抽水蓄能電站高壓水道鋼筋混凝土襯砌技術(shù)特點(diǎn)研究

劉向陽 薛慶蓮

摘 要 鋼筋混凝土襯砌的地下高壓水道設(shè)計(jì)，需要高度重視高壓水外滲損失水量的問題，注意山體邊坡、電站建筑物隱藏的威脅。為解決這部分問題，有必要對(duì)地質(zhì)環(huán)境、最小主應(yīng)力和高壓水引起的圍巖滲透性系統(tǒng)分析。本文對(duì)鋼筋混凝土襯砌高壓水道設(shè)計(jì)各個(gè)準(zhǔn)則的關(guān)系進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究高壓水道鋼筋混凝土襯砌技術(shù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 抽水蓄能電站;高壓水道;鋼筋混凝土襯砌

引言

鋼板襯砌的地下高壓水道帶來的內(nèi)水壓力主要是圍巖聯(lián)合鋼板襯砌共同承擔(dān)，很多水電站水頭均采取了這樣的結(jié)構(gòu)，但制作、運(yùn)輸、安裝埋藏式鋼管的技術(shù)復(fù)雜，投資規(guī)模較大。相對(duì)來講，鋼筋混凝土襯砌的壓力水道投入低、施工便利。因此，水電站地下高壓水道更多利用鋼筋混凝土襯砌[1]。

1高壓水道鋼筋混凝土襯砌主要技術(shù)特點(diǎn)

1.1 圍巖高壓灌漿

目前，一般應(yīng)用的工程手段即圍巖高壓灌漿，其壓力相當(dāng)于1.2～1.5倍水頭。有些電站一期只采取了水泥灌漿的方法，探洞位置增大了滲水量，補(bǔ)強(qiáng)處理利用化學(xué)灌漿，另外還可以聯(lián)合使用水泥灌漿與化學(xué)灌漿。圍巖高壓灌漿是對(duì)圍巖實(shí)現(xiàn)加固。經(jīng)系統(tǒng)分析，高壓水泥灌漿與化學(xué)灌漿處理高壓水稻圍巖具有一定的可行性，此外還要對(duì)弱面實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)。電站斷層包含了破碎帶與裂隙集中帶，對(duì)其開挖突然出現(xiàn)涌水，可采取高壓水平與化學(xué)灌漿的方法處理，放空檢查水道，保證襯砌操作正常[2]。

1.2 襯砌運(yùn)行情況

由鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)過程線了解襯砌運(yùn)行情況。電站水道充水之前，部分鋼筋承擔(dān)了一定的壓應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力與水道水位同時(shí)反應(yīng)，其變化類似于水道升降水位規(guī)律，放空水道后，應(yīng)力值與充水前接近，鋼筋的彈性良好，提高了襯砌運(yùn)行的安全性。

1.3 內(nèi)水外滲情況

鋼筋混凝土襯砌的高壓水道產(chǎn)生內(nèi)水外滲的現(xiàn)象。在降雨量充足的地區(qū)，電站周圍地形地質(zhì)比較優(yōu)越，水道充水正常運(yùn)行以后，其穩(wěn)定性也不斷加強(qiáng)，內(nèi)外水壓的抵消有利于控制內(nèi)水外滲量，便于襯砌受力。

1.4 鋼支管

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，鋼支管長度通常接近于0.2靜水頭，一般選擇地質(zhì)較好洞段的鋼筋混凝土岔管位置安裝鋼支管。若電站有較大水頭，則選擇足夠長的鋼支管，相當(dāng)于0.32靜水頭。鋼支管所在區(qū)域應(yīng)采取合理的外排水措施[3]。

2高壓水道鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)原則

2.1 最小覆蓋厚度準(zhǔn)則

根據(jù)宏觀的地形與地質(zhì)條件判斷是否選擇鋼筋混凝土襯砌高壓水道，應(yīng)有：

通常來講，地形達(dá)到最小覆蓋厚度準(zhǔn)則見圖1：

隧道或高壓水道水平向的巖體覆蓋厚度在不規(guī)則或陡峭的地形發(fā)揮了控制功能，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需注意，該項(xiàng)準(zhǔn)則事實(shí)上屬于半經(jīng)驗(yàn)性的準(zhǔn)則，它不只便于布置高壓水道的洞線，還減輕了巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理和地質(zhì)缺陷等的干擾。一部分工程即便滿足了最小覆蓋厚度準(zhǔn)則還是出現(xiàn)了問題。因此，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試、地質(zhì)狀況等因素綜合判斷。

2.2 水力劈裂準(zhǔn)則

大量研究說明，水頭內(nèi)壓水力超過100m后，鋼筋混凝土高壓水道的襯砌無法避免裂縫，根據(jù)圍巖的地應(yīng)力，在任意節(jié)理或縫隙面出現(xiàn)了法向應(yīng)力，水力劈裂準(zhǔn)則如下：

滿足式（1）時(shí)，水壓作用下圍巖節(jié)理或裂隙面有效規(guī)避了拉應(yīng)力，如此預(yù)防圍巖發(fā)生水力劈裂問題;反之，節(jié)理或裂隙若發(fā)生張開問題，則根據(jù)立方定理，裂隙與隙寬通過流量后產(chǎn)生正比關(guān)系，引發(fā)高壓水道的滲漏，提高了破壞率。水力劈裂準(zhǔn)則基于理論角度對(duì)高壓水道的滲漏與破壞成因進(jìn)行了分析，提供了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但無法順利進(jìn)行應(yīng)用，但是獲取的節(jié)理裂隙無法代表高壓水道全線和不同產(chǎn)狀。這一準(zhǔn)則有利于準(zhǔn)確掌握混凝土襯砌高壓水道設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵。

2.3 最小主應(yīng)力準(zhǔn)則

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展促使利用應(yīng)力解除法、水壓致裂法等測(cè)試巖體應(yīng)力。綜合分析區(qū)域地應(yīng)力規(guī)律和測(cè)試地應(yīng)力數(shù)值，進(jìn)而在工程范圍內(nèi)科學(xué)分布初始地應(yīng)力場(chǎng)，采取最小主應(yīng)力對(duì)比高壓水道中的靜水壓力H，進(jìn)一步獲得最小主應(yīng)力準(zhǔn)則：

最小主應(yīng)力準(zhǔn)則聯(lián)系實(shí)際工程地質(zhì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，比如Mauranger水電站，其水頭接近于50～120m，基于這一情況，節(jié)理面上的法向應(yīng)力分量發(fā)揮了控制作用，通過公式（2）科學(xué)判斷，依然滿足要求。比如Byrte水電站，基于順坡的斷層、破碎帶、節(jié)理等存在，造成局部地應(yīng)力無法達(dá)到（3）的要求，進(jìn)一步產(chǎn)生滲漏。

故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，切記機(jī)械套用某一準(zhǔn)則，重點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)則的本質(zhì)綜合理解，有效分析地質(zhì)條件。

2.4 高壓滲透試驗(yàn)

不論是最小覆蓋厚度準(zhǔn)則還是最小主應(yīng)力準(zhǔn)則，都無法科學(xué)判斷斷層、構(gòu)造干擾的局部低應(yīng)力區(qū)，或評(píng)估構(gòu)造基于高壓水作用形成的滲透，而這些是決定混凝土襯砌高壓水道成敗的因素。除了上述分析之外，解決該類問題之一的主要手段即高壓滲透試驗(yàn)。

高壓滲透試驗(yàn)進(jìn)行方式為鉆孔中壓水，通常在大規(guī)模、高水頭的工程中適用。高壓滲透試驗(yàn)包括兩種方式：一種是布置2個(gè)鉆孔，主動(dòng)孔增加水壓，觀測(cè)涉及的被動(dòng)孔，逐步反復(fù)增加主動(dòng)孔壓力，每個(gè)壓力等級(jí)全部達(dá)12h，說明高壓水作用下的巖體具有良好的穩(wěn)定性;而單獨(dú)布置鉆孔時(shí)，壓力不斷升級(jí)，每級(jí)壓力均達(dá)到3min，進(jìn)一步得到巖體裂縫張開的水壓力大小。

3高壓水道鋼筋混凝土襯砌技術(shù)應(yīng)用

某抽水蓄能電站通過混凝土襯砌建立引水道與分岔管，其中最大靜水壓力680.2m，凍水頭高840m，2條引水道均采取7m直徑的主管道，在下平段劃分岔管為三部分。高壓水道處于坡角大概是0°的山體地形上，局部達(dá)到50°。經(jīng)過分析，將混凝土襯砌高壓水道的最不利位置作為鋼板襯砌分岔后的起始點(diǎn)。結(jié)合最小覆蓋厚度準(zhǔn)則，則有

事實(shí)上，系統(tǒng)考慮調(diào)整后的巖體最小覆蓋厚度為330m，安全指數(shù)為0.985，故采取鋼筋混凝土襯砌具有一定的可行性，主要原因：①選擇在巖體質(zhì)量較好的圍巖區(qū)域建立高壓水道系統(tǒng);②河谷以下大概60m產(chǎn)生岔管，存在一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)河谷憑借集中的應(yīng)力預(yù)防出現(xiàn)內(nèi)外滲水問題。經(jīng)勘探可知，岔管區(qū)域部分形成節(jié)理裂隙發(fā)育，直接影響了地應(yīng)力局部狀態(tài)，故在岔管區(qū)域采取高壓滲透試驗(yàn)科學(xué)評(píng)估圍巖的滲透性。要想獲得圍巖在高壓水作用下的滲透性、水力穩(wěn)定性等數(shù)據(jù)，在岔管區(qū)域進(jìn)行高壓滲透試驗(yàn)。

（1）劈裂壓力和穩(wěn)定臨界壓力。滲漏量在試驗(yàn)過程中快速增大壓力，這也是臨界壓力。在巖體節(jié)理閉合、緊密的各個(gè)環(huán)節(jié)提升壓力，增加試驗(yàn)次數(shù)時(shí)減小臨界壓力。當(dāng)水壓力無法達(dá)到穩(wěn)定的臨界壓力時(shí)，增加試驗(yàn)次數(shù)時(shí)增大滲水量。

（2）已有裂隙的滲透規(guī)律。試驗(yàn)提示的另一種狀況是未產(chǎn)生顯著臨界水壓力，滲水量與壓力形成冪函數(shù)的關(guān)系，滿足了滑板模型的立方利率，其中滲水量與水壓力通過Q=KPn聯(lián)系。巖體在鉆孔時(shí)發(fā)生地下水回流的現(xiàn)象，滲水量在壓水試驗(yàn)時(shí)快速增大，表明巖體初期已形成裂隙和滲漏通道。

（3）巖體滲透穩(wěn)定性。穩(wěn)定試驗(yàn)巖體的滲水量包括兩種情況：一種是延長時(shí)間增加了滲水量，先后對(duì)快速和中速試驗(yàn)進(jìn)行分析，當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到6MPa后，增加了滲水量，當(dāng)水壓力超過巖體地應(yīng)力時(shí)，引發(fā)水力劈裂，高壓水不斷對(duì)裂隙沖蝕，說明滲透穩(wěn)定性存在一定缺陷。另一種現(xiàn)象是時(shí)間延長時(shí)滲水量的變化更加穩(wěn)定，或略微縮小，該種狀況下巖體的滲透日趨穩(wěn)定。

此外，在高壓滲透試驗(yàn)中，系統(tǒng)研究了試驗(yàn)區(qū)域的地應(yīng)力、允許水力坡降等數(shù)據(jù)。相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果為選擇鋼板襯砌起始點(diǎn)位置發(fā)揮了重要作用。

4結(jié)束語

抽水蓄能電站高壓水道是否應(yīng)用鋼筋混凝土襯砌，這是一個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。在雨量充沛的地區(qū)，若達(dá)到最小主應(yīng)力準(zhǔn)則，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件均良好，則有必要采取鋼筋混凝土襯砌，特別是存在較大水道洞徑區(qū)域，鋼板襯砌的優(yōu)勢(shì)更加顯著。

參考文獻(xiàn)

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