對(duì)拉西瓦水電站高壓引水管道設(shè)計(jì)的意見和建議

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1  引水管道工程概況
拉西瓦水電站高壓引水管道按單管單機(jī)布置，共有6條，采用隧洞和地下埋管，設(shè)計(jì)管徑9.5m，單機(jī)引用流量380m3/s，管內(nèi)流速5.36m/s。設(shè)計(jì)靜水頭234.7m，最大水頭257.63m。引水管道分為上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下水平段。其中上平段、上彎段和豎井段按隧洞設(shè)計(jì)，下彎段和下水平段按地下埋管設(shè)計(jì)。隧洞段鋼筋混凝土襯砌厚度1.0m，地下埋管段鋼板襯砌厚度為30～40mm。2#～6#管上平段包含水平轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑30m，轉(zhuǎn)角24.8°。上平段軸線高程分別為：1#和2#管2344.75m；3#和4#管2364.75m；5#和5#管2384.75m。下水平段軸線高程為2222.30m。1#管上彎段彎曲半徑26m，轉(zhuǎn)角90°，2#～6#上彎段彎曲半徑30m，轉(zhuǎn)角90°；下彎段彎曲半徑26m，轉(zhuǎn)角90°。1#管下水平段包含水平轉(zhuǎn)彎段,轉(zhuǎn)彎半徑26m,轉(zhuǎn)角25°。引水管道長度見表1-1。
表1-1                  引水管道軸線長度
管號(hào)        剛襯        鋼筋混凝土襯砌段（m）        剛襯段（m）        管道長度
總計(jì)（m）
        漸變段        上平段        上彎段        豎井段        合計(jì)        下彎段        下平段        合計(jì)        
1        20        0        40.84        70.45        111.29        40.84        44.83        85.67        216.96
2        20        38.41        47.12        66.45        151.98        40.84        24.80        65.64        237.62
3        20        53.37        47.12        86.45        186.94        40.84        26.19        67.03        273.97
4        20        68.33        47.12        86.45        201.90        40.84        27.58        68.42        290.32
5        20        83.29        47.12        106.45        236.86        40.84        28.96        69.80        326.66
6        20        98.25        47.12        106.45        251.82        40.84        30.35        71.19        343.01
合計(jì)        120.0        341.65        276.44        522.70        1140.79        245.04        182.71        427.75        1688.54

引水管道垂直埋深130～440m，巖性均為花崗巖。巖體風(fēng)化輕微、無卸荷，嵌合緊密、完整性好，屬于Ⅰ～Ⅱ類圍巖，局部地段與斷層交匯處有Ⅲ類圍巖（少量）分布。構(gòu)造節(jié)理主要有NNW、NE兩組，傾角大于50°，相向傾斜，可形成不穩(wěn)定楔形體。斷層在引水管道處分布稀少，切入上平段、豎井段的主要是一組緩傾角斷層Hf8、HL32、Hf10等。原始地下水位高程2280m左右，由于巖體完整，透水性差，地下水以裂隙網(wǎng)絡(luò)形式滲流。
2  對(duì)目前引水管道設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)意見
2.1  豎井段的開裂滲水問題
豎井段鋼筋混凝土襯砌按水工隧洞限裂設(shè)計(jì)，布置了大量的鋼筋，但是，只有混凝土開裂后鋼筋才能起作用，混凝土開裂前，大量的內(nèi)水壓力由混凝土承擔(dān)，而鋼筋應(yīng)力很小。拉西瓦工程引水管道的特點(diǎn)是管徑大，內(nèi)水壓力高，盡管圍巖承載力較高，混凝土的拉應(yīng)力仍然很高，混凝土襯砌的開裂不可避免。目前，解決隧洞開裂問題主要思路是對(duì)混凝土襯砌施加預(yù)壓應(yīng)力，使隧洞充水時(shí)混凝土襯砌出現(xiàn)環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力或拉應(yīng)力小于混凝土允許拉應(yīng)力，使襯砌運(yùn)行中的工作狀態(tài)可以大大得到改善。常用的施加預(yù)應(yīng)力的方法有兩種，一種是對(duì)圍巖按特定要求進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，使混凝土襯砌處于受壓狀態(tài)，漿液凝固后，襯砌仍能保存一定的壓應(yīng)力，這種方法稱為灌漿式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌；另一種施加預(yù)應(yīng)力的方法是機(jī)械式張拉預(yù)應(yīng)力錨索，使其對(duì)襯砌產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，稱為機(jī)械式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。廣州抽水蓄能電站曾耗資數(shù)百萬元，對(duì)混凝土襯砌的管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明，對(duì)圍巖采用高壓灌漿技術(shù)，并不能在襯砌上產(chǎn)生均勻的預(yù)壓應(yīng)力，有的部位根本就沒有產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。所以這種預(yù)應(yīng)力灌漿技術(shù)并不十分可靠。1978年我國首次采用預(yù)應(yīng)力灌漿技術(shù)的湖南黃嶺水庫引水管道（管徑1.8m，水頭310m）實(shí)際運(yùn)行539天后就出現(xiàn)了管道爆裂事故，其最大灌漿壓力為2.55MPa。而其后在白山，廣蓄和天荒坪等大型工程中，由于圍巖本身?xiàng)l件較好，所以也取得了成功。
拉西瓦的引水管道布置參考了二灘工程，據(jù)了解二灘工程的豎井段運(yùn)行中就出現(xiàn)過滲水事故，后來又進(jìn)行了高壓灌漿處理。
拉西瓦廠房導(dǎo)洞開挖中出現(xiàn)的塌方情況表明，緩傾角裂隙和陡傾角裂隙均較為發(fā)育。而豎井隧洞段的水平固結(jié)灌漿對(duì)緩傾角裂隙的效果可能不好。
一旦出現(xiàn)豎井混凝土襯砌開裂，高壓水就會(huì)直逼帷幕，如果帷幕存在薄弱環(huán)節(jié)，就會(huì)對(duì)地下廠房的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，因?yàn)閺呢Q井到地下廠房僅有55m，滲徑很短。
2.2  下彎段的抗外壓穩(wěn)定問題
豎井混凝土襯砌開裂滲水，會(huì)導(dǎo)致地下水位升高，對(duì)下彎斷和下平段的鋼管的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅，管道放空時(shí)有可能出現(xiàn)外壓失穩(wěn)問題。原設(shè)計(jì)對(duì)此有所考慮，在鋼管外設(shè)置了加勁環(huán)。但是，由于管徑太大，設(shè)置加勁環(huán)將會(huì)大量增加鋼板工程量。現(xiàn)對(duì)加勁環(huán)和管壁的臨界外水壓力復(fù)核計(jì)算如下：
（1）加勁環(huán)的臨界外水壓力計(jì)算
管徑r＝4.75m，如果取管壁厚度t＝40mm，加勁環(huán)間距l＝2m，加勁環(huán)高度h＝30cm，厚度a＝40mm。16Mn鋼板 ＝295N/mm2，計(jì)算公式如下：
        （2.2-1）
上式中加勁環(huán)有效截面積AR計(jì)算公式如下：
        （2.2-2）
將有關(guān)參數(shù)帶入式（2.2-2）中，求得AR＝40799.529mm2，將其帶入式（2.2-1）中，求得 ＝1.26 N/mm2，根據(jù)規(guī)范要求，取安全系數(shù)為1.8，則設(shè)計(jì)的臨界外水壓力 ＝0.71 N/mm2，相當(dāng)于71m水頭。
（2）加勁環(huán)間管壁的臨界外水壓力計(jì)算
加勁環(huán)間管壁的臨界外水壓力計(jì)算公式如下：
   （2.2-3）
式中：n——最小臨界壓力的波數(shù)，由 估算，取近似的整數(shù)。經(jīng)計(jì)算，取n=14。
將有關(guān)參數(shù)代入式（2.2-3），可求得臨界外壓 。安全系數(shù)為1.8，則設(shè)計(jì)的加勁環(huán)間管壁的臨界外水壓力為1.84N/mm2，相當(dāng)于184m水頭。
上述計(jì)算表明，如果考慮到所采取的排水措施的可靠程度，對(duì)外水壓力予以折減，則加勁環(huán)間管壁的抗外壓問題能滿足要求，但是，加勁環(huán)抗外壓尚不滿足要求，需要對(duì)上述加勁環(huán)尺寸進(jìn)行調(diào)整。
調(diào)整后加勁環(huán)的間距為100cm，加勁環(huán)高度h=40cm，厚度a=5cm，計(jì)算的臨界外水壓力 ＝2.9 N/mm2，考慮1.8的安全系數(shù)，則設(shè)計(jì)的臨界外水壓力 ＝1.61 N/mm2，則相當(dāng)于161m水頭。這樣 ，僅加勁環(huán)一項(xiàng)需要的用鋼量為2087t，如果在加上管壁的用鋼量4008t，則總用鋼量將達(dá)到6095t，將比原初設(shè)報(bào)告中的鋼材量4147t增加1948t，投資增加2254.9萬元。
3  引水管道設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議
拉西瓦高壓引水管道設(shè)計(jì)面臨的兩大問題是鋼筋混凝土襯砌段的開裂滲水問題和鋼襯段的抗外壓穩(wěn)定問題。這兩大問題解決不好，將對(duì)壓力管道和地下廠房的安全運(yùn)行流下隱患。要很好地解決這兩大問題，又不能增加工程投資，只有大膽采用新技術(shù)。
其實(shí)，壓力隧洞開裂滲水和地下埋管抗外壓穩(wěn)定是目前水電站壓力管道所面臨的共同問題。為了解決高水頭大直徑地下高壓引水管道設(shè)計(jì)中的問題，我們提出了雙層混凝土鋼板防滲地下高壓輸水管道技術(shù)（以下簡稱雙層管），將傳統(tǒng)的隧洞技術(shù)和地下埋管技術(shù)結(jié)合起來，既保證了工程運(yùn)行的安全可靠，又能大幅度降低工程投資，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。
3.1  雙層管的基本原理
目前，地下輸水管道發(fā)展中遇到了一些急待解決的問題。在混凝土襯砌的隧洞段，其防滲問題很難解決，在高水頭內(nèi)壓作用下，混凝土襯砌必然開裂而產(chǎn)生內(nèi)水外滲，使外水壓力升高，當(dāng)隧洞放空時(shí)，使混凝土襯砌遭到破壞。同時(shí)，內(nèi)水外滲還可能造成圍巖抗剪參數(shù)降低、軟化及邊坡失穩(wěn)等一系列問題，類似的工程實(shí)例很多。有些工程為了防止出現(xiàn)過大外水壓力，設(shè)置內(nèi)外水相通的排水孔，但其滲水量難以控制，且外壓削減也不可靠。而對(duì)于鋼板襯砌的地下埋管段，雖然防滲問題解決了，但是，鋼管的抗外壓問題卻十分突出，如美國的巴斯康蒂抽水蓄能電站，我國的綠水河電站和六盤水響水電站等工程，均發(fā)生了外壓失穩(wěn)的嚴(yán)重事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。地下埋管的管壁厚度一般由外水壓力控制，由于鋼管是薄壁結(jié)構(gòu)，其抗外壓能力較差，所以按抗外壓設(shè)計(jì)時(shí)，其管壁往往較厚。有時(shí)還要采用加勁環(huán)，不僅影響了混凝土的澆筑質(zhì)量，而且還加大了開挖洞徑。管壁加大后不僅材料用量增加，而且焊接工藝要求提高，因此增加了工程投資。根據(jù)工程實(shí)例，在內(nèi)水壓力作用下的鋼管的實(shí)際應(yīng)力并不高，說明鋼管的作用未能充分發(fā)揮。
雙層管就是在這種背景下提出來的，其優(yōu)點(diǎn)是能合理地發(fā)揮每種材料的長處，避免了其短處。鋼管的長處是防滲性能好，短處是抗外壓能力差，而混凝土的抗外壓能力較好，但其防滲性能差，一般情況下，地下引水管道的圍巖較好，大部分內(nèi)水壓力通過混凝土襯砌傳給圍巖承擔(dān)。雙層管由四種材料組成，分別為：內(nèi)層鋼筋混凝土、鋼管、外層混凝土、圍巖。能承擔(dān)三種力和滿足一種要求的四種作用，分別為：內(nèi)水壓力、山巖壓力、外水壓力、防滲要求。所以鋼板主要用來起防滲作用，因而其厚度可大大減薄，內(nèi)層鋼筋混凝土主要起抗外水壓力作用，外層混凝土和鋼管，內(nèi)層混凝土一起承擔(dān)山巖壓力，圍巖主要承擔(dān)內(nèi)水壓力。雙層管結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)剖面見圖3-1。鋼管和內(nèi)層鋼筋混凝土采用預(yù)制辦法施工，在鋼管加工廠制作。預(yù)制管在洞內(nèi)組裝，然后用泵管澆筑外圈混凝土。

3.2  雙層管的設(shè)計(jì)
3.2.1  承擔(dān)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)
內(nèi)水壓力大部分由圍巖承擔(dān)，小部分由鋼管承擔(dān)。鋼管承擔(dān)內(nèi)壓比 按下是式計(jì)算：
當(dāng)鋼管工作在彈性狀態(tài)時(shí)，                （3.2-1）
當(dāng)鋼管工作在塑性狀態(tài)時(shí)，                （3.2-2）
令鋼管工作在彈性階段時(shí)圍巖的最低的單位抗力系數(shù)為 ，鋼管在塑性屈服平臺(tái)工作時(shí)的圍巖最低彈性抗力系數(shù)為 ，計(jì)算公式如下：
                            （3.2-3）
        （3.2-4）
式中： ——鋼管應(yīng)力（ ）；
       ——鋼管壁厚（ ）；
       ——設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力（ ）；
       ——鋼管內(nèi)半徑（ ）；
——鋼板屈服點(diǎn)（ ）；
      ——圍巖承擔(dān)內(nèi)壓比；
——鋼管與外圈混凝土之間的縫隙值（ ）。
（1）當(dāng)實(shí)際工程 時(shí)，鋼管工作在彈性狀態(tài)，環(huán)向應(yīng)力：
        （3.2-5）
圍巖分擔(dān)內(nèi)壓比率：
        （3.2-6）
（2）當(dāng)實(shí)際工程 時(shí)，鋼管應(yīng)力處于塑性屈服平臺(tái)，鋼管應(yīng)力等于鋼材屈服點(diǎn)。圍巖分擔(dān)內(nèi)壓比率：
        （3.2-7）
（3）當(dāng)實(shí)際工程 ，說明圍巖地質(zhì)條件太差，需要通過固結(jié)灌漿來提高 值。
上述計(jì)算中未考慮預(yù)制管鋼筋承擔(dān)內(nèi)水壓力的作用，實(shí)際上盡管承受內(nèi)水壓力時(shí)預(yù)制管混凝土要開裂，但鋼筋仍能承擔(dān)部分內(nèi)水壓力。上述計(jì)算公式中未考慮，是將其作為一種安全儲(chǔ)備。
3.2.2  抗外壓設(shè)計(jì)
假設(shè)外圈現(xiàn)澆混凝土已經(jīng)裂穿，外水壓力直接作用在鋼板上，外水壓力完全由內(nèi)層預(yù)制管承擔(dān)。預(yù)制管按構(gòu)造要求配筋，管壁混凝土厚度和鋼板厚度根據(jù)抗外壓穩(wěn)定計(jì)算確定，預(yù)制管混凝土標(biāo)號(hào)采用C50?C60。
對(duì)于光面管可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)公式計(jì)算臨界外水壓力，按拱頂和兩腰混凝土裂穿后形成的三鉸拱計(jì)算，彈性失穩(wěn)的計(jì)算公式如下：
        （3.2-8）
如果計(jì)算中不考慮鋼管和鋼筋抗外壓的作用，則計(jì)算公式為：
        （3.2-9）
式中： ——臨界外水壓力( );
——混凝土彈性模量( );
——鋼板和鋼筋混凝土組合截面對(duì)形心慣性距( );
——鋼管外半徑( );
L——沿管軸方向單位長度( );
——預(yù)制管混凝土厚度( )。
在外水壓力作用下，預(yù)制管管壁受壓，外水壓力由鋼板、鋼筋混凝土組合截面承擔(dān)，當(dāng)壓應(yīng)力超過混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)，將發(fā)生塑性失穩(wěn)，計(jì)算公式如下:
        （3.2-10）
        （3.2-11）
式中： ——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值( );
——預(yù)制管內(nèi)半徑( )。
設(shè)計(jì)時(shí)，先初步設(shè)定預(yù)制管的混凝土壁厚 和鋼管壁厚t， 一般為15～25cm左右，管徑較大時(shí)可選用大值。t一般取6～10cm，選用Q235，C、D級(jí)鋼。若抗計(jì)算結(jié)果不滿足要求，則調(diào)整 和t，直至滿足抗外壓要求。由于雙層管抗?jié)B性較好，所以，外水壓力可按考慮水庫繞滲后的地下水位線確定，為了保證結(jié)構(gòu)安全，計(jì)算時(shí)可考慮一定的安全系數(shù)。
4  拉西瓦電站引水管道采用雙層管方案設(shè)計(jì)
拉西瓦水電站引水管道設(shè)計(jì)水頭高，管徑大，管道抗外壓穩(wěn)定問題突出，但是圍巖承載力高，所以采用雙層管技術(shù)是適宜的。