程 春，馬 林

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

瑪依納水電站位于哈薩克斯坦共和國東南部阿拉木圖州萊姆別克區(qū)的伊犁河左岸一級(jí)支流恰倫河上，為一座綜合性水利樞紐，主要任務(wù)為發(fā)電，其次是灌溉。電站為混合式開發(fā)，主要建筑物由首部大壩樞紐、右岸地下引水系統(tǒng)和地面廠區(qū)樞紐等建筑物組成。當(dāng)?shù)夭牧蠅螇胃?4.0m，水庫總庫容2.38×107m3，引水隧洞全長4 913m，壓力管道主管長4 322m，設(shè)計(jì)水頭約500m，發(fā)電引用流量74.0m3/s。電站裝設(shè)2臺(tái)沖擊式水輪機(jī)，裝機(jī)容量300MW(150 MW×2)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

瑪依納水電站引水發(fā)電樞紐區(qū)地層主要為石炭系下統(tǒng)克特緬組(C1t-V1kt)火山巖，廠區(qū)附近有奧陶系上統(tǒng)(γO3)花崗巖侵入。電站大壩和主要建筑地段場(chǎng)地的地震烈度為MSK-64烈度表的Ⅸ度。

根據(jù)瑪依納水電站壓力管道開挖揭示的地層巖性、構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象、地下水活動(dòng)狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)類型以及垂直埋深等，按照規(guī)范確定的圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，壓力管道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)值見表1。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)屬大陸性干旱少雨氣候區(qū)，地下水補(bǔ)給源主要為雨季降雨和冬季降雪，大氣降水補(bǔ)給相對(duì)較少。壓力管道3號(hào)支洞溝至上游豎井段附近洞段(管0+540.00～管0+574.00m)地下水活躍，局部存在涌水，其余部位地下水活動(dòng)弱，洞段多潮濕～干燥。

3 壓力管道布置設(shè)計(jì)

引水系統(tǒng)主要由有壓引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等建筑物組成。

鑒于壓力管道區(qū)的地質(zhì)條件較差、管道所承受的內(nèi)水壓力較大，并結(jié)合壓力管道區(qū)沿線沖溝發(fā)育、溝脊相間起伏較大的地形特點(diǎn)，壓力管道布置設(shè)計(jì)中根據(jù)引水隧洞和廠房的布置盡量抬高管道的底板高程，并設(shè)置豎井以減短高壓段的長度，力求降低管道內(nèi)水壓力，以減薄鋼板厚度和減少鋼材量，縮短支洞的長度節(jié)省工期。結(jié)合調(diào)壓井及廠房的布置，壓力管道在平面上設(shè)置了2個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，在立面上設(shè)置了2個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)(即1個(gè)豎井)。采用一條主管經(jīng)一個(gè)“Y”形岔管分成兩條支管分別向廠房內(nèi)2臺(tái)機(jī)組供水的聯(lián)合供水布置方式。壓力管道由上平段、豎井段和下平段以及岔、支管段組成。(管)0+003.620～(管)4+317.686m為主管段，其后為岔支管段；主管內(nèi)徑4.1m，支管內(nèi)徑2.6m。

表1 瑪依納水電站地下洞室圍巖分類及巖體力學(xué)參數(shù)建議值

注：Ⅳ1為Ⅳ類偏好圍巖，Ⅳ2為Ⅳ類偏差圍巖。

引水系統(tǒng)平面及縱剖面布置示意見圖1。

圖1 引水系統(tǒng)平面及縱剖面布置示意

4 壓力管道設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)內(nèi)壓、襯砌斷面及襯砌材料確定

壓力管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力按調(diào)壓室最高涌浪水位及壓力管道水錘升壓分析確定。壓力管道最大水錘內(nèi)壓為水庫正常蓄水位1 770.00m，為2臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)丟棄全負(fù)荷情況。地下埋管壓力波傳播速度取為1 200m/s。經(jīng)計(jì)算，最大水錘為間接水錘中的第一相水錘，其水錘升壓系數(shù)ζ=0.21，壓力升高值△H=111.18m，壓力管道末端最大水頭為632.74m，相應(yīng)水位為1 880.74m，而調(diào)壓室最高涌浪水位為1 787.61m，故壓力管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓按水錘升壓控制。

綜合考慮管道水頭損失、鋼材量等因素，確定主管經(jīng)濟(jì)管徑為4.1m，支管經(jīng)濟(jì)內(nèi)徑為2.6m。

因本電站的設(shè)計(jì)水頭較高、管道沿線地質(zhì)條件較差，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，壓力管道全線采用了鋼板襯砌。為了節(jié)省鋼材用量，針對(duì)壓力管道沿線的內(nèi)外水壓力大小和相應(yīng)地質(zhì)條件，分段選用不同材質(zhì)的鋼板：以(管)0+946.107m為界，其上游管段采用普通16MnR鋼材，下游管段鋼材采用WDB620鋼材(低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板)。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于壓力管道沿線所承受的內(nèi)水壓力較大，為1.83～6.33MPa(含水錘壓力)，為控制工況，且管道區(qū)巖性復(fù)雜，受構(gòu)造、埋深影響，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈且破碎，圍巖穩(wěn)定性總體較差，因此鋼板混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要采取了如下原則：

4.2.1 主管段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主管按地下埋管且由鋼管單獨(dú)承載設(shè)計(jì)，埋管段管外回填60cm 厚C20素混凝土。鋼管管壁厚度計(jì)算公式按DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B公式計(jì)算：

式中t——鋼管管壁厚度，mm；

P——內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2；

r——鋼管內(nèi)半徑，mm；

σR——鋼材抗力限值，N/mm2；

f——鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；

ψ——設(shè)計(jì)狀況(持久狀況，系數(shù)ψ=1.0)；

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)，見表2；

鋼材的抗力限值σR計(jì)算結(jié)果見表2。

4.2.2 岔支管段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受廠區(qū)樞紐布置和岔支管運(yùn)輸安裝通道等因素的影響，靠近廠房部分的岔支管段為明管外包鋼筋混凝土，考慮岔管的受力復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)重要性，岔支管按明管設(shè)計(jì)。

將主管和支管的內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值P及其它參數(shù)代入上述公式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，管0+003.620～(管)0+946.107m段16MnR采用板厚為18～38mm，經(jīng)復(fù)核在運(yùn)行狀態(tài)下管壁的最大應(yīng)力為228MPa<σR(231 MPa)；(管)0+946.107～(管)4+317.686 m段WDB620采用板厚為28～48mm，經(jīng)復(fù)核，運(yùn)行狀態(tài)下管壁的最大應(yīng)力為314MPa<σR(315 MPa)。

4.2.3 鋼管承受外壓的彈性穩(wěn)定設(shè)計(jì)

壓力管道基本位于地下水位以下，其中(管)0+000～(管)0+540m以及(管)3+930～(管)4+318.6m洞段地下水活動(dòng)較弱，洞段潮濕～干燥，沿小斷層附近見季節(jié)性滲～滴水；(管)0+540～(管)0+574m地下水活躍，見涌水；(管)0+574～(管)3+930m開挖后見滲水～滴水狀地下水，但很快疏干，雨季及融雪期又見滲～滴水狀地下水活動(dòng)。

壓力管道埋管段埋深50～310m，覆蓋層厚20～100m。地下水位從巖石弱風(fēng)化線開始計(jì)，并考慮適當(dāng)?shù)耐馑畨毫φ蹨p系數(shù)和灌漿壓力，則鋼襯段的外壓按30～180m計(jì)。根據(jù)壓力管道鋼襯段管壁厚度及外壓大小，主管段鋼管外壁每隔2.0m或3.0m設(shè)一道加勁環(huán)，加勁環(huán)高度150mm，厚度18mm(部分為24mm)。

(1)加勁環(huán)間管壁的抗外壓穩(wěn)定

臨界外壓Pcr按米賽斯公式計(jì)算：

式中Pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值，

N/mm2；

ri——鋼管內(nèi)半徑，mm；

Es——鋼材彈模，取為2.06×105N/mm2；

νs——鋼材的泊松比，取為0.3；

t——鋼管壁厚，mm；

l——加勁環(huán)的間距，mm；

n——相應(yīng)于最小臨界壓力的波數(shù)。

(2)加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定

臨界外壓可采用下式計(jì)算：

式中σs——鋼材屈服點(diǎn)，N/mm2；

F——加勁環(huán)有效截面，mm2；

R——加勁環(huán)有效截面積重心軸半徑，mm。

其余符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算，加勁環(huán)間管壁的臨界外壓為1.912～10.354 MPa，滿足抗外壓穩(wěn)定要求；加勁環(huán)自身的臨界外壓為0.667～2.013MPa，考慮回填混凝土對(duì)加勁環(huán)的嵌固作用，其抗外壓穩(wěn)定滿足要求。

5 灌漿設(shè)計(jì)

5.1 回填灌漿

為使鋼襯外的回填混凝土與圍巖緊密貼合，以使圍巖承受一部分內(nèi)水壓力并保證圍巖壓力均勻傳遞于襯砌上，對(duì)壓力管道主管(埋管段)頂拱進(jìn)行了回填灌漿設(shè)計(jì)。

考慮(管)0+946.107m下游為低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板(WDB620)，根據(jù)DL/T 5141-2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中條文說明和工程實(shí)踐表明，“灌漿孔補(bǔ)強(qiáng)、封孔將引起應(yīng)力集中或焊接裂紋，尤其對(duì)高強(qiáng)鋼，危害更大”，因此為盡量減少對(duì)高強(qiáng)鋼管壁母材的傷害，高強(qiáng)鋼板襯砌段未在管壁頂拱開設(shè)回填灌漿孔，而是通過有可靠質(zhì)量保證措施的預(yù)埋灌漿管路(進(jìn)漿管、排氣管和回漿管等)對(duì)該段進(jìn)行頂拱回填灌漿，且每次回填灌漿長度不宜超過20m。

(管)0+946.107m上游為普通16MnR鋼材， 且位于關(guān)鍵線路上，考慮工期的需要和材質(zhì)的不同，在該段的管壁頂拱開設(shè)回填灌漿孔，采用1孔或2孔交替布置，1孔時(shí)在管頂，2孔時(shí)孔中心線夾角為70°，對(duì)稱于管中心鉛垂線，排距200cm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合加勁環(huán)間管壁和加勁環(huán)自身的抗外壓能力，為保證灌漿效果，回填灌漿壓力采用0.2～0.5MPa。

5.2 接觸灌漿

為增強(qiáng)回填混凝土與鋼板接觸面間的結(jié)合能力，對(duì)壓力管道埋管段鋼板襯砌進(jìn)行了接觸灌漿設(shè)計(jì)。接觸灌漿孔采用1孔或2孔交替布置，1孔時(shí)在管底，2孔時(shí)孔中心線夾角為70°，對(duì)稱于管中心鉛垂線，排距200cm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合加勁環(huán)間管壁和加勁環(huán)自身的抗外壓能力，為保證灌漿效果，接觸灌漿壓力為0.1～0.2MPa。

回填及接觸灌漿孔布置見圖2。

注：1.頂部回填灌漿孔與底部接觸灌漿孔位于同一立面上；頂部回填灌漿孔每排1孔或2孔，交錯(cuò)布置(1孔時(shí)位于洞頂)；2.當(dāng)?shù)撞拷佑|灌漿孔為1孔時(shí)，頂部回填灌漿孔為2孔；反之，當(dāng)?shù)撞拷佑|灌漿孔為2孔時(shí)，頂部回填灌漿孔為1孔。圖2 壓力管道埋管段回填及接觸灌漿孔布置

6 其 他

(1)在壓力管道開挖期間，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面前方20～30m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)95%，為管道的開挖及支護(hù)提供了可靠的依據(jù)，確保了開挖施工安全。鋼管安裝、回填混凝土、回填及接觸灌漿完成后，采用沖擊回波法對(duì)回填混凝土厚度、混凝土密實(shí)度、回填及接觸灌漿情況等進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)有缺陷的地方進(jìn)行了補(bǔ)灌，確保了襯砌質(zhì)量。

(2)因壓力管道部分洞段取消了位于鋼管頂部的回填灌漿孔，鋼管回填灌漿只能通過在混凝土澆筑前預(yù)埋的回填灌漿管進(jìn)行施工。回填灌漿管在每倉(18m長)混凝土擋頭模板安裝前進(jìn)行安裝，采用φ25鋼管，并加工成花管；排氣管采用φ25鋼管，每倉混凝土安裝1組回填灌漿管及排氣管于拱頂部位，并盡量靠近基巖面；排氣管位于灌漿管旁10cm處，孔口高于灌漿管10cm并與巖面或臨時(shí)支護(hù)噴混凝土面緊貼。考慮鋼管頂部未開設(shè)回填灌漿孔后期補(bǔ)灌困難，因此在回填混凝土和回填灌漿中添加適當(dāng)?shù)奈⑴蛎泟〉昧己眯Ч?/p>

7 結(jié) 語

(1) 為了及時(shí)反映管道的工作狀態(tài)，為電站在施工期、充水期和運(yùn)行期的安全提供依據(jù)，在壓力管道圍巖較差的(管)0+565m、(管)1+055m、(管)2+053m和(管)3+992m處襯砌斷面中分別設(shè)置了鋼板計(jì)，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)中的鋼板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。通過對(duì)觀測(cè)資料的整理和觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明，壓力管道管壁的實(shí)際應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)內(nèi)壓時(shí)的計(jì)算鋼板應(yīng)力。

(2) 瑪依納水電站于2011年12月底對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行充水并發(fā)電，電站運(yùn)行情況良好。壓力管道最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓P接近6.5MPa，管徑D為4.1m，管道最大PD值大于2 600，屬高壓管道。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)際運(yùn)行表明，在管道上覆巖體厚度增加、圍巖完整性更好和強(qiáng)度更高的前提下，通過采取回填微膨脹混凝土、加強(qiáng)回填灌漿和接觸灌漿等措施，使鋼襯、混凝土和圍巖結(jié)合緊密并聯(lián)合承載，管壁厚度可適當(dāng)減薄，可進(jìn)一步節(jié)約投資。

(3) 壓力管道破壞以外壓失穩(wěn)居多，對(duì)埋深大、地下水位高的管段，必須高度重視。經(jīng)過綜合分析，瑪依納水電站壓力管道加勁環(huán)間的管壁抗外壓能力須給予充分保證，而加勁環(huán)自身因回填混凝土的嵌固作用，其抗外壓能力得以加強(qiáng)。

致謝：本文得到了成都院水道處教授級(jí)高工劉朝清的悉心指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝！