抽水蓄能電站高壓水道鋼筋混凝土襯砌技術特點

章 鵬,潘定才,鄭晶星

(中國南方電網調峰調頻發電公司,廣東廣州510630)

中國南方電網調峰調頻發電公司負責南方電網所轄區域內抽水蓄能電站的建設、運營、維護和管理,已投入運行了廣州抽水蓄能電站(以下簡稱廣蓄)、惠州抽水蓄能電站(以下簡稱惠蓄)和清遠抽水蓄能電站(以下簡稱清蓄)3座電站,在建的有深圳抽水蓄能電站(以下簡稱深蓄)、海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡稱海蓄)、陽江抽水蓄能電站(以下簡稱陽蓄)、梅州抽水蓄能電站(以下簡稱梅蓄)4座電站,7座電站的高壓水道最大靜水頭在384～799 m之間,陽蓄電站的最大動水頭達1 108 m,均采用鋼筋混凝土襯砌。廣蓄電站二期和惠蓄電站A廠高壓水道在首次充水時出現過較大量的內水外滲,經處理后均正常運行。在總結已有經驗教訓基礎上,清蓄電站、深蓄電站、海蓄電站高壓水道充水一次成功。本文擬對相關工程實踐經驗做簡要介紹,對采用高壓水道鋼筋混凝土襯砌要關注的主要因素及適用條件提出初步認識。

1 高壓水道鋼筋混凝土襯砌主要技術特點

廣蓄電站高壓水道采用鋼筋混凝土襯砌,是我國首次按透水襯砌理論設計建造的,依靠圍巖承載絕大部分內水壓力荷載,考慮圍巖應力場和滲流場的耦合作用,反映了水工高壓隧洞鋼筋混凝土襯砌的實際受力變形狀態。后續電站均在該思想指導下設計建造,其主要技術特點是承載內水壓力和控制內水外滲量以圍巖為主、襯砌為輔,薄襯砌、少配筋，并配以必要的圍巖高壓灌漿處理措施[1- 4]。

1.1 主要技術參數

南方電網所轄區域內的7座抽水蓄能電站高壓水道主要技術參數見表1。除地質缺陷較嚴重的洞段外,一般按透水襯砌理論分析厚度60 cm即可保證水道安全運行,但初砌厚度較薄時對頂拱混凝土施工質量控制要求高。個別電站頂拱一次澆筑的厚度較薄,雖然通過回填灌漿可以保證混凝土密實性,但在放空水道檢查時發現頂拱出現較密集的閉合狀裂縫。按透水襯砌理論計算,配筋總體上I、II類圍巖采用單層,III、IV類圍巖及明顯地質缺陷處適當加強,不同工程不同的設計單位處理不同。隨著對混凝土耐久性的認識逐步加強,后續電站傾向在襯砌混凝土表面涂刷保護層。

表1 南方電網區域內抽水蓄能電站高壓水道主要技術參數

1.2 圍巖高壓灌漿

圍巖高壓灌漿是必須配套采用的工程措施,灌漿壓力一般為靜水頭的1.2～1.5倍。廣蓄電站一期只采用了水泥灌漿,二期水道首次充水時發生了水力劈裂,在探洞處出現大量的滲水,采用了化學灌漿補強處理,其他電站均采用了系統的水泥灌漿和化學灌漿。圍巖高壓灌漿的主要目的是加固III、IV類圍巖,對I、II類圍巖是否需要實施灌漿加固有不同觀點。從已有經驗分析,對高壓水道I、II類圍巖實施系統的高壓水泥灌漿和化學灌漿是有必要的,但主要效果不是體現在加固圍巖減少滲漏,而是通過高壓灌漿一方面可對水道襯砌實施預壓應力、改善襯砌運行期的應力狀態,鋼筋計監測反映出有的洞段在水道充水后襯砌還處于受壓狀態,另一方面可以對I、II類圍巖中可能存在的弱面進一步補強。

惠蓄電站斷層(f65)由兩條相距約10 m、寬2～2.3 m的破碎帶及中間裂隙密集帶組成,開挖時該斷層曾出現突發性涌水,斷層位于內水壓力最大的下平洞,最大靜水壓力達624 m水頭,且斷層在距離5號施工支洞僅約80 m處出露,對該斷層進行高壓水泥和化學灌漿處理,水道充水后在5號施工支洞斷層出露處只觀察到少量滴水,水道放空檢查該處襯砌正常。

1.3 襯砌運行狀況

圖1是惠蓄、清蓄電站高壓岔管的鋼筋計監測過程線,由圖1可看出襯砌運行狀況。惠蓄電站水道充水前,部分鋼筋處于壓應力狀態,反映了高壓灌漿有預壓應力效果；水道充水至180 m水頭左右,有的鋼筋計拉應力有突變,表明混凝土出現開裂；鋼筋應力基本與水道水位同步反應,其變化規律與水道水位升降規律較為相似,最大應力約為280 MPa,水道放空后,基本回到充水前的應力值,鋼筋處于彈性狀態,襯砌運行安全。

清蓄電站上游水道充水高壓岔管鋼筋應力變化規律與惠蓄電站類似。充水前,部分鋼筋處于壓應力狀態,反映了高壓灌漿有預壓應力效果。充水初期,水位上升速度較快,水壓隨之快速增加,鋼筋計承受的拉應力增長較快,之后水位增速減慢,鋼筋計承受的拉應力增速放緩,隨著地下水位逐漸升高,在外水壓作用下,部分鋼筋計拉應力呈減小趨勢。

清蓄電站鋼筋計的值較惠蓄電站低,個別鋼筋計充水后仍處于受壓狀態,反映出清蓄電站水道高壓灌漿對襯砌的預壓效果優于惠蓄電站。

1.4 內水外滲情況

鋼筋混凝土襯砌的高壓水道必然發生內水外滲。南方區域雨量充沛,電站的地形地質條件優越,山體內有較穩定的地下水位,水道開挖期間滲水一般導致地下水位有大幅下降,在水道充水運行后,內水外滲使地下水位回升,一般均形成一個穩定的地下水位,內外水壓的抵消效應使得內水外滲量趨于收斂可控,并利于襯砌受力。以惠蓄電站A廠高壓水道區域的監測情況為例(見圖2),由圖2a可知,在水道充水結束后,高壓水道區域地下水位有較大抬升,并形成了新的穩定滲流場；由圖2b可知 ,隨著水道內水位的升高,內水外滲量逐漸加大,在水道充水結束后,內水外滲量趨于收斂。

圖1 高壓岔管鋼筋應力曲線

圖2 惠蓄電站A廠高壓水道區域的監測情況

1.5 鋼支管

高壓水道鋼筋混凝土襯砌方案在進入廠房前必須設置一定長度的鋼支管。根據工程經驗,鋼支管長度一般為靜水頭的0.2,具體長度見表1,鋼支管布置時須使鋼筋混凝土岔管處于較好的地質洞段。陽蓄電站水頭較大,采用了較長的鋼支管,其長度為靜水頭的0.32。鋼支管區域的外排水措施較關鍵,一般設4道,從上至下分別為利用探洞的外排水、與廠房排水廊道結合的外排水、鋼支管周邊圍巖的暗排水管及鋼支管外表面的暗排水管。

1.6 其他特點

圖3 施工支洞堵頭進人孔和分級放水閥示意

在較高高程的施工支洞堵頭處設置進人孔和分級放水閥,如圖3所示,十分利于電站運行管理,在各電站中均采用,位于最大水頭處的堵頭從安全方面考慮不設置；在水道平洞段設置集渣坑,可防止鋼筋頭、砂石等雜物進入機組流道；對高壓水道施工設置專門的施工支洞,有利于減少施工干擾,但施工支洞堵頭承受的水頭高,設計施工復雜,施工質量要求高,堵頭施工工期長,其他電站有的改為擴挖引水支管作為施工通道,避免設置高壓堵頭,類似工程可參考。

2 高壓水道鋼筋混凝土襯砌應用探討

2.1 體會

(1)設計方案雖然滿足抗抬準則和最小主應力準則,并對圍巖進行了高壓固結灌漿處理,但由于地質條件的復雜性,不排除局部圍巖處仍會發生水力劈裂,如水力劈裂導致的內水外滲只造成山體地下水位的抬升,則問題是趨于可控狀態,不會影響電站正常運行。廣蓄電站二期和惠蓄電站A廠高壓水道首次充水發生水力劈裂后的內水外滲出漏點均在探洞內,必須進行處理,當時均放空水道進行了固結灌漿補強并封閉了滲水出漏部位,效果很好,但筆者認為在水道放空后僅封閉探洞滲水出漏部位也可能達到目的。水力梯度的控制值只能作參考。高壓水道附近的探洞應盡可能封堵掉,如要利用其作排水,應采用襯砌后設排水管方式,排水管管口設控制閥,鋼支管區域的上游排水廊道也應如此處理；高壓堵頭后的施工支洞如有與水道相關聯的地質構造,也宜進行一定范圍的襯砌封閉。后續電站按此思路實施,同時對水道固結灌漿實施精細化管控,水道充水一次成功。

(2)需重視襯砌混凝土耐久性,應進一步開展高性能混凝土配合比的科研工作。

(3)需重視原型監測設計工作,以獲得系統、科學的監測數據,不斷提升認識水平,形成相關的技術規范。

(4)固結灌漿工程量大,一旦發生個別灌漿孔漏灌漏封情況,則危害甚大,故對固結灌漿工程必須進行精細化管控。

(5)鋼筋混凝土襯砌水道首次充水要嚴格控制水位上升速度。南方地區上水庫一般可提前蓄水,故通常利用上庫進出水口閘門上的充水閥進行充水,實際操作過程中出現過兩次充水閥被雜物卡住的情況,導致首次充水時的水位控制不能按預定的計劃實施,由于水庫中可能存在半浮雜物,建議首次充水改為采用臨時充水泵或臨時旁通管從上水庫取水實施。

2.2 適用條件探討

目前主要考慮滿足最小覆蓋厚度要求(抗抬準則)、滿足最小主應力準則和具備優良的地質條件三個方面,對優良的地質條件的判斷無法量化,根據公司已建電站情況,I、II類圍巖在75%左右,III類圍巖在20%左右,存在極少量IV類圍巖。在上述條件基礎上,建議增加水文地質條件的分析,如處于干旱和山體地下水位極低的條件,即使已滿足前三個條件,也不適宜采用鋼筋混凝土襯砌。北方地區的高壓水道采用鋼板襯砌有其合理性和必然性。高壓隧洞采用鋼筋混凝土襯砌,必然存在內水外滲,如何評價其影響,什么范圍是可以接受的,難以標準化,但以下幾點是要保證的：①內水外滲不影響廠房的正常運行；②內水外滲不影響山體穩定；③不出現集中的大量滲漏；④不產生有害的水力劈裂；⑤上水庫天然降雨量扣除蒸發后可抵消內水外滲量。

3 結 語

抽水蓄能電站高壓水道是否采用鋼筋混凝土襯砌,歸根結底是一個技術經濟比較問題。南方地區雨量充沛,如滿足抗抬準則和最小主應力準則,工程地質條件優越,水文地質條件良好,則采用鋼筋混凝土襯砌是較優的選擇,特別是在一洞多機的布置方案下,由于水道洞徑較大,鋼筋混凝土襯砌較鋼板襯砌的優越性更為明顯。

[1] 葉冀升. 廣蓄電站水工高壓隧洞設計施工的若干問題[J]. 水力發電學報, 1998(2): 38- 49．

[2] 侯靖, 胡敏云. 水工高壓隧洞結構設計中若干問題的討論[J]. 水利學報, 2001(7): 36- 40．

[3] 鐘建文, 谷兆祺, 彭守拙. 高壓隧洞襯砌設計配筋研究[J]. 水力發電學報, 2007, 26(2): 42- 46．

[4] 鄭治, 劉杰, 彭成佳. 水工隧洞受力特性研究和結構設計思路[J]. 水力發電學報, 2010, 29(2): 190- 196．