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第1章 水电站坝后背管工程技术综述1

1.1 坝后背管技术发展过程1

1.2 背管工程中面临的主要技术问题5

1.2.1 钢管和外包钢筋混凝土联合承载问题5

1.2.2 安全系数的取值问题6

1.2.3 结构计算方法7

1.2.4 外包混凝土裂缝控制问题7

1.2.5 背管的结构安全度评价问题7

1.3 坝后背管的主要特点8

参考文献9

第2章 水电站坝后背管工程实例11

2.1 克拉斯诺雅尔斯克水电站背管12

2.2 契尔盖水电站背管12

2.3 萨扬舒申斯克水电站背管14

2.3.1 工程简介14

2.3.2 结构设计原则15

2.4 库尔普沙伊斯克水电站背管16

2.5 东江水电站背管17

2.5.1 工程简介17

2.5.2 东江水电站背管结构设计19

2.5.3 东江水电站背管技术研究23

2.5.4 管坝接缝面键槽模型试验研究24

2.6 紧水滩水电站背管26

2.6.1 工程简介26

2.6.2 紧水滩水电站背管结构设计27

2.7 五强溪水电站坝后背管简介27

2.7.1 工程简介27

2.7.2 背管结构设计29

2.7.3 背管技术研究31

2.8 李家峡水电站坝后背管32

2.8.1 工程简介32

2.8.2 背管结构设计34

2.8.3 背管技术研究36

2.8.4 李家峡水电站背管仿真材料接缝面剪切模型试验研究37

2.9 三峡水电站坝后背管39

2.9.1 工程简介39

2.9.2 背管结构设计41

2.9.3 三峡水电站背管技术研究43

2.10 万家寨水电站坝后背管46

2.10.1 工程简介46

2.10.2 管道结构设计48

2.10.3 压力钢管结构仿真模型试验50

2.10.4 万家寨工程压力管道管型讨论50

2.11 扎戈尔抽水蓄能电站钢衬钢筋混凝土管50

2.12 依萨河二级水电站钢衬钢筋混凝土管53

2.12.1 工程简介53

2.12.2 结构设计54

2.12.3 技术研究56

2.13 隔河岩水电站外包钢筋混凝土钢管58

2.14 公伯峡水电站钢衬钢筋混凝土管59

2.14.1 工程简介59

2.14.2 结构设计60

2.14.3 技术研究62

参考文献64

第3章 水电站坝后背管工程设计65

3.1 坝后背管的设计方法65

3.1.1 各国压力钢管的设计方法65

3.1.2 坝后背管结构计算的基本原则69

3.1.3 坝后背管设计中的作用及作用组合70

3.2 坝后背管联合承载安全系数研究71

3.2.1 已建背管工程安全系数比较71

3.2.2 前苏联“规范”中的安全系数71

3.2.3 傅金筑计算式综合安全系数72

3.2.4 陈际唐计算公式综合安全系数73

3.2.5 可靠度套改中背管与其他管型结构系数γd的比较74

3.2.6 小结76

3.3 坝后背管结构计算方法77

3.3.1 结构计算方法77

3.3.2 上下弯段计算原则77

3.3.3 管坝接缝面77

3.3.4 抗外压设计78

3.3.5 温度应力计算78

3.4 坝后背管布置79

3.4.1 平面布置79

3.4.2 立面布置79

3.5 坝后背管工程材料81

3.6 坝后背管构造设计82

3.6.1 横截面外轮廓形状82

3.6.2 管坝接缝面的连接83

3.6.3 钢筋接头位置85

3.6.4 钢筋直径85

3.6.5 纵向钢筋85

3.6.6 小结85

3.7 背管外包混凝土裂缝控制86

3.8 坝后背管结构安全度初步评价87

3.8.1 钢筋混凝土结构复核计算89

3.8.2 背管结构安全度评价91

3.8.3 背管安全度评价结论93

参考文献93

第4章 水电站坝后背管结构力学计算方法研究95

4.1 概述95

4.2 基本假定及计算模型97

4.2.1 基本假定97

4.2.2 计算模型98

4.3 内水压力作用下的内力计算99

4.3.1 计算公式推导99

4.3.2 计算步骤101

4.3.3 需要说明的几个问题102

4.4 内水压力作用下的应力计算104

4.4.1 计算公式推导104

4.4.2 矩形组合截面Am计算106

4.4.3 混凝土开裂后的应力计算108

4.5 内水压力作用下的计算例题108

4.5.1 内力计算109

4.5.2 应力计算110

4.5.3 轴力和弯矩对混凝土和钢筋应力的影响112

4.5.4 分段数对计算结果的影响113

4.5.5 135°模型和180°模型计算结果对比114

4.5.6 计算结果讨论116

4.6 温度应力计算117

4.6.1 背管温度分布研究118

4.6.2 温差引起的结构内力计算120

4.6.3 温度应力计算121

4.6.4 计算例题121

4.6.5 根据坝后背管实测温度缝宽计算温度应力123

4.6.6 小结124

4.7 自重作用应力计算125

4.7.1 计算公式推导125

4.7.2 计算例题126

4.8 坝后背管结构计算其他方法介绍127

4.8.1 弹性力学法128

4.8.2 正交异性法129

4.8.3 近似多层环法130

4.8.4 苏萨法132

4.8.5 弹性支座法132

4.8.6 小结135

4.9 背管结构力学计算与试验、有限元计算及现场实测成果对比分析136

4.9.1 东江水电站背管结构力学计算结果与试验及有限元计算结果对比136

4.9.2 三峡水电站背管结构力学计算结果与实验与试验结果对比143

4.9.3 李家峡水电站背管结构力学计算结果现场实测应力结果对比146

4.9.4 小结146

4.10 背管结构力学弹性中心法的应用147

4.10.1 工程应用147

4.10.2 对已建工程的结构分析149

4.10.3 小结156

4.11 背管计算程序BJC-99的编制与使用说明156

4.11.1 计算原理与程序功能简介156

4.11.2 程序设计框图157

4.11.3 程序中几个特殊问题的处理157

4.11.4 程序使用说明158

4.12 小结159

参考文献159

第5章 水电站坝后背管有限元法分析161

5.1 坝后背管有限元法分析原理及目的161

5.1.1 钢筋混凝土非线性有限元法简介161

5.1.2 坝体变位作用对背管结构的影响分析163

5.1.3 管坝接缝面的应力状况分析163

5.1.4 背管上弯段和下弯段的应力状况分析163

5.2 李家峡水电站坝后背管有限元法分析164

5.2.1 计算条件164

5.2.2 平面有限元计算165

5.2.3 三维非线性有限元分析176

5.3 三峡水电站坝后背管有限元法分析200

5.3.1 平面有限元分析200

5.3.2 三维非线性有限元分析205

5.4 公伯峡水电站钢衬钢筋混凝土管有限元法分析209

5.4.1 计算方案及荷载组合209

5.4.2 计算成果分析211

5.5 万家寨水电站压力管道有限元法分析226

5.5.1 三维有限元分析226

5.5.2 平面有限元分析227

5.6 小结228

参考文献229

第6章 水电站坝后背管原型观测分析230

6.1 克拉斯诺雅尔斯克与契尔盖水电站背管原型观测资料介绍230

6.1.1 克拉斯诺雅尔斯克水电站背管原型观测资料介绍230

6.1.2 契尔盖水电站背管原型观测资料介绍231

6.1.3 分析结论232

6.2 东江水电站背管原型观测资料介绍233

6.2.1 斜直段观测成果233

6.2.2 管坝接缝面观测成果234

6.2.3 上弯管段观测成果234

6.2.4 分析结论234

6.3 紧水滩水电站背管原型观测资料介绍235

6.3.1 上弯段观测成果235

6.3.2 斜直段观测成果236

6.3.3 下弯段观测成果237

6.3.4 管坝分缝面237

6.3.5 结论237

6.4 李家峡水电站坝后背管原型观测资料分析238

6.4.1 背管内观仪器布置238

6.4.2 上弯段钢筋应力原观成果分析239

6.4.3 上弯段钢管应力观测资料分析242

6.4.4 斜直段钢筋应力观测资料分析245

6.4.5 斜直段钢管应力观测资料分析248

6.4.6 背管原观资料分析结论249

6.5 万家寨水电站压力管道原型观测成果分析250

6.6 小结251

参考文献252

第7章 钢管与外包混凝土联合承载仿真模型试验研究分析253

7.1 概述253

7.2 模型试验技术简介253

7.2.1 模型试验裂缝量测技术253

7.2.2 极限承载力的确定254

7.3 龙羊峡水电站钢管与混凝土联合作用模型试验研究254

7.3.1 试验目的254

7.3.2 模型设计与制作254

7.3.3 测试仪器及测试项目256

7.3.4 荷载级别及加荷方法256

7.3.5 小模型主要试验成果及分析257

7.3.6 大模型主要试验成果及分析271

7.3.7 模型试验温度测试成果280

7.3.8 小结281

7.4 东江水电站钢管与混凝土联合作用试验研究282

7.4.1 概述282

7.4.2 大模型试验282

7.4.3 小模型试验291

7.5 李家峡水电站钢管与混凝土联合作用试验研究294

7.5.1 概述294

7.5.2 武汉水利电力学院试验成果295

7.6 三峡水电站钢管与混凝土联合作用试验研究297

7.6.1 大模型试验297

7.6.2 上弯段模型试验301

7.7 结语306

参考文献306

第8章 坝后背管外包混凝土裂缝研究308

8.1 概述308

8.2 背管外包混凝土裂缝的现状和规律310

8.2.1 李家峡水电站背管裂缝原型观测及成果分析310

8.2.2 其他坝后背管混凝土裂缝调查325

8.2.3 背管外包混凝土裂缝成因分析331

8.2.4 小结333

8.3 钢筋混凝土管裂缝分布情况介绍334

8.3.1 柘林水电站钢筋混凝土压力管道裂缝情况简介334

8.3.2 湖南云里坳倒虹吸管裂缝情况简介335

8.3.3 背管外包混凝土裂缝与混凝土管裂缝比较336

8.4 混凝土裂缝的相似性研究336

8.4.1 问题的提出336

8.4.2 理论分析337

8.4.3 小结347

8.5 坝后背管外包混凝土裂缝处钢筋应力状况的探讨347

8.6 坝后背管外包混凝土裂缝宽度计算方法的探讨349

8.6.1 规范DL/T5057—1996中正截面裂缝宽度验算方法349

8.6.2 董哲仁法352

8.6.3 陶然法355

8.6.4 前苏联钢管钢筋混凝土结构设计参考资料中裂缝宽度计算方法358

8.6.5 我国港口工程设计规范（JTJ220—82）中裂缝宽度计算公式359

8.6.6 各种方法计算结果比较360

8.6.7 小结363

8.7 外包混凝土裂缝对坝后背管正常运行的影响及裂缝处理措施364

8.7.1 外包混凝土裂缝对坝后背管正常运行的影响364

8.7.2 外包混凝土裂缝处理的工程措施369

8.8 背管外包混凝土裂缝宽度的限制问题372

8.8.1 背管设计中限制混凝土裂缝宽度的必要性372

8.8.2 背管裂缝宽度限制值的确定373

8.8.3 背管混凝土裂缝控制措施379

参考文献380

后记383