雙牌水庫發(fā)電引水管加固設(shè)計

譚 凡

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

1 發(fā)電引水管現(xiàn)狀

雙牌水庫8～11號非溢流壩段內(nèi)埋設(shè)有3根內(nèi)徑5.6 m的發(fā)電引水管，上游進水口中心線高程151.0 m，壩身內(nèi)坡度 1∶0.47，出口中心線高程 l26.81 m，發(fā)電管進口至出口總長67.5m，管壁為（2.4～3.0）m厚鋼筋混凝土。經(jīng)過40年的運行，發(fā)電管引水管混凝土襯砌已老化，管身內(nèi)出現(xiàn)大面積裂縫、混凝土有鈣化剝落現(xiàn)象，管身外表面也發(fā)現(xiàn)有裂縫，裂縫寬（0.1～0.2）mm，并有滲水，說明裂縫已貫穿，引水管本身已不安全，長期運行，將影響整個大壩安全運行。

2 結(jié)構(gòu)計算

雙牌水庫正常蓄水位170.0 m，設(shè)計洪水位173.01 m，校核水位175.73 m，引水管進口中心高程151.0 m，出口中心高程126.81 m。引水管為鋼筋混凝土襯砌，下游混凝土壁厚2.38 m，上游混凝土壁厚3.0 m，引水管斜段坡比1∶0.47。

H外=175.73-126.81=48.92 m，根據(jù)查找原設(shè)計資料，H水錘=13.92m。

設(shè)計按ΣH=65 m水頭計算。

總應(yīng)力：

內(nèi)水壓力作用下的管外壁邊緣應(yīng)力與溫差產(chǎn)生的管外壁邊緣應(yīng)力迭加：

查原設(shè)計圖紙，管外壁未配置溫度鋼筋，管壁襯砌為C20混凝土，C20混凝土軸心抗拉設(shè)計強度ft=1.10 N/mm2=1 100 kN/m2=1 100 kPa＜1 589 kPa，因此當溫差較大時，完全可能在管壁產(chǎn)生裂縫。從以上計算可知，對于引水管溫度應(yīng)力比水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力大得多，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意配置溫度鋼筋。

3 對發(fā)電引水管裂縫的研究

根據(jù)初設(shè)報告中對引水管裂縫的論述和雙牌水庫進入過引水管的觀測人員提供的情況，引水管中裂縫的情況是：3根引水管混凝土襯砌均出現(xiàn)大量裂縫，裂縫方向無規(guī)律，有環(huán)向、縱向及其它方向的裂縫，裂縫總數(shù)量未統(tǒng)計，裂縫長（0.3～6）m，裂縫寬（0.1～3）mm，裂縫深度未檢測，從外部觀察可知已發(fā)生貫穿性裂縫。臨水面混凝土較破碎。

混凝土構(gòu)件由于外界氣溫引起的溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的范圍是（2～3）m，雙牌水庫發(fā)電引水管混凝土襯砌厚3 m，在此影響范圍內(nèi)。引水管斜管段混凝土襯砌直接暴露于外部，在陽光照射下，混凝土外表面溫度可達50℃以上，而引水管為深式引水，混凝土內(nèi)表面溫度應(yīng)在15℃左右，由于溫差較大，認為引水管裂縫主要由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生，又由于管內(nèi)高壓水的水力劈裂作用和引水管的多年運行，使裂縫逐步發(fā)展以至形成目前的情況。

根據(jù)引水管內(nèi)出現(xiàn)多處縱向裂縫和1963年當時的“水利水電建設(shè)總局”下發(fā)的關(guān)于引水管襯砌實際配筋少于設(shè)計配筋的文件的情況，認為引水管混凝土襯砌強度存在一定問題，由于沒有竣工圖紙，實際配筋比設(shè)計配筋少了多少不清楚，但實際配筋比設(shè)計配筋少的程度最多不會超過1/3。

4 發(fā)電引水管加固方案比較

4.1 引水管加固設(shè)計的原則及各方案比較

（1）鋼襯方案：先采用灌漿方法處理所有裂縫，然后采用鋼板進行內(nèi)襯，最后在鋼襯與混凝土間進行接觸灌漿。

（2）碳纖維布方案：先采用灌漿方法處理所有裂縫，然后在引水管內(nèi)混凝土表面粘貼碳纖維布，最后掛鋼筋網(wǎng)噴環(huán)氧水泥砂漿進行保護。

（3）預(yù)應(yīng)力錨索方案：先采用灌漿方法處理所有裂縫，在引水管外表面設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，然后在引水管外表面加襯C15混凝土，厚2 m，在支墩壩空腔內(nèi)填筑C15混凝土。

4.2 方案比較（附表）

附表 發(fā)電引水管加固方案技術(shù)經(jīng)濟比較

設(shè)計推薦采用預(yù)應(yīng)力錨索并加襯混凝土方案。

4.3 預(yù)應(yīng)力錨索加固方案

（1）預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計。

在引水管襯砌中設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索進行加固，在引水管斷面中分別設(shè)水平向、垂直向預(yù)應(yīng)力錨索，抵抗溫度應(yīng)力，阻止裂縫的發(fā)展，同時在引水管外部增加混凝土襯砌，減小溫度應(yīng)力。

在每個引水管斜管段設(shè)14根水平向預(yù)應(yīng)力錨索，在每個引水管下游水平段設(shè)3根水平向預(yù)應(yīng)力錨索，每個引水管斜管段和水平段共17根水平向預(yù)應(yīng)力錨索穿過大頭壩的2個支墩，固定在支墩上。在每個引水管斜管段設(shè)10根垂直向預(yù)應(yīng)力錨索，亦固定在大頭壩的支墩上。在引水管外部引水管的斜管段設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索可阻止裂縫的發(fā)展，并保證引水管不會發(fā)生突然爆裂沖毀廠房的事故。

在引水管外部引水管的斜管段采用增加混凝土襯砌進行加固，在引水管背水坡斜管段新澆筑C15混凝土，厚1.5 m；在支墩壩空腔內(nèi)填筑C15混凝土，填筑部分為空腔內(nèi)交通廊道下游側(cè)至引水管上游坡；在引水管位于升壓站部分新澆筑C15混凝土，厚2 m，由于裂縫較集中于引水管下部轉(zhuǎn)彎段及其水平段，因此現(xiàn)升壓站須全部挖開，加筑混凝土后再回填石渣。所有新澆筑的混凝土均先鑿毛再采用自鎖錨桿與老混凝土結(jié)合。引水管內(nèi)表面已出現(xiàn)的裂縫同樣須進行灌漿修補，并在引水管管內(nèi)壁采用抗沖耐磨環(huán)氧涂料涂刷一層。

在引水管襯砌中采用預(yù)應(yīng)力錨索進行加固的方案，引水管內(nèi)表面已出現(xiàn)的裂縫同樣須進行修補。根據(jù)前面的分析，溫度應(yīng)力應(yīng)是引水管裂縫產(chǎn)生的主要原因，因此在引水管外部引水管的斜管段增加混凝土襯砌可減小溫度應(yīng)力，可阻止裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

該方案的優(yōu)點是，絕大部分施工在引水管外部進行，不影響電站的正常運行，施工方便，工期短，造價較低。采用預(yù)應(yīng)力錨索可加強引水管，部分提高引水管內(nèi)壁的承載能力，對阻止裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展十分有效。

3根引水管共設(shè)81根預(yù)應(yīng)力錨索，其中：水平向預(yù)應(yīng)力錨索51根，每根預(yù)應(yīng)力錨索錨固噸位1 000 kN；垂直向預(yù)應(yīng)力錨索30根，每根預(yù)應(yīng)力錨索錨固噸位350 kN。

（2）預(yù)應(yīng)力錨索。

預(yù)應(yīng)力錨索的噸位設(shè)計：根據(jù)以上計算，引水管襯砌的最大應(yīng)力為1 589 kPa，考慮預(yù)應(yīng)力錨索承擔1/5總應(yīng)力：1 589/5=318 kPa。

引水管襯砌厚2.38 m，水平向預(yù)應(yīng)力錨索間距設(shè)計為 1 m，則 318×3×1=954 kN。

考慮目前工程常用的預(yù)應(yīng)力錨索噸位情況，設(shè)計水平向預(yù)應(yīng)力錨索噸位為100 t，即1 000 kN。

垂直向預(yù)應(yīng)力錨索：該預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置主要是為了配合水平向預(yù)應(yīng)力錨索，使整個發(fā)電引水管受力完整、均勻。引水管底部如設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索從結(jié)構(gòu)受力來說是較理想的，但大頭壩基礎(chǔ)開挖時留有基巖，大頭壩之間已用廢渣回填，要全部清除這些巖石和廢渣去進行預(yù)應(yīng)力錨固施工難度較大，考慮兩側(cè)的填渣對受力有利，因此引水管底部未設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索。

設(shè)計垂直向預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力為水平向預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力的1/3，為350 kN，垂直向預(yù)應(yīng)力錨索間距1 m。

引水管斜管段的預(yù)應(yīng)力錨索單根長15.6 m，斜管段的14根預(yù)應(yīng)力錨索總長218.4 m；引水管下游水平管段的預(yù)應(yīng)力錨索單根長17.6 m，下游水平管段的3根預(yù)應(yīng)力錨索總長52.8 m，則1個發(fā)電引水管設(shè)17根1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，錨索總長為271.2 m；1個發(fā)電引水管設(shè)10根垂直向350 kN預(yù)應(yīng)力錨索，350 kN預(yù)應(yīng)力錨索單根長14.5 m，350 kN預(yù)應(yīng)力錨索總長為145 m。3個發(fā)電引水管共81根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索總長為1 248.6 m。鋼絞線總重1 361 kg。

每根1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索采用7×7Φ5鋼絞線，鋼絞線強度設(shè)計值1 860 N/mm2，設(shè)計永久噸位100 t，安裝噸位110 t。每根350 kN預(yù)應(yīng)力錨索采用3×7Φ5鋼絞線，鋼絞線強度設(shè)計值1 860 N/mm2，設(shè)計永久噸位35 t，安裝噸位38.5 t。

5 實施效果

雙牌水庫發(fā)電引水管加固于2008年2月28日開工，至2008年12月全部完成，從現(xiàn)場情況看，引水管加固后滲漏基本消失，運行情況良好。

（1）從2004～2008年4年時間，對雙牌水庫發(fā)電引水管裂縫進行了深入的研究、分析，進行了包括有限元計算的結(jié)構(gòu)受力計算，分析了裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的原因。

（2）綜合分析、比較了各種加固方案，充分考慮了發(fā)電引水管結(jié)構(gòu)受力、管內(nèi)裂縫修補以及管身的加固施工工藝、加固方案經(jīng)濟節(jié)約等各方面因素，最終選擇了最優(yōu)的加固方案，保證加固措施切實可行并取得良好效果，工程投資節(jié)省200多萬元，效益顯著。

（3）在發(fā)電引水管加固材料和加固方法方面，大膽比選了新材料、新工藝，比較方案中考慮了粘碳纖維布方案，雖經(jīng)試驗最終未能采用碳纖維布方案，但對碳纖維布加固引水管作了較深入的、有益的試驗、探討，可為其它類似工程提供寶貴資料。 （收稿日期：2009-10-09）