第十三章 水电站的压力管道8

第八节 地下埋管和坝身管道

一、地下埋管

地下埋管指埋设于岩体中并在管道和岩壁间充填混凝土之钢管，断面形式如图13-34所

示。地下埋管虽然增加了岩石开挖和混凝土衬砌的费用，但与明钢管相比，往往可以缩短压力管道的长度，省去支承结构，在坚固的岩体中，可利用围岩承担部分内水压力，从而减小钢衬的厚度，节约钢材。此外，地下埋管位于地下，受气候等外界影响较小，运行安全可靠，在我国大中型水电站中应用较广。

图 13-34 地下埋管的断面形式

（一）地下埋管的布置形式

地下埋管有竖井、斜井和平洞三种布置形式。

竖井式管道的轴线是垂直的，常用于首部开发的地下电站，如图18-11所示。采用竖井

式可使压力管道缩至最短，从而减小水锤压强和压力管道的工程量。虽然这样做不可避免地会增加尾水隧洞的长度，但在经济上往往仍然是合理的。竖井的开挖、钢管的安装和混凝土的回填，一般都自下而上进行。

斜井式管道的轴线倾角小于90°。如图12-12所示，对于地面式或地下式厂房均适用，在

地下埋管中是采用最多的一种。斜井的倾角通常决定于施工要求。如斜井自上而下开挖，为了便于出碴，倾角不宜超过35°；若采用自下而上开挖，为了使爆破后的石碴能自由滑落，倾角不宜小于45°。

平洞一般作过渡段使用。例如，上游引水道经平洞过渡为竖井或斜井；竖井或斜井先转

为平洞再进人厂房，管道分岔也多在平洞部分；对于高水头电站，斜井的长度很大，为了使斜井开挖、钢管安装和混凝土回填等工作能分段同时进行，可在斜井中部的适当部位设置一

个平段，并用交通洞与地面相通。

地下埋管应尽量布置在坚固完整的岩体之中，以便充分利用围岩的弹性抗力承担内水压

力。完整岩体的透水性小，在水管放空叹，钢衬因外压失稳的可能性也小。管道的埋置深度以大些为宜，对于斜井和平洞，只有当垂直管轴方向的新鲜岩石覆盖厚度达到3倍开挖直径时，才能考虑岩石的弹性抗力。对于竖井，这一数值还应取得大些。

（二）地下埋管的结构和构造

地下埋管的工作特点相当于一个多层衬彻的隧洞。钢衬的功用是承担部分内水压力和防

止渗透；回填混凝土的功用是将部分内水压力传给围岩，因此，回填混凝土与钢衬和围岩必须紧密结合。、回填混凝土的质量是地下埋管施工中的一个关键。钢管与岩壁的间距在满足钢管安装和混凝土浇筑要求的前提下应尽量减小，一般在50cm左右。一般说来，竖井的回填混凝土质量易于保证，斜井次之，平洞最难。在斜井和平洞中，钢管两侧混凝土的质量较易保证，在顶、底拱处，平仓振捣困难，稀浆集中，易于形成空洞。我国几个电站的地下埋管曾因外压和内压造成破坏，破坏部位多位于平洞部位，这不是偶然的。

由于混凝土凝固收缩和温降的影响，在钢管和混凝土之间、混凝土与围岩之间均可能存

在一定缝隙，需进行灌浆。斜井和平洞的顶部应进行回填灌浆，压力不小0.2MPa。钢管与混凝土、混凝土与岩壁之间有时也进行压力不小于0.2MPa的接缝灌浆。对于不太完整的围岩，为了提高其整体性，增加弹性抗力，有时还进行固结灌浆，灌浆压力与孔深视水头大小和围岩的破碎情况而定，压力可达0.5-1.0MPa,孔深一般为2-4m。灌浆应在气温较低时进行。

钢管与岩壁间的混凝土除一般常用的浇筑方法外，尚有预压骨料灌浆法，后者可减小混

凝土层的厚度，提高施工质量，但我国目前尚无成功的经验。

在岩体破碎、地下水位较高的地区，管道放空后，钢衬可能因外压而失去稳定，国内外

地下埋管均有因此而破坏的例子。解决的办法有二：一是离开管道一定距离打排永洞以降低地下水位，这是一种很有效的措施，有的工程在回填混凝土中设排水管，但排水管在施工中易被堵塞，可靠性差；二是在钢衬外设加劲环，或用锚件将钢衬锚固在混凝土上。在衬砌的周围进行压力灌浆，可减小钢衬、混凝土与岩壁间的初始缝隙，减小围岩的透水性，这些都有利于钢衬的抗外压稳定。

（三）钢衬承受内压时的强度计算 钢衬承受内压时的强度计算基于以下假定：

(1)钢衬、混凝土垫层和围岩中的应力都在其弹性范围之内；围岩是完全弹性体，且各向

同性；

(2）围岩在开挖后已充分变形，混凝土垫层和钢衬在施工后无初始应力；(3)钢衬与混凝

土垫层、混凝土垫层与岩壁间存在微小的初始缝隙。

地下埋管在内压作用下的变形和荷载传递情况如图8-35所示。

图 13-35 地下埋管在内压作用下的变性和荷载传递情况

设内水压强为p，钢衬承受部分压强后，其余部分

传给混凝土垫层，则钢衬的传递系

数

钢衬在内水压强

作用下，径向变位

式中

和-混凝土垫层与钢衬和岩壁间的初始缝隙；

-混凝土垫层的径向压缩，在有径向裂缝情况下

-混凝土弹性模量； -岩壁的径向变位。

，由于混凝土垫层有径向裂缝，不能承受环向力，

钢衬传给混凝土垫层的径向压强为

故混凝土垫层传给岩壁的压强

假定围岩为弹性体，能承受切向应力，在

作用下，岩壁的径向变位

和

为围岩的弹性模量和泊松比。

作用下，径向变位

式中

钢衬的半径为r，厚度为δ，在荷载

和

为钢衬的环拉应力和弹性模量。

＝r，并引人关系式

式中

以式(13-52)、式(13-53)和式(13-54)代人式(13-51)，近似地令

（13-50），得传递系数

设计钢衬可能有两种情况：已知内水压强求钢衬的厚度；已知内压和钢衬厚度求银衬应

力。

对于第一种情况，在已知内压下欲求钢衬的厚度，则可以钢材的容许应力

代替式

(13-55)中的，求出传递系数ε，则钢衬厚度

对第二种情况，若已知钢衬厚度求钢衬应力，则式(13-55)变为

用上式求出ε，则钢衬中的环向应力

传递系数ε变化在0-1之间，若ε≥1，则不需钢衬，若ε≤0，则全部内水压力由钢衬承担。 洞室的开挖可能在洞壁的一定范围内形成一个松动圈，在松动圈内，岩石只能传递径向

力，不能承担切向力，与开裂后的混凝土垫层相似，其径向压缩变形可用形式与式（14一52)相似的公式计算。

在求传递系数ε时比较困难的是如何确定围岩的弹性模量 1、岩体的弹性模量

和初始缝隙、。

岩体由岩块组成，岩块问存在节理和裂隙，受力后，节理裂隙的开合有塑性变形的特点，

因此，岩体在宏观上不是完全弹性体，也不是各向同性体，而且因地而异。室内试验„只能取小块岩石作试样，不能代表岩体的宏观情况。为了考虑岩体节理裂隙对变形的影响，工程上又常用变形模量来表示岩体的应力应变关系。对有条件的工程，岩石的弹性模量（或变形模量）应通过现场试验结合工程经验确定；对无条件进行现场试验的工程，则圭要靠经验。由于岩体的复杂性和多变性，在洞室的开挖过程中，应及时进行监测和评估，以便对原先选择的岩体弹性模量进行调整。

实践证明，对裂隙发育的岩体进行固结灌浆能较豆著地提高岩体的弹性模量（可提高一

倍至数倍）。进行固结灌浆还可改善岩体各向异性的特点。

衡量岩体变形与作用力的关系，我国习惯上用单位抗力系数

而不用，二者的关系

为

2、初始缝隙

。

初始缝隙的数值对钢衬应力影响很大，但不易精确地确定。初始缝隙由以下几个方面组

成：

(1)施工缝隙

混凝土垫层在浇筑后，其凝固过程中释放的水化热使钢衬温升膨胀，混

凝土凝固后，除自身的干缩外，钢衬也温降收缩，在钢衬、混凝土垫层和岩壁间形成缝隙。

施工缝隙的大小与施工质量有密切关系。平洞和坡度较小的斜井在浇筑棍凝土时，钢管

两侧易于平仓振捣，回填混凝土的质量较易保证；而顶、底拱部位易于形成较大空隙，故施工缝隙沿管周的分布是不均匀的。减小施工缝隙的有效措施是提高混凝土垫层的浇筑质量和

进行回填及接缝灌浆。我国某高水头电站的现场观测表明：在施测断面I，围岩较差，进行灌浆后实侧最大施工缝隙为0.14mm,钢衬实测应力小于计算应力，比较安全；施测断面I的围岩较好，未进行灌浆，实测最大施工缝隙达0.31mm，钢衬的实测应力大于计算应力，后补做回填灌浆，施工缝隙减小0.llmm，实测钢衬应力下降20MPa。我国另一电站的地下埋管未进行灌浆，实测总施工缝隙达0.4mm 。

(2)岩石的蠕变缝隙

岩石不是完全弹性体，在长期反复荷载作用下，有部分变形在卸

荷后不能复原，形成残余变形。残余变形在一定时间内会逐渐增大。例如，我国某地下埋管的一个施测断面，7年内钢衬应力增加约20％，这有力地说明残余变形的存在和发展。岩体残余变形的机理，可以认为是由于岩体的节理和裂隙在加荷后闭合而卸荷后不能完全复原所致。残余变形的大小与岩体的破碎程度有关。完整岩体的残余变形很小。例如，我国另一电站的埋管，围岩较好，建成后5年之内实测钢衬应力无变化。对于较破碎的岩体进行固结灌浆，封堵节理和裂隙，能有效地减小岩体的残余变形。

日本东川电站的现场试验研究表明，岩体的残余变形和弹性变形存在良好的相关关系，

残余变形可用与弹性变形的比值表示，即

该电站实测

=0.3-0.6。

为了考虑节理和裂隙对岩体变形的影响，在地下工程设计中常用岩体的变形模量、从代

替弹性模量，二者的关系为

混凝土垫层的残余变形也可利用与其弹性变形的比值

表示。

(3)温降缝隙 钢管通水后，因水温较低，钢管和围岩冷却收缩，与混凝土垫层间形成缝隙。在埋管水压试验的稳压阶段、在一定时间之内钢衬应力会随时间逐渐增大，就是由于钢衬和围岩因热交换逐渐冷却的结果。钢衬的径向温降收缩可用下式计算

式中

和

为钢衬的线胀系数和泊松比，

为钢衬充水前后的温差。

围岩冷缩的岩壁径向变位

式中

和

,为围岩的线胀系数和岩壁充水前后的温差，

可从钢管规范附录（二）的图

表查取。

考虑混凝土垫层和围岩的蠕变缝隙及钢衬和围岩的温降缝隙后，式（13-57）变为

在初始缝隙中，钢衬的温降缝隙常占很大比重。围岩的温降缝隙因岩性复杂，不易确定。

混凝土垫层也有温降收缩，数值不大。后二者的温降缝隙一般可以不计。

国内外的资料表明，施工缝隙

一般是竖井小于斜井，斜井小于平洞。施工缝隙还与施

可取0.2mm。

工质量、灌浆与否等因素有关。施工质量较好，进行过接缝灌浆，

总的初始缝隙约为

（四）钢衬承受外压时的稳定校核

。

钢衬是一种薄壳结构，抵抗外压的能力较低，国内外埋管的重大事故，多数是因钢衬受

外压失稳造成。因此，钢衬承受外压的稳定校核是地下埋管设计的一个重要内容。图13-36是我国某地下埋管被外压压屈的内视照片，压屈段的长度达百余米。

图 13-36 钢衬外压失稳照片（内视）

钢衬承受的外压有以下三种：①外部地下水压力；②浇筑混凝土垫层时未凝固混凝土的

压力；③灌浆压力。三种荷载的作用情况不完全相同。．钢衬承受未凝固混凝土压力时，因钢衬尚无约束，类似明钢管承受外压。钢衬在承受地下水压力和灌浆压力时，已经受到混凝土垫层的约束。灌浆压力沿管周不是均布的，地下水压力则可认为是均布的。未凝固混凝土的压力和灌浆压力是人为可以控制的。

1.光面管

在均匀外水压力作用下，无加劲的光面管的计算公式颇多，在我国比较常用的是阿姆斯

图兹(Amstutz)公式。阿氏假定，当外压超过钢衬的临界外压时，一部分的钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内，两个向外，如图13-37所示；在被压屈部分，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度氏。根据以上假定，阿氏导出的临界外压

的公式为

式中

式(13-60)中，r、δ、

-钢衬屈曲部分由外压直接引起的环向应力；

；

。 、

均为已知，初始缝隙根据实际情况选定，用试算法求出

>0.67

（

为钢材的极限强度）时，

并代人式（13-61)求采用

=0.67

。

。对于高强度钢材，当

光面管的临界外压也可用以下更简便的公式初步计算

钢衬的容许外压P ≤

/K安全系数K取2.O。

图 13-37 阿姆斯图兹假定的钢衬屈曲波形

初始缝隙的存在使钢衬的临界压降低。仔细浇筑垫层混凝土并进行灌浆是减小初始缝隙

的重要措施。灌浆应在温度较低时进行。灌浆压力应加以控制，以防因灌浆压力过大造成钢衬失稳。灌浆的程序应是先进行低压灌浆，再进行高压灌浆。

由于制造、运输等原因，钢衬不可能是纯圆的，若半径的最大偏差为△r，则△r/r称为不

圆度或椭圆度，一般不超过0.5％。不圆度使钢衬某些部位的曲率半径变大，因而降低了钢衬的抗外压能力。但某些理论把不圆度和初始缝隙等同起来，因而夸大了不圆度的影响。埋藏式钢管的施工顺序是先安装钢管然后再浇筑外围混凝土，混凝土是按钢管的形状凝固成形的，因此，不圆度对钢衬抗外压稳定的影响不同于初始缝隙。不圆度有时高达1％，而初始缝隙一般不超过半径的0.04％，二者的数量级也相差很大。

2.加劲管

加劲管是用加劲环或锚筋（或锚片）加固的管道，前者称加劲环式钢管，后者称锚筋式

钢管。加劲环和锚筋的作用是提高钢衬外压失稳时的屈曲波数，从而提高钢衬抗外压稳定的能力。

(1)加劲环式钢管加劲环式埋藏钢管抗外压稳定计算包括加劲环间管壁的稳定计算和加劲

环的稳定计算两个方面。

加劲环的存在使管壁的屈曲波数n增多，波幅减小，因管壁与混凝土间有一定的初始缝

隙，混凝土垫层对管壁变形的约束作用不大，故管壁的临界外压仍按明管公式(13-33）计算。

对于矩形截面的加劲环，若不考虑混凝土对加劲环的锚固作用，其本身的抗外压稳定计

算可采用下面的阿姆斯图兹公式

式中 i—加劲环截面的回转半径，

e--加劲环截面的中和轴到外缘的距离； l-加劲环的间距。

在计算J、F、e时，均应包括等效长度

，F和J为加劲环的截面积和截面惯矩；

的管壁在内。对于T形截面的加

劲环，由于混凝土的锚固作用，一般可不进行稳定校核。

对于光面管，e=1/(2δ), （2）锚筋式钢管

，代人上式即得式(13-60)、式(13-61）。

用锚筋（或锚片）将管壁锚固在管周混瘫土上的管道，如图13-38所示，适用于地下埋

管和坝内埋管。若锚筋（或锚片）有足够的强度，而又能牢固地锚着在混凝土中，在外压的作用下，锚着点处的管壁基本上无位移，管壁屈曲形成的鼓包只能发生在相邻锚筋之间。鼓包的大小、形状和分布视锚筋的间距和相互位置而定。锚筋在管壁上

图 13-38 锚筋式钢管

多采用梅花形布置，环向间距不宜过小，管轴向间距不宜过大。用锚筋或锚片加劲钢管、比采用加劲环省钢材。但锚筋管的设计目前尚无成熟的理论，多凭经验。管壁的临界外压可用以下经验公式初步确定

式中n—同一截面上的管周镭筋数；

l—管轴向锚筋间距（排距）。 锚筋截面积可按下式确定

式中f-锚筋截面积；

P。—管壁的设计外压；

—钢材的线膨胀系数，可取

—管壁的计算温差，可取10-20℃；

；

μ—钢材的泊松比，可取0.3； L-计算宽度，可取锚筋纵距1；

，其中为钢材的弹性模量；

[ζ]—锚筋的容许应力；

，其中，，φ—

相邻锚筋所夹圆心角之半。

（五）不用钢衬的地下管道

以上所述都是与埋藏式钢管有关的问题。为了节约投资和加快施工进度，取消钢衬是近

代埋藏式压力管道设计的一个发展方向。充分利用围岩承担内水压力是其设计的指导思想。

地下管道的衬砌形式除钢板衬砌外，尚有混凝土及钢筋棍凝土衬砌、预应力混凝土衬砌

和具有防渗薄膜的混凝土衬砌等。

1、混凝土及钢筋混凝土衬砌

混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌在低水头压力水道中应用较多，其设计方法也有较多的文

献介绍。但用于高水头情况，在内水压力作用下，混凝土不可避免地要开裂，大部分的内水压力将通过开裂后的衬砌传递给围岩。因此，在内压较高的情况下，无论在防渗还是在承担内水压力方面，这两种衬砌都不能扮演主要角色。防渗和承担内水压力主要靠围岩。因此，

其工作机理与不衬砌隧洞相似。衬砌主要只能起到平整洞壁的作用。

为了防渗和承担内水压力，围岩必须较新鲜完整，同时，其原始的最小主压应力应不小

于该点的内水压强，并有1.2-1.4的安全系数，以防在充水后围岩被水力劈裂。

图 13-39 挪威围岩覆盖准则示意图

洞室开挖后的二次应力与充水后的三次应力不但与洞室的尺寸和形状有关，而且决定于

原始地应力场。因此，确定原始地应力场是地下工程设计的重要内容。但对小型工程和在设计的初步阶段，由于地质资料不足，原始地应力场难以确定，在这种情况卞，也可根据岩石的覆盖厚度初步确定管道的位置和线路。根据挪威的经验，管顶以上岩体的最小覆盖厚度应满足

式中

-计算点至岩面的最小距离，见图13-39； 、H-水的容重和计算点的静水压； 、a-岩体容重和山坡倾角；

K-安全系数，可取1.2-1.4。

围岩的覆盖厚度除满足上述要求外，还应该是新鲜完整的，以满足防渗要求。 2、预应力混凝土衬砌

预应力混凝土衬砌是在管道充冰之前在衬砌中施加预压应力，使管道充水后衬砌中不出

现拉应力，或只有局部的很小的拉应力。

混凝土衬砌中预压应力的施加方法主要有以下三种：

(1)高压灌浆 在混凝土衬砌与围岩之间进行高压灌浆，给衬砌施加预压应力。这种方法简

单可靠，应用较广，但要求围岩新鲜完整；并有足够的厚度。少数土程将混凝土衬砌做成双

层，外层靠近岩壁，现场浇制，内层用预制块装配或现场浇制，在两层衬砌之间进行高压灌浆，这种做法的优点是灌浆压力可较均匀地施加在衬砌上，但工序复杂。

(2)钢缆施压 在混凝土衬砌外围预设钢缆，待混凝土强度足够后，张拉钢缆给衬砌施加预

压应力。这种做法安全可靠，对围岩的要求不高，但施工复杂，造价较高。

(3）用膨胀混凝土衬砌 在混凝土的凝固过程中，因自身膨胀形成压应力。若围岩不够完

整或承受拉应力，可在衬砌靠围岩一侧布置钢筋，使其在衬砌混凝土的膨胀过程中承受拉应力，以确保在混凝土中能够形成足够的压应力和减小混凝土膨胀在围岩中引起的应力。

二、坝身管道

坝后式厂房的压力管道需穿过坝身，其布置形式主要有两种：①管道埋于混凝土坝体之

中，称坝内埋管；②管道上段穿过混凝土坝体后，沿坝下游面布置在坝体之外，称为下游坝面管道，习惯上又常称“坝后背管”或“背管”。此外，尚有布置在拱坝上游面的管道。

（一）坝内理管 1、坝内埋管的布置

坝内埋管的布置主要决定于进水口的高程、坝型及坝体尺寸、水轮机的安装高程和厂房

的位置。坝内埋管在坝体中常布置成倾斜的，如图5-2所示，其轴些与下游坝坡平行，即基本上与坝体最大主压应力的方向一致，这样可以减小坝体荷载在孔口边缘引起的应力。但对坝内式厂房，进水口和水轮机的水平距离较小而高差较大，压力管道在坝体内只能垂直布置，如图18-3（b）所示。

坝内埋管的直径可由式（13-1）初步确定，由上而下可采用同一管径，也可分段采用不

同的管径。坝内埋管的经济流速一般为5-7m／s。由于管道布置在坝内，回旋余地较小，故坝内埋管弯管段的曲率半径可以小些，一般为直径的2-3倍。

钢管在坝体内有两种埋设方式。第一种是钢管在坝体内用软垫层与坝体混凝土分开，钢

管基本上承受全部内水压力，周围混凝土的应力则根据坝体荷载按坝内孔口求出。这种埋设方式的优点是受力较明确，坝身孔口应力较小，不致引起混凝土开裂．，钢筋用量也较小，但钢管按明管设计，需要较多钢材，在高水头大直径情况下，可能因钢板太厚，一在加工制造时需作消除应力处理。第二种方式是将钢管直接埋置在坝体混凝土中，二者结为整体，共同承担内水压力，其工作情况与地下埋管相似。

对于第二种情况，为了保证外围混凝土与钢管联合受力，在二者之间应进行接触灌浆。 坝内埋管的施工方法有两种：第一种是安装一段钢管浇筑一层坝体混凝土，二者相互

配合，这样做虽可省去二期混凝土的工作，但钢管安装与坝体混凝土的浇筑干扰较大，影响施工进度。第二种方法是在浇筑坝体时预留钢管槽，待钢管在槽中安装就绪后用混凝土回填，槽壁与钢管间的最小距离以能满足钢管的安装要求为限，一般采lm。

图 13-40 坝内埋管示意图

2、坝内埋管的结构计算

坝内埋管可采用有限元的方法进行分析计算。下面介绍的是一种近似方法，该法假定坝

内埋管属轴对称平面形变问题，计算图形如图13-40所示的厚壁圆筒。根据钢管、钢筋和混凝土的变形协调关系，导出计算公式。计算步骤如下：

(1)判别混凝土开裂情况。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

裂穿和裂穿三种情况：首先，假定钢管的壁厚E和外围钢筋的数量（折算成连续的壁厚勾，根据图13-41判别混凝土的开裂情况，该图系根据式(13-68)绘制而成。

图 13-41 混凝土开裂情况判别图

若混凝土未裂穿，可由下式进一步推求混凝土的相对开裂深度

式中p-内水压强；

、、、

-钢管和钢筋层半径； -钢材的弹性模量和泊松比； -混凝土的弹性模量和泊松比；

-混凝土的容许拉应力；

△-钢管与混凝土间的缝隙。

式(13-68)中的P有双解，取其小值。若

，表示混凝土未开裂；若 Ψ> 1,则混

凝土已裂穿。 Ψ用试算求解，在压力钢管设计规范中有曲线可查。

(2）计算各部分应力。

1)混凝土未开 裂混凝土分担的内水压强

混凝土内缘的环向应力

钢筋接近孔口内缘，其应力可用下式计算

钢管环向应力

2）混凝土未裂穿 混凝土部分开裂，钢筋应力

钢管环向应力

3）混凝土裂穿 此时混凝土不能参与承载，钢管传给混凝土的内水压强

钢管环向应力

钢筋环向应力

上述计算为承受内水压力情况。在坝体荷载作用下，孔口有附加环向应力。将内水荷载

和坝体荷载在孔口引起的环向应力叠加，通过配筋计算求出钢筋用量。如求出的俐筋数量不超过并接近原先假定的钢筋数量，则认为满足要求。否则，重新假定俐筋数量，计算至满意为止。

（二）坝后背管

为了解决钢管安装与坝体混舞土浇筑的矛盾，前苏联从60年代起，在一些大型坝后式．水

电站中将钢管布置在混凝土坝的下游面上，形成坝后背管。与坝内埋管相比，坝后背管虽然长度较大，费材较多，但由于可以加快施工进度，缩短工期，在世界各国逐步得到了推广。

图 13-42 明背管

坝后背管可采用明钢管，如图13-42所示。其优点是管道结构简单，受力明确，施工简

便。但管道位于厂房上游，如若爆破对厂房的安全威胁较大，在高水头大直径情况下，可能因管壁太厚，在加工制造时需作消除应力处理，在气候寒冷地区，需有防冻设施。

坝后背管目前采用较多备是钢衬钢筋混凝土管道，廊在钢管之斌有包一层钢筋棍凝土，

形成组合式多层管道，如图13-43所示。钢筋混凝土层的厚度视水头高低和管道直径大小而定，通常用1-2m，不宜用得太厚。

图 13-43 钢衬钢筋混凝土背管

早期的钢衬钢筋混滋土背管多按钢衬单独承担内压设计，外层钢筋混凝土只是一种附加

的安全措施。近期的钢衬钢筋混凝土背管则按钢衬和钢筋混凝土联合受力设计，并允许混凝土裂穿，钢衬和钢筋的应力可按式(13-75)、式(13-76）和式（13-77）确定。由于钢衬和钢筋混凝土之间有一定的初始缝隙△，钢衬和钢筋的材料强度不能同时得到充分利用，故二者总的钢材用量将超过明钢管的钢材用量。由于初始气缝隙△无法预知而又难以控制，为安全计，钢衬和钢筋的总量可以这样来控制：不考虑初始缝隙△，假定内水．压力由钢衬和钢筋共同承担，并将钢材的容许应力降低至

（相当于安全系数为2.2)。钢衬和钢筋的用材

量在一定情况下是可以互相代替的，即可以采用厚一些的钢衬和少一些钢筋，也可以相反。由于钢筋的单价较低，故钢衬钢筋混凝土管道宜采用较薄的钢衬和较多的钢筋，这样不但有助于降低造价，而且可以降低钢衬对焊接的要求，但钢衬的最小厚度受管壁最小结构厚度。钢衬钢筋混凝土管道具有较高的安全度，但与明管相比，增加了扎筋、立模和浇混凝土等工序。