚9～12mm，失稳段长约190m；另一处为3#平洞钢管，放空后失稳破坏，该段钢管内径2.25m，管壁厚16～22mm，失稳段长约100m。
（2）泉水电站压力钢管失稳情况。该电站的钢管内径2.4m，开挖直径2.54m，管壁厚6～12mm，全长477m，其中斜井段长254m，坡度400，下端平洞长164m，设计水头225m。全线围岩为花岗岩，斜井段大部分为弱风化岩体；平洞亦位于弱风化岩体中，埋深75～130m。由于设计考虑的外水压力偏小，施工时又因断面太小、操作困难，而将加强环全部取消，成为光面管。管外用气泵输送一级配混凝土回填，对地下水未采取有效措施处理，对沟内地表出露的F37断层仅作了少量浅孔阻水固结灌浆，效果也不大。
1974年5月初，电站蓄水发电前进行管内缺陷处理时，发现斜井下端及高压平洞共204.2m长的钢管发生了严重的失稳破坏。斜井段钢管呈单波曲皱变形，平洞呈单波或多波曲皱变形，失稳段钢管有3处环向断裂。
（3）湖南镇电站斜井段压力钢管失稳情况。该电站斜管井径7.2m，管壁14mm，矩形加强环间距90cm，环高200mm，厚14mm。在施工过程中，曾发生因灌浆管堵塞灌浆压力升高的情况，使一节管的两加强环间产生10个鼓包（其中9个鼓包分布在灌浆孔同侧的右侧半圆内，另一侧有1个鼓包）。鼓包成圆形或椭圆形，最大直径900mm，与加强环间距同，鼓包高21～35mm。根据现场记录与实测压力，灌浆压力为0.95MPa，经分析，管道的抗外压临界压力与设计值极为吻合，鼓包数亦相同，与米赛斯计算公式接近。即当鼓包数n=18时，临界压力（Pcr）最小，Pcr≈0.95MPa。
大直径的地下埋管，多数有加强环及地下排水措施，保证管壁的抗外压稳定。鉴于地下埋设的钢管，灌浆压力常成为控制管壁稳定的荷载，故有些大型电站的管壁稳定常采用措施控制灌浆压力或取消灌浆，以避免管壁灌浆时失稳。如天生桥二级电站压力管道考虑抗外压稳定时，管外地下水压力按调压井防渗系统失效和地表水大量渗透的情况考虑，折减系数采用0.5，安全系数采用1.5，灌浆压力亦按此值控制。又如鲁布革电站的高压钢管斜井部分，管外不作任何灌浆，采取设置排水斜洞，并适当加大计算缝隙值的办法，增加一定的管壁厚度，以防止斜井灌浆须在管壁开孔、灌浆工艺复杂等不利条件。
第二节
钢管结构设计
一、明管
压力管道完全采用明管的电站，一般多为中、小型水电站，或其管径较小。但亦有少数大、中型水电站，除在厂房蜗壳前局部采用明管外，因地形、地质及枢纽布置等原因，局部采用明管连接坝体管道与隧洞，或将地下埋管变为明管引入厂房。如柘溪水电站压力管道，即将坝内管连接明管后进入隧洞再通至厂房。1．隔河岩水电站明管
该电站设有4条压力钢管，单机单管引水，总装机容量 4×300MW。发电用水自进水塔经长度400m、直径9.5m的预应力混凝土衬砌压力隧洞，再通过压力钢管输入水轮发电机组。压力钢管为明管，顺开挖坡面布置，由于基岩为黏土质页岩，岩性软弱，采用了连续式鞍形支座，管外包有1m厚混凝土保护层。其中，l#～3#压力钢管长185m，伸入压力隧洞段长30m；4#压力钢管长205m，伸入压力隧洞段长度50m。明管内径9.5～7.3m，管壁厚度30～46mm，采用低合金结构钢16Mn、16MnR和高强钢SM58Q。在上、下弯管镇墩末端各设有伸缩节，是我国目前管径较大的水电站明压力钢管。2.白山水电站二期自承式明弯压力钢管
电站位于吉林省第二松花江上游，分二期建成。第一期工程建设高149.5m的重力拱坝和装机3×300MW的右岸地下厂房，在左岸两个坝段上预留第二期工程的两个进水口，装机2×300MW，单机单管。二期续建的两条压力引水钢管，由拱坝左岸预留的钢管外延，由于地形条件限制，采用一段空间转弯的明钢管，与地下埋藏式斜钢管段及下水平段相接后进入地面厂房。明管内径8.0m，长度分别46.73m 和30.64m，转弯半径25.0m。转弯平面与水平面成68.550斜交，明钢管两端设有混凝土镇墩，分别与拱坝和洞内埋管相接。钢管材质为16Mn，管壁厚度28～32mm，为增加钢管刚度与抗外压稳定性，沿线每1.5m设一道加劲环，环高200mm，厚20mm。
白山二期压力钢管突破了一般水电站弯管段的常规布置，取消了伸缩节和外包混凝土，减小了混凝土镇墩尺寸，利用空间弯曲钢管的自承能力承担内水压力、水重、温度和拱坝变位等荷载的作用，不但节省了造价，也给制造、安装、施工和运行带来了方便，创造了大直径钢管利用其弯段的自承能力的国内先例。两条钢管分别于1991年12月和1992年6月投产发电，至今运行正常。
二、钢岔管
我国钢岔管的技术发展随我国水电站建设的发展而发展。50年代建造的钢岔管，由于水头不高，多为贴边式钢岔管；60年代起由于高水头电站的出现，混合梁系和三梁式钢岔管应用较多；70年代以后，由于压力钢管的水头和直径均有所增大，而大直径、高水头的三梁式钢岔管制作安装困难较大，技术指标也不佳，逐渐采用月牙肋内加强钢岔管，个别工程还采用了球形钢岔管和无梁钢岔管。
第三节
混凝土管道结构设计
混凝土坝坝体压力管道埋设在坝体内或固定在坝面上，与坝体连成一体，对于坝后式水电站往往是最经济合理的布置方式。其优点是进水口设于坝面，结构紧凑简单；引水管道最短，水头损失小，机组调节保证条件好；造价低；运行集中方便。其缺点是管道安装干扰坝体施工，埋管空腔削弱坝体，使坝体应力局部恶化。为了克服这些问题，并保证结构安全，加快施工进度，在工程布置和结构方面进行了多方面的研究。管道的型式，可分为坝内管（又分深埋管与浅埋管）、坝上游面管和坝下游面管三种型式。80年代以后建造的常现大型坝后式电站中，有半数以上采用了混凝土坝内管道，而且承受的水头、单机容量及管径等参数均有较大的提高，在设计、科研及施工技术方面均有较快的发展和进步。工程中应用较多的是坝内管和坝后管，坝前管仅在少数工程上应用过。
一、坝内管
我国已建的近40座大、中型混凝土坝坝后式水电站中，有30余座电站的压力引水管道为钢管与坝体混凝浇筑在一起的联合承载结构。即使是采用坝上游面管或下游面管为主的引水管道，也仍有少部分管道需穿过坝体与坝体混凝土联合承载。与坝体联合承载的大管径压力管道均设在重力坝（包括宽缝重力坝）内，支墩坝中的坝内管受支墩宽度限制，管径一般较小。
当坝内钢管直径不大或内压不高、且管壁外包混凝土较厚时，通常管壁应力很小，具有足够的安全裕度。根据模型试验与大坝原型应力观测资料，在管道周边坝体混凝土不开裂的情况下，80％以上的管道内水压力由周围混凝土承受，钢管承受的拉应力仅为内水压力的20％左右。但一旦混凝土开裂，管周围混凝土较薄时，将产生贯穿性径向裂缝，因此管周混凝土厚度不宜过小。
为了减小坝体承担的内水压力，以保证大坝的整体性与安全性，可在钢管外设置软垫层，将钢管与坝体隔开。这种措施，过去常用于坝内钢管下平段与厂房连接处的少部分管道，以适应厂、坝不同变位的要求；或用于钢管穿越厂房边墙处，防止墙身出现裂缝。随着坝内管直径、水头的增加，这种结构型式已应用于坝内钢管的浅埋部分。如福建水口、云南漫湾和山西万家寨等水电站。
采用软垫层后，大部分内水压力由钢管承受，但由于垫层材料仍有一定的刚度以及钢管下半周仍与坝体混凝土连成一体，因此内水压力仍有一部分传入混凝土中。垫层材料的力学性能、垫层厚度和垫层设置范围（包角大小），对管内水压力传递及管顶混凝土环向拉应力的改善明显的作用。
二、混凝土坝下游面压力管道
设置在混凝土坝下游面的钢衬钢筋混凝土压力引水管（以下简称坝后背管），是我国80年代初开始研究采用的一种新型压力管道。它首先在东江和紧水滩两座水电站的双曲拱坝上得到应用。这两座电站分别于1987年年末和年初发电运行，根据十余年的原型观测资料反馈，管道结构工作情况正常。继东江、紧水滩水电站之后，1997年发电的李家峡水电站和1996年发电的五强溪水电站也采用了这种型式的压力管道。正在施工的长江三峡水电站，经过多方案比较和深入研究，也采用了坝后背管型式。显示出坝后背管道在我国水电站建设中的广阔应用前景。该型式主要优点如下：
可减小对坝体的削弱，有利于保持大坝的整体性，尤其是在大直径管道或高薄拱坝的坝式结构中，更有重要意义；坝内管道承受的内水压力，基本上不传至坝体内，结构受力条件比较明确，便于计算分析；坝内管道数量较少，且设置高程较高，坝下游面管可与坝体分开施工，避免了坝体混凝土浇筑与钢管安装的施工干扰，有利于加快施工进度，争取电站提前投产发电；可按照机组的安装顺序分阶段制作和安装钢管，避免长期积压资金，并缓解施工前期备料和制作的紧张程度。尤其是像三峡这样具有多台机组、大直径的压力管道的水电站，其经济效益则更加突出。坝下游面管还可以按钢衬与外包钢筋混凝土联合受力方式设计，从而减薄了钢衬厚度，降低造价。
三、钢筋混凝土岔管
钢筋混凝土岔管，过去多用在中低水头水电站或调压室底部分岔部位。近年来，由于高水头、深埋藏大型水电站及抽水蓄能电站的兴建，岔管的规模也越来越大。为充分利用围岩以承担内水压力，节省钢材，降低工程造价并方便施工，有关设计与科研单位进行了较多的研究工作，其成果已在广州抽水蓄能电站与天荒坪抽水蓄能电站中予以应用。两电站的工程规模及岔管参数如下：
广州抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管。电站主洞内径8.0m，采用卜形分岔形式，分为4条内径3.5m的支洞。高压岔管承受的静水头610m，包括水锤压力动水头为725m，钢筋混凝土衬砌厚度0.6m，环向主筋用φ36，间距200mm；岔口部位，局部加强筋为φ36，间距170mm。在岔管设计中，采用了一系列工程措施并用有限元方法进行了分析。第一期工程经充水、发电与抽水工况试运行及放空检查后，已于1992年9月投入正常运行。实测高压混凝土岔管的渗漏量仅 40L／min左右，为总发电流量 273m3/s的0.00025％，几乎可以忽略不计。放空后检查未发现岔管有新的混凝土裂缝。该工程采用钢筋混凝土岔管与钢岔管方案比较，节省投资约150万元，缩短工期半年。
天荒坪抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管。电站两条主洞内径7.0m，支洞内径3.2m，一洞3机，分岔段由两个卜形岔管组成“F”形分岔。分岔段长度约50m，岔管受到抽水、发电双向水流作用。岔管处设计静水头为680.2m，计及水锤压力的动水头为800m。抽水时，主、支管最大流速分别为3.98m／s、6.34m／s；发电时主、支管最大流速为5.07m／s、8.08m／s。岔管段上游接钢筋混凝土引水洞的下平段，下游接支洞钢衬。
