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水 利 学 报

２０２４年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０３ － ０３３６ － ０８

高压水道钢筋混凝土夹心钢板衬砌研发与性能验证

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裴江荣 ，汪小刚 ，魏小令 ，刘和艺 ，陈天楠 ，刘立鹏 １
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．四川华能泸定水电有限公司，四川 成都 ６１００７２）
摘要：针对高压水道中钢筋混凝土衬砌内水外渗以及钢板衬砌易于溃屈问题，研发了一种高压水道钢筋混凝土夹
心钢板衬砌，主要由内层钢筋混凝土－ 钢板－ 外层钢筋混凝土组成。为验证新型衬砌性能，进行了高内外水交替作
用下模型试验，研究衬砌变形受力及荷载分担变化情况。结果表明：外水压力作用下衬砌处于受压状态，各部分
荷载分担比较为固定，钢板部分所受压应力仅为 １．４７ＭＰａ，远低于临界应力 ２０．２５ＭＰａ，失稳溃屈的风险极小；
内水压力作用下衬砌处于受拉状态，随着内水压力的增加，内层混凝土会先于外层混凝土开裂，未开裂前衬砌各
部分荷载分担比基本固定；开裂后混凝土部分分担荷载降低、钢板与围岩所分担荷载增加，钢板所受拉应力为
２８．０１ＭＰａ，远低于其极限强度。相较于传统衬砌，新型衬砌结构在高压水道环境下具有更优越的性能。
关键词：钢筋混凝土；夹心钢板衬砌；内外水压力；荷载分担比
中图分类号：ＴＶ７３２．４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０７５４
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

高压水道是抽水蓄能电站引水系统重要组成部分，其衬砌主要型式为钢板衬砌和钢筋混凝土衬
砌。钢板衬砌可防止水道内高压水体渗漏，但放空期间在高外水压力作用下易发生失稳溃屈 ［１ － ２］ 。钢
筋混凝土衬砌可避免高外水作用下的溃屈问题，但在运行期高内水作用下不可避免发生开裂透水 ［３ － ５］ ，
该种衬砌将防渗任务交于岩体，失去了防渗、降糙、保护围岩等基本作用 ［６］ 。
目前，学术界和工程界对于高压水道衬砌进行了大量的研究。Ｓｉｍａｎｊｕｎｔａｋ等 ［７］ 和 Ｙａｎｇ等 ［８］ 通过
数值模拟探讨了预应力复合衬砌的承载机理。苏凯等 ［９］ 同样采用数值计算方法，分析了钢筋混凝土衬
砌在多种工况下的承载行为。在卞康等 ［１０］ 和苏凯等 ［１１］ 的研究成果基础上，周利等 ［１２］ 应用理论公式对
内水压力导致的钢筋混凝土衬砌开裂后的承载性能进行了研究。进一步地，苏凯等 ［１３ － １４］ 分别利用理论
公式和数值模拟方法研究了水工隧洞衬砌与围岩的承载特性和分离式衬砌的承载机理。任秋兵等 ［１５］ 则
基于人工智能算法和元启发式搜索技术，为水工衬砌的高性能混凝土配合比优化设计提供了新方法。
Ｄａｄａｓｈｉ等 ［１６］ 与胡云进等 ［１７］ 成功建立了隧洞内外水压力渗透与开裂耦合的分析模型，为衬砌开裂后的
内外水渗流提供了研究方法。张春生等 ［１８］ 讨论了钢筋混凝土衬砌高压水道的设计准则，为钢筋混凝土
衬砌提供设计理念。李新星等 ［１９］ 、王玉杰等 ［２０］ 和刘立鹏等 ［２１］ 通过数值模拟的方法研究透水式衬砌，
为衬砌设计提供指导。
这些研究主要集中于钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌的承载机理、分析方法、设计准则上，结合高压

收稿日期：２０２３ － １２ － ０１；网络首发日期：２０２４ － ０３ － ２１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０３１９．１４１３．００４．ｈｔｍｌ
项目基金：国家自然科学基金项目（５２１７９１２１）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项（ＧＥ０１４５Ｂ０１２０２１）；流域水循环模
拟与调控国家重点实验室自主研究课题（ ＳＫＬ２０２２ＺＤ０５）
作者简介：裴江荣（ １９９５ － ），博士生，主要从事地下洞室及结构工程稳定性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：９６９９４３８４５＠ｑｑ．ｃｏｍ
通信作者：刘立鹏（１９８３ － ），正高级工程师，主要从事地下洞室及结构工程稳定性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｕｌｉｐ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ

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