對(duì)拉西瓦水電站高壓引水管道設(shè)計(jì)的意見(jiàn)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(zhǎng)度見(jiàn)表1-1。
表1-1                  引水管道軸線長(zhǎng)度
管號(hào)        剛襯        鋼筋混凝土襯砌段（m）        剛襯段（m）        管道長(zhǎng)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(wú)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(jiàn)
2.1  豎井段的開(kāi)裂滲水問(wèn)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(kāi)裂后鋼筋才能起作用，混凝土開(kāi)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(kāi)裂不可避免。目前，解決隧洞開(kāi)裂問(wèn)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(wàn)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(méi)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(guó)首次采用預(yù)應(yīng)力灌漿技術(shù)的湖南黃嶺水庫(kù)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(guò)滲水事故，后來(lái)又進(jìn)行了高壓灌漿處理。
拉西瓦廠房導(dǎo)洞開(kāi)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(kāi)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?jī)H有55m，滲徑很短。
2.2  下彎段的抗外壓穩(wěn)定問(wèn)題
豎井混凝土襯砌開(kāi)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(wèn)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?jiǎn)栴}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(wàn)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(wèn)題是鋼筋混凝土襯砌段的開(kāi)裂滲水問(wèn)題和鋼襯段的抗外壓穩(wěn)定問(wèn)題。這兩大問(wèn)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(wèn)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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(jiǎn)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(lái)，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(wèn)題。在混凝土襯砌的隧洞段，其防滲問(wèn)題很難解決，在高水頭內(nèi)壓作用下，混凝土襯砌必然開(kāi)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(wèn)題，類似的工程實(shí)例很多。有些工程為了防止出現(xiàn)過(guò)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(wèn)題解決了，但是，鋼管的抗外壓?jiǎn)栴}卻十分突出，如美國(guó)的巴斯康蒂抽水蓄能電站，我國(guó)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(kāi)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(shuō)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(lái)的，其優(yōu)點(diǎn)是能合理地發(fā)揮每種材料的長(zhǎng)處，避免了其短處。鋼管的長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(jiàn)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(shuō)明圍巖地質(zhì)條件太差，需要通過(guò)固結(jié)灌漿來(lái)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(kù)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(wèn)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。