对拉西瓦水电站高压引水管道设计的意见和建议

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1  引水管道工程概况
拉西瓦水电站高压引水管道按单管单机布置，共有6条，采用隧洞和地下埋管，设计管径9.5m，单机引用流量380m3/s，管内流速5.36m/s。设计静水头234.7m，最大水头257.63m。引水管道分为上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下水平段。其中上平段、上弯段和竖井段按隧洞设计，下弯段和下水平段按地下埋管设计。隧洞段钢筋混凝土衬砌厚度1.0m，地下埋管段钢板衬砌厚度为30～40mm。2#～6#管上平段包含水平转弯段，转弯半径30m，转角24.8°。上平段轴线高程分别为：1#和2#管2344.75m；3#和4#管2364.75m；5#和5#管2384.75m。下水平段轴线高程为2222.30m。1#管上弯段弯曲半径26m，转角90°，2#～6#上弯段弯曲半径30m，转角90°；下弯段弯曲半径26m，转角90°。1#管下水平段包含水平转弯段,转弯半径26m,转角25°。引水管道长度见表1-1。
表1-1                  引水管道轴线长度
管号        刚衬        钢筋混凝土衬砌段（m）        刚衬段（m）        管道长度
总计（m）
        渐变段        上平段        上弯段        竖井段        合计        下弯段        下平段        合计        
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
合计        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，岩性均为花岗岩。岩体风化轻微、无卸荷，嵌合紧密、完整性好，属于Ⅰ～Ⅱ类围岩，局部地段与断层交汇处有Ⅲ类围岩（少量）分布。构造节理主要有NNW、NE两组，倾角大于50°，相向倾斜，可形成不稳定楔形体。断层在引水管道处分布稀少，切入上平段、竖井段的主要是一组缓倾角断层Hf8、HL32、Hf10等。原始地下水位高程2280m左右，由于岩体完整，透水性差，地下水以裂隙网络形式渗流。
2  对目前引水管道设计的几点意见
2.1  竖井段的开裂渗水问题
竖井段钢筋混凝土衬砌按水工隧洞限裂设计，布置了大量的钢筋，但是，只有混凝土开裂后钢筋才能起作用，混凝土开裂前，大量的内水压力由混凝土承担，而钢筋应力很小。拉西瓦工程引水管道的特点是管径大，内水压力高，尽管围岩承载力较高，混凝土的拉应力仍然很高，混凝土衬砌的开裂不可避免。目前，解决隧洞开裂问题主要思路是对混凝土衬砌施加预压应力，使隧洞充水时混凝土衬砌出现环向预压应力或拉应力小于混凝土允许拉应力，使衬砌运行中的工作状态可以大大得到改善。常用的施加预应力的方法有两种，一种是对围岩按特定要求进行高压固结灌浆，使混凝土衬砌处于受压状态，浆液凝固后，衬砌仍能保存一定的压应力，这种方法称为灌浆式预应力混凝土衬砌；另一种施加预应力的方法是机械式张拉预应力锚索，使其对衬砌产生预压应力，称为机械式预应力混凝土衬砌。广州抽水蓄能电站曾耗资数百万元，对混凝土衬砌的管道进行现场试验，表明，对围岩采用高压灌浆技术，并不能在衬砌上产生均匀的预压应力，有的部位根本就没有产生预应力。所以这种预应力灌浆技术并不十分可靠。1978年我国首次采用预应力灌浆技术的湖南黄岭水库引水管道（管径1.8m，水头310m）实际运行539天后就出现了管道爆裂事故，其最大灌浆压力为2.55MPa。而其后在白山，广蓄和天荒坪等大型工程中，由于围岩本身条件较好，所以也取得了成功。
拉西瓦的引水管道布置参考了二滩工程，据了解二滩工程的竖井段运行中就出现过渗水事故，后来又进行了高压灌浆处理。
拉西瓦厂房导洞开挖中出现的塌方情况表明，缓倾角裂隙和陡倾角裂隙均较为发育。而竖井隧洞段的水平固结灌浆对缓倾角裂隙的效果可能不好。
一旦出现竖井混凝土衬砌开裂，高压水就会直逼帷幕，如果帷幕存在薄弱环节，就会对地下厂房的安全运行产生影响，因为从竖井到地下厂房仅有55m，渗径很短。
2.2  下弯段的抗外压稳定问题
竖井混凝土衬砌开裂渗水，会导致地下水位升高，对下弯断和下平段的钢管的安全运行产生威胁，管道放空时有可能出现外压失稳问题。原设计对此有所考虑，在钢管外设置了加劲环。但是，由于管径太大，设置加劲环将会大量增加钢板工程量。现对加劲环和管壁的临界外水压力复核计算如下：
（1）加劲环的临界外水压力计算
管径r＝4.75m，如果取管壁厚度t＝40mm，加劲环间距l＝2m，加劲环高度h＝30cm，厚度a＝40mm。16Mn钢板 ＝295N/mm2，计算公式如下：
        （2.2-1）
上式中加劲环有效截面积AR计算公式如下：
        （2.2-2）
将有关参数带入式（2.2-2）中，求得AR＝40799.529mm2，将其带入式（2.2-1）中，求得 ＝1.26 N/mm2，根据规范要求，取安全系数为1.8，则设计的临界外水压力 ＝0.71 N/mm2，相当于71m水头。
（2）加劲环间管壁的临界外水压力计算
加劲环间管壁的临界外水压力计算公式如下：
   （2.2-3）
式中：n——最小临界压力的波数，由 估算，取近似的整数。经计算，取n=14。
将有关参数代入式（2.2-3），可求得临界外压 。安全系数为1.8，则设计的加劲环间管壁的临界外水压力为1.84N/mm2，相当于184m水头。
上述计算表明，如果考虑到所采取的排水措施的可靠程度，对外水压力予以折减，则加劲环间管壁的抗外压问题能满足要求，但是，加劲环抗外压尚不满足要求，需要对上述加劲环尺寸进行调整。
调整后加劲环的间距为100cm，加劲环高度h=40cm，厚度a=5cm，计算的临界外水压力 ＝2.9 N/mm2，考虑1.8的安全系数，则设计的临界外水压力 ＝1.61 N/mm2，则相当于161m水头。这样 ，仅加劲环一项需要的用钢量为2087t，如果在加上管壁的用钢量4008t，则总用钢量将达到6095t，将比原初设报告中的钢材量4147t增加1948t，投资增加2254.9万元。
3  引水管道设计的改进建议
拉西瓦高压引水管道设计面临的两大问题是钢筋混凝土衬砌段的开裂渗水问题和钢衬段的抗外压稳定问题。这两大问题解决不好，将对压力管道和地下厂房的安全运行流下隐患。要很好地解决这两大问题，又不能增加工程投资，只有大胆采用新技术。
其实，压力隧洞开裂渗水和地下埋管抗外压稳定是目前水电站压力管道所面临的共同问题。为了解决高水头大直径地下高压引水管道设计中的问题，我们提出了双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道技术（以下简称双层管），将传统的隧洞技术和地下埋管技术结合起来，既保证了工程运行的安全可靠，又能大幅度降低工程投资，达到经济合理的目的。
3.1  双层管的基本原理
目前，地下输水管道发展中遇到了一些急待解决的问题。在混凝土衬砌的隧洞段，其防渗问题很难解决，在高水头内压作用下，混凝土衬砌必然开裂而产生内水外渗，使外水压力升高，当隧洞放空时，使混凝土衬砌遭到破坏。同时，内水外渗还可能造成围岩抗剪参数降低、软化及边坡失稳等一系列问题，类似的工程实例很多。有些工程为了防止出现过大外水压力，设置内外水相通的排水孔，但其渗水量难以控制，且外压削减也不可靠。而对于钢板衬砌的地下埋管段，虽然防渗问题解决了，但是，钢管的抗外压问题却十分突出，如美国的巴斯康蒂抽水蓄能电站，我国的绿水河电站和六盘水响水电站等工程，均发生了外压失稳的严重事故，造成了巨大的经济损失。地下埋管的管壁厚度一般由外水压力控制，由于钢管是薄壁结构，其抗外压能力较差，所以按抗外压设计时，其管壁往往较厚。有时还要采用加劲环，不仅影响了混凝土的浇筑质量，而且还加大了开挖洞径。管壁加大后不仅材料用量增加，而且焊接工艺要求提高，因此增加了工程投资。根据工程实例，在内水压力作用下的钢管的实际应力并不高，说明钢管的作用未能充分发挥。
双层管就是在这种背景下提出来的，其优点是能合理地发挥每种材料的长处，避免了其短处。钢管的长处是防渗性能好，短处是抗外压能力差，而混凝土的抗外压能力较好，但其防渗性能差，一般情况下，地下引水管道的围岩较好，大部分内水压力通过混凝土衬砌传给围岩承担。双层管由四种材料组成，分别为：内层钢筋混凝土、钢管、外层混凝土、围岩。能承担三种力和满足一种要求的四种作用，分别为：内水压力、山岩压力、外水压力、防渗要求。所以钢板主要用来起防渗作用，因而其厚度可大大减薄，内层钢筋混凝土主要起抗外水压力作用，外层混凝土和钢管，内层混凝土一起承担山岩压力，围岩主要承担内水压力。双层管结构标准剖面见图3-1。钢管和内层钢筋混凝土采用预制办法施工，在钢管加工厂制作。预制管在洞内组装，然后用泵管浇筑外圈混凝土。

3.2  双层管的设计
3.2.1  承担内水压力设计
内水压力大部分由围岩承担，小部分由钢管承担。钢管承担内压比 按下是式计算：
当钢管工作在弹性状态时，                （3.2-1）
当钢管工作在塑性状态时，                （3.2-2）
令钢管工作在弹性阶段时围岩的最低的单位抗力系数为 ，钢管在塑性屈服平台工作时的围岩最低弹性抗力系数为 ，计算公式如下：
                            （3.2-3）
        （3.2-4）
式中： ——钢管应力（ ）；
       ——钢管壁厚（ ）；
       ——设计内水压力（ ）；
       ——钢管内半径（ ）；
——钢板屈服点（ ）；
      ——围岩承担内压比；
——钢管与外圈混凝土之间的缝隙值（ ）。
（1）当实际工程 时，钢管工作在弹性状态，环向应力：
        （3.2-5）
围岩分担内压比率：
        （3.2-6）
（2）当实际工程 时，钢管应力处于塑性屈服平台，钢管应力等于钢材屈服点。围岩分担内压比率：
        （3.2-7）
（3）当实际工程 ，说明围岩地质条件太差，需要通过固结灌浆来提高 值。
上述计算中未考虑预制管钢筋承担内水压力的作用，实际上尽管承受内水压力时预制管混凝土要开裂，但钢筋仍能承担部分内水压力。上述计算公式中未考虑，是将其作为一种安全储备。
3.2.2  抗外压设计
假设外圈现浇混凝土已经裂穿，外水压力直接作用在钢板上，外水压力完全由内层预制管承担。预制管按构造要求配筋，管壁混凝土厚度和钢板厚度根据抗外压稳定计算确定，预制管混凝土标号采用C50?C60。
对于光面管可采用结构力学公式计算临界外水压力，按拱顶和两腰混凝土裂穿后形成的三鉸拱计算，弹性失稳的计算公式如下：
        （3.2-8）
如果计算中不考虑钢管和钢筋抗外压的作用，则计算公式为：
        （3.2-9）
式中： ——临界外水压力( );
——混凝土弹性模量( );
——钢板和钢筋混凝土组合截面对形心惯性距( );
——钢管外半径( );
L——沿管轴方向单位长度( );
——预制管混凝土厚度( )。
在外水压力作用下，预制管管壁受压，外水压力由钢板、钢筋混凝土组合截面承担，当压应力超过混凝土抗压强度时，将发生塑性失稳，计算公式如下:
        （3.2-10）
        （3.2-11）
式中： ——混凝土抗压强度设计值( );
——预制管内半径( )。
设计时，先初步设定预制管的混凝土壁厚 和钢管壁厚t， 一般为15～25cm左右，管径较大时可选用大值。t一般取6～10cm，选用Q235，C、D级钢。若抗计算结果不满足要求，则调整 和t，直至满足抗外压要求。由于双层管抗渗性较好，所以，外水压力可按考虑水库绕渗后的地下水位线确定，为了保证结构安全，计算时可考虑一定的安全系数。
4  拉西瓦电站引水管道采用双层管方案设计
拉西瓦水电站引水管道设计水头高，管径大，管道抗外压稳定问题突出，但是围岩承载力高，所以采用双层管技术是适宜的。