章 鵬,潘定才,鄭晶星

(中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司,廣東廣州510630)

中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司負(fù)責(zé)南方電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)抽水蓄能電站的建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)和管理,已投入運(yùn)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(yuǎn)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(dá)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(xiàn)過較大量的內(nèi)水外滲,經(jīng)處理后均正常運(yùn)行。在總結(jié)已有經(jīng)驗教訓(xùn)基礎(chǔ)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(guān)工程實踐經(jīng)驗做簡要介紹,對采用高壓水道鋼筋混凝土襯砌要關(guān)注的主要因素及適用條件提出初步認(rèn)識。

1 高壓水道鋼筋混凝土襯砌主要技術(shù)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(shè)計建造的,依靠圍巖承載絕大部分內(nèi)水壓力荷載,考慮圍巖應(yīng)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(tài)。后續(xù)電站均在該思想指導(dǎo)下設(shè)計建造,其主要技術(shù)特點是承載內(nèi)水壓力和控制內(nèi)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(shù)參數(shù)

南方電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)的7座抽水蓄能電站高壓水道主要技術(shù)參數(shù)見表1。除地質(zhì)缺陷較嚴(yán)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(yùn)行,但初砌厚度較薄時對頂拱混凝土施工質(zhì)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(fā)現(xiàn)頂拱出現(xiàn)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(zhì)缺陷處適當(dāng)加強(qiáng),不同工程不同的設(shè)計單位處理不同。隨著對混凝土耐久性的認(rèn)識逐步加強(qiáng),后續(xù)電站傾向在襯砌混凝土表面涂刷保護(hù)層。

表1 南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)抽水蓄能電站高壓水道主要技術(shù)參數(shù)

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(fā)生了水力劈裂,在探洞處出現(xiàn)大量的滲水,采用了化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理,其他電站均采用了系統(tǒng)的水泥灌漿和化學(xué)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(jīng)驗分析,對高壓水道I、II類圍巖實施系統(tǒng)的高壓水泥灌漿和化學(xué)灌漿是有必要的,但主要效果不是體現(xiàn)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(yù)壓應(yīng)力、改善襯砌運(yùn)行期的應(yīng)力狀態(tài),鋼筋計監(jiān)測反映出有的洞段在水道充水后襯砌還處于受壓狀態(tài),另一方面可以對I、II類圍巖中可能存在的弱面進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)。

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(xiàn)突發(fā)性涌水,斷層位于內(nèi)水壓力最大的下平洞,最大靜水壓力達(dá)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(jìn)行高壓水泥和化學(xué)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(yùn)行狀況

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

清蓄電站上游水道充水高壓岔管鋼筋應(yīng)力變化規(guī)律與惠蓄電站類似。充水前,部分鋼筋處于壓應(yīng)力狀態(tài),反映了高壓灌漿有預(yù)壓應(yīng)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(yīng)力增長較快,之后水位增速減慢,鋼筋計承受的拉應(yīng)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(yīng)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(tài),反映出清蓄電站水道高壓灌漿對襯砌的預(yù)壓效果優(yōu)于惠蓄電站。

1.4 內(nèi)水外滲情況

鋼筋混凝土襯砌的高壓水道必然發(fā)生內(nèi)水外滲。南方區(qū)域雨量充沛,電站的地形地質(zhì)條件優(yōu)越,山體內(nèi)有較穩(wěn)定的地下水位,水道開挖期間滲水一般導(dǎo)致地下水位有大幅下降,在水道充水運(yùn)行后,內(nèi)水外滲使地下水位回升,一般均形成一個穩(wěn)定的地下水位,內(nèi)外水壓的抵消效應(yīng)使得內(nèi)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(qū)域的監(jiān)測情況為例(見圖2),由圖2a可知,在水道充水結(jié)束后,高壓水道區(qū)域地下水位有較大抬升,并形成了新的穩(wěn)定滲流場；由圖2b可知 ,隨著水道內(nèi)水位的升高,內(nèi)水外滲量逐漸加大,在水道充水結(jié)束后,內(nèi)水外滲量趨于收斂。

圖1 高壓岔管鋼筋應(yīng)力曲線

圖2 惠蓄電站A廠高壓水道區(qū)域的監(jiān)測情況

1.5 鋼支管

高壓水道鋼筋混凝土襯砌方案在進(jìn)入廠房前必須設(shè)置一定長度的鋼支管。根據(jù)工程經(jīng)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(zhì)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(qū)域的外排水措施較關(guān)鍵,一般設(shè)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(jié)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(jìn)人孔和分級放水閥示意

在較高高程的施工支洞堵頭處設(shè)置進(jìn)人孔和分級放水閥,如圖3所示,十分利于電站運(yùn)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(shè)置；在水道平洞段設(shè)置集渣坑,可防止鋼筋頭、砂石等雜物進(jìn)入機(jī)組流道；對高壓水道施工設(shè)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(shè)計施工復(fù)雜,施工質(zhì)量要求高,堵頭施工工期長,其他電站有的改為擴(kuò)挖引水支管作為施工通道,避免設(shè)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(yīng)用探討

2.1 體會

(1)設(shè)計方案雖然滿足抗抬準(zhǔn)則和最小主應(yīng)力準(zhǔn)則,并對圍巖進(jìn)行了高壓固結(jié)灌漿處理,但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,不排除局部圍巖處仍會發(fā)生水力劈裂,如水力劈裂導(dǎo)致的內(nèi)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(tài),不會影響電站正常運(yùn)行。廣蓄電站二期和惠蓄電站A廠高壓水道首次充水發(fā)生水力劈裂后的內(nèi)水外滲出漏點均在探洞內(nèi),必須進(jìn)行處理,當(dāng)時均放空水道進(jìn)行了固結(jié)灌漿補(bǔ)強(qiáng)并封閉了滲水出漏部位,效果很好,但筆者認(rèn)為在水道放空后僅封閉探洞滲水出漏部位也可能達(dá)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(yīng)盡可能封堵掉,如要利用其作排水,應(yīng)采用襯砌后設(shè)排水管方式,排水管管口設(shè)控制閥,鋼支管區(qū)域的上游排水廊道也應(yīng)如此處理；高壓堵頭后的施工支洞如有與水道相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)構(gòu)造,也宜進(jìn)行一定范圍的襯砌封閉。后續(xù)電站按此思路實施,同時對水道固結(jié)灌漿實施精細(xì)化管控,水道充水一次成功。

(2)需重視襯砌混凝土耐久性,應(yīng)進(jìn)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(jiān)測設(shè)計工作,以獲得系統(tǒng)、科學(xué)的監(jiān)測數(shù)據(jù),不斷提升認(rèn)識水平,形成相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。

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

(5)鋼筋混凝土襯砌水道首次充水要嚴(yán)格控制水位上升速度。南方地區(qū)上水庫一般可提前蓄水,故通常利用上庫進(jìn)出水口閘門上的充水閥進(jìn)行充水,實際操作過程中出現(xiàn)過兩次充水閥被雜物卡住的情況,導(dǎo)致首次充水時的水位控制不能按預(yù)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(zhǔn)則)、滿足最小主應(yīng)力準(zhǔn)則和具備優(yōu)良的地質(zhì)條件三個方面,對優(yōu)良的地質(zhì)條件的判斷無法量化,根據(jù)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(chǔ)上,建議增加水文地質(zhì)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(qū)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(nèi)水外滲,如何評價其影響,什么范圍是可以接受的,難以標(biāo)準(zhǔn)化,但以下幾點是要保證的：①內(nèi)水外滲不影響廠房的正常運(yùn)行；②內(nèi)水外滲不影響山體穩(wěn)定；③不出現(xiàn)集中的大量滲漏；④不產(chǎn)生有害的水力劈裂；⑤上水庫天然降雨量扣除蒸發(fā)后可抵消內(nèi)水外滲量。

3 結(jié) 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(jié)底是一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較問題。南方地區(qū)雨量充沛,如滿足抗抬準(zhǔn)則和最小主應(yīng)力準(zhǔn)則,工程地質(zhì)條件優(yōu)越,水文地質(zhì)條件良好,則采用鋼筋混凝土襯砌是較優(yōu)的選擇,特別是在一洞多機(jī)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(yōu)越性更為明顯。

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