响水涧抽水蓄能电站引水压力管道设计

响水涧抽水蓄能电站引水压力管道设计陈益民陈丽芬（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院浙江杭州310014）[摘要]本文介绍响水涧抽水蓄能电站引水压力管道设计，根据围岩承载的设计理念，采用钢筋混凝土及钢板衬砌，同时以多种灌浆形式为辅助手段，确保压力管道的正常运行。[关键词]围岩渗透准则水力梯度围岩承载压力管道1工程概述响水涧抽水蓄能电站工程主要枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、开关站及中控楼等组成。输水发电系统除上、下水库进/出水口以外均设在地下，厂房为首部开发。输水系统分引水、尾水系统，均采用单洞单机方式布置，共有四个水力单元，每个水力单元中心间距为24.25m，主要由上水库进/出水口、引水上平洞、事故闸门井、引水压力管道、尾水压力钢管、尾水隧洞（斜井）和下水库进/出水口组成（见图1），其中引水压力管道由竖井、下平洞混凝土衬砌段及引水压力钢管段组成。引水竖井直径为6.4m，下平洞混凝土衬砌段直径为5.3m，引水压力钢管直径为5.3~3.3m。图1输水系统剖面图2输水系统工程地质条件输水系统位于响水涧主冲沟右岸上、下水库之间，水平长约700m，呈东西向布置，所通过部位山体雄厚，地形高差约210m。沿线分布的基岩为中生代燕山晚期第二次侵入的花岗岩（γ53(2)）和三迭系上统黄马青组（T3h）地层，在花岗岩体中有后期侵入的闪长玢岩脉，规模较小，宽度一般为0.15m～0.85m。压力管道区岩性为花岗岩（γ53(2)），围岩呈微风化～新鲜状。本区域花岗岩主要构造为一些规模不大的断层破碎带及节理裂隙，主要构造呈NNE和NEE向分布，且均为陡倾角结构面，尤其是竖井中下部，个别结构面与竖井井壁基本平行发育，NEE向结构面与下平段夹角也比较小。输水系统沿线地表迳流条件好，基岩富水性差，地下水主要为基岩裂隙水，根据工程前期PD7探硐及施工期压力管道开挖段揭露，沿部分裂隙面、断层破碎带（挤压带）及岩脉均以渗、滴水为主，未发现线流状出水点。根据长观孔水位资料分析，除个别孔水位大幅下降外其余孔的水位变化均不大，表明PD7主、支洞的开挖及长期排泄，并未对山体的地下水位产生实质性改变，基岩裂隙水受裂隙发育程度及连通性的影响，显示出不均一性。在PD7探硐内，前期采用水压致裂法对压力管道区岩体进行了地应力测试，试验成果表明该区地应力以构造应力为主，测点最小主应力值平均为3.86MPa，最小主应力值为3.50MPa，均大于运行期最大静水压力2.74MPa。3围岩承载设计本工程压力管道除厂前一定范围采用钢衬外，其余洞段均采用钢筋混凝土衬砌。根据围岩承载设计理念，高压隧洞只有在满足最小地应力准则、挪威准则和围岩渗透准则的情况下，才可以采用透水衬砌（钢筋混凝土衬砌在高压水作用下，不可避免会出现裂缝，故属透水衬砌）或不衬砌，围岩为承载、防渗的主体。引水压力管道沿线任何一点围岩最小主应力值均大于该点洞内最大静水压力，并有一定的安全裕量，因此满足最小地应力准则；隧洞最小上覆岩体重量大于洞内静水压力，且安全系数大于规范[1]规定的1.3~1.5，保证围岩在最大内水压力作用下，不会发生上抬，且两侧山体坡度较缓，侧向覆盖较深，满足挪威准则；围岩渗透准则是对岩体、裂隙渗透性能的评判，判断是否满足长期渗透稳定的要求，即隧洞内外渗水量不随随时间持续增加或突然增加。其评判标准为岩体的天然透水率和长期稳定的渗透水力梯度。根据前期钻孔测得压力管道区试验段岩体的透水率＜1.0Lu，满足规范[1]规定的高压管道混凝土衬砌成立对岩体天然透水率的要求；而对于长期稳定的渗透水力梯度，规范没有明确的规定，由于水文地质条件、工程布置、建筑物等级不尽相同，对于水力梯度也无法采用统一的标准，大家对其认识也有差异，许多同行及专家认为水力梯度值控制在10以内，围岩一般不会产生水力劈裂和渗透失稳。本工程压力管道竖井下部毛洞最小净距16.85m，放空检修一洞有水，邻洞无水时，水力梯度达到14.7，下平洞毛洞最小净距17.95m，其水力梯度为15.3。压力管道竖井中下部、下平洞段陡倾角结构面比较发育，沿结构面的长期渗透稳定存在一定风险，需要通过高压渗透试验来综合评判压力管道区岩体是否满足围岩渗透准则。4现场高压渗透试验2008年12月～2009年1月，杭州华东工程检测技术有限公司在前期探硐支洞PD7-1、PD7-2内布置了CS1和CS2孔、CS3和CS4孔、CS5和CS6孔组成三组高压渗透试验孔，分别针对断层f136、f133、f139和f140，在断层区及其上、下盘进行了多组渗透试验。CS1、CS4、CS6孔为主动孔，CS2、CS3、CS5孔为观察孔。针对不同试验段采用了中速和快速的试验方法。试验最大压力以发生渗透破坏、达到8MPa或水泵最大流量控制。试验结果[2]如下，f136断层在试验孔段沿结构面发生水力劈裂的临界压力为5.0MPa，临界压力下的水力梯度为56.2；F136断层上盘、下盘试验孔段岩体沿裂隙发生水力劈裂的临界压力分别为4.5MPa、5.5MPa，相应临界压力下的水力梯度分别为50、91.7；F133断层在试验孔段的完整性较好，断层及裂隙的连通性较差，试验压力达到8.0MPa时的渗透流量较小，没有明显的水力劈裂现象；F133断层上盘岩体发育有延伸较长的节理（裂隙），试验得到沿结构面发生水力劈裂的临界压力为5.0MPa，临界压力下的水力梯度为42.7；F139断层、F140断层在试验孔段沿结构面发生水力劈裂的临界压力分别为7.0MPa、5.5MPa，临界压力下的水力梯度分别大于85.4和80.9；F139和F140断层交叉段的上盘岩体节理（裂隙）发育，试验得到的沿裂隙发生水力劈裂的临界压力为3.0MPa，临界压力下的水力梯度大于14.7。从试验结果来看，除了个别试验段岩体临界水力梯度安全裕量不足以外，大部分试验段安全系数比较大，因此，压力管道区岩体及结构面的水力梯度满足长期渗透稳定的要求，即满足围岩渗透准则。5引水压力钢管设计通过高压渗透试验综合考虑最小地应力准则、挪威准则，可见压力管道区可采用钢筋混凝土衬砌。另一方面，压力管道与地下厂房相连，地下厂房上游岩体发生渗透失稳带来的危害性将更加严重，因此压力管道进入厂房前的一定范围内应采用钢衬，钢衬长度应取更小的水力梯度值来控制，且临近厂房的一小段范围，钢衬应按明管设计，承担全部内水压力。参照国内外抽水蓄能电站钢衬长度与水头的比值（见表1），综合考虑本工程压力管道区水文地质条件及水工建筑物的布置，响水涧电站引水压力钢管长度取79m，与水头的比值为0.288，进厂前6.0m钢管承担全部内水压力，厂前6~18m钢管按半埋管设计，钢材许用应力按埋管取值，不考虑围岩弹抗，厂前18m以外的钢管按埋管设计，围岩与钢衬共同承担内水压力。根据计算，钢衬采用500MPa级和600MPa级两种材质。表1国内外抽水蓄能电站钢衬长度与水头的比值表工程名称装机（MW）最大静水头(m)钢衬长度(m)L/H岩性天荒坪一期6×300679.6184.50.271凝灰岩广蓄一期4×3006111500.245花岗岩广蓄二期4×3006111500.245花岗岩桐柏4×250344107.60.312花岗岩泰安4×250309.577.90.251花岗岩仙游4×3005401100.204凝灰岩仙居4×3505621660.295凝灰岩天荒坪二期6×3508483400.4凝灰岩巴斯康蒂6×3504071910.469迪诺威克6×3005901140.19响水涧4×250274790.288花岗岩6灌浆设计压力管道区正常运行时内水压力主要由围岩承担（明钢管段除外），放空检修时衬砌亦承担外水压力。因此，结构设计的主要任务不仅要保证衬砌和围岩结构紧密结合，还要尽量恢复或提高隧洞周边爆破松动圈，甚至松动圈以外围岩的承载和防渗能力。这就需要在压力管道区进行回填灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆和接触灌浆。压力管道区除竖井外均进行了系统回填灌浆，混凝土衬砌段、500MPa级钢衬段分别采用现场钻孔和预开孔的方式，600MPa级钢衬段采用预埋回填灌浆管的方式进行回填灌浆；钢衬首部进行环向帷幕灌浆，并与压力管道顶部排水廊道内向下的竖向帷幕进行封闭，共同抵御来自上游混凝土衬砌段内水外渗和蓄水后地下水位抬升造成的外水压力；500MPa级钢衬段采用预开孔和现场开孔相结合的方式对脱空处进行接触灌浆，以减小钢衬与混凝土之间的缝隙，使混凝土能够将钢衬承受的荷载更多更及时的传递到围岩上去；压力管道除了600MPa级钢衬段以外均布置了系统固结灌浆，混凝土衬砌段、500MPa级钢衬段分别采用现场钻孔和钢管管身预开孔的方式进行。固结灌浆拟采用单一水灰比稳定浆液，环间分序,环内加密。灌浆浆液所用水泥根据隧洞内水头、衬砌形式不同而定：160m水头以内混凝土衬砌段、500MPa级钢衬段拟采用普通硅酸盐水泥；160m~195m水头以内混凝土衬砌段I序孔拟定为普通硅酸盐水泥,II序孔为湿磨水泥，195m水头以上混凝土衬砌段拟全部采用湿磨水泥。7结语（1）响水涧电站先后采用地应力测试、高压渗透试验等手段，来分析和判断压力管道区域岩体的水文地质情况，这有助于工程设计人员合理、科学、经济的进行水工建筑物设计，对衬砌形式、灌浆参数等做出正确的选择。（2）渗透准则对于采用围岩承载理念设计的压力管道来说，同最小地应力准则、挪威准则（或雪山准则）一样，在前期的设计过程中应引起重视，这将直接影响到压力管道区，甚至是厂区岩体的渗透稳定。（3）同类工程岩体的水力梯度经验值具有重要的参考意义，但是不应照搬照抄，应根据具体工程的水文地质条件、水工建筑物布置、工程等级进行综合判断，在有条件的前提下，应借助高压渗透试验等手段进行必要的论证，这既可以使工程达到经济合理，又能减小工程风险。（4）固结灌浆固然能够提高岩体的承载能力、防渗能力，但是由于工程条件的限制，浆液的渗透半径非常有限，固结灌浆仅是对隧洞周边爆破松动圈及松动圈以外一定范围内围岩的裂隙进行填充，围岩加固的范围亦非常有限，原岩的渗透系数和水力梯度对于判断渗透准则是否成立才具有参考价值。