柴建峰,馬傳寶,楊 雷,梁 寧

(1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心,北京100161；2.安徽績溪抽水蓄能有限公司,安徽宣城245300；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)

抽水蓄能發(fā)電工程引水系統(tǒng)下平段鋼襯受力敏感性分析

柴建峰1,馬傳寶2,楊 雷2,梁 寧3

(1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心,北京100161；2.安徽績溪抽水蓄能有限公司,安徽宣城245300；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)

抽水蓄能電站引水系統(tǒng)下平段由于承受的內(nèi)水壓力過大,多采用鋼襯。結(jié)合已建抽蓄電站引水壓力管道的監(jiān)測資料,通過FLAC3D軟件對不同縫隙值、混凝土強(qiáng)度、鋼襯壁厚、圍巖抗力系數(shù)的敏感性分析進(jìn)行研究分析,結(jié)果表明：①內(nèi)水壓力作用下,縫隙值對鋼襯的變形和應(yīng)力影響最為顯著,混凝土墊層和鋼襯壁厚次之；②圍巖的強(qiáng)度變化對結(jié)果影響不明顯,敏感性低；③鋼襯壁厚增可減少鋼襯的變形和環(huán)向應(yīng)力,但減少的幅度不顯著,壁厚存在優(yōu)化的空間較大；④回填混凝土的施工質(zhì)量是影響圍巖分擔(dān)比例的最主要因素之一,其致密和完整性顯著影響著內(nèi)水壓力傳遞。建議在工程實踐中,對于不存在明顯地質(zhì)缺陷的圍巖,應(yīng)尋找更好的施工工藝提高混凝土回填的質(zhì)量,減少鋼襯和混凝土、混凝土和圍巖之間的縫隙,而不是全面采用高壓固結(jié)灌漿。

抽水蓄能電站；引水系統(tǒng)；下平段；鋼襯；敏感性分析；圍巖分擔(dān)率；高壓固結(jié)灌漿

0 引 言

抽水蓄能電站引水系統(tǒng)具有高水頭、埋深大、下平段直徑大(下平段指上接最后一級斜井或豎井、下接岔管段的近水平壓力管道,下平段直徑多在4～5 m)等特點(diǎn)。目前引水系統(tǒng)下平段由于承受的內(nèi)水壓力過大,多采用鋼襯。在確保工程安全的前提下,提高圍巖分擔(dān)率、優(yōu)化引水系統(tǒng)鋼襯的厚度、減少圍巖的固結(jié)灌漿,不僅是投資方關(guān)注的,也是工程和科研的熱點(diǎn)問題之一[1- 9]。結(jié)合文獻(xiàn)分析可知,相關(guān)研究多集中在岔管,而對下平段關(guān)注較少。鋼襯與巖壁的間距在滿足鋼管安裝和混凝土澆筑要求的前提下盡量減少,一般在50～70 cm。工程中發(fā)現(xiàn),在重力作用下,引輸水系統(tǒng)豎井的回填混凝土質(zhì)量易于保證,斜井次之,而平洞段相對最難保證。斜井和平洞段,鋼襯兩側(cè)回填混凝土的質(zhì)量較易保證,但頂拱、底拱處,平倉振搗困難,稀漿集中,易形成空洞和縫隙,尤其是頂拱部位,更易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。我國幾個水電站的地下埋管因內(nèi)壓和外壓造成破壞,破壞部位也多位于平洞段。基于上述考慮,選平洞段為研究對象。

目前,在抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的設(shè)計和施工文件中,常常不加區(qū)別的建議引水隧洞要進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿,試圖提高圍巖的分擔(dān)率,其可行性和必要性值得進(jìn)一步研究。本文先采用FLAC3D進(jìn)行不同縫隙值、混凝土墊層、鋼襯壁厚、圍巖抗力系數(shù)的敏感性分析,然后結(jié)合實際監(jiān)測資料,分析“鋼襯-墊層-圍巖”聯(lián)合承載內(nèi)水壓力的機(jī)理,進(jìn)而探討減少鋼襯厚度、取消固結(jié)灌漿的可能性,為優(yōu)化設(shè)計和施工提供一定的技術(shù)支持。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1 下平段三維模型簡介

FLAC3D采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程,在巖土體的彈塑性分析及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土力學(xué)以及構(gòu)造地質(zhì)等領(lǐng)域[10]。

縫隙的存在是影響鋼襯變形和應(yīng)力的一個主要因素[1],其形成和空間分布比較復(fù)雜,本次設(shè)定縫隙位于鋼襯外壁和混凝土之間,環(huán)向貫穿、均勻分布。雖和實際情況有一定的差別,但不失為一種有效的假設(shè)。由于鋼襯與混凝土、混凝土和圍巖之間不發(fā)生顯著滑移,故均未設(shè)置interface接觸單元。

1.1 模型幾何特征

本次分析參考了我國東南地區(qū)在建的某抽水蓄能電站的設(shè)計資料,其引水系統(tǒng)壓力管道下平段具有如下特點(diǎn)：①埋深約430 m,內(nèi)徑為4.4 m,開挖斷面為5.8 m的馬蹄形；②鋼襯采用800 MPa鋼板,厚度δ=36～46 mm；③地應(yīng)力實測值約17 MPa。

由于地表起伏對計算結(jié)果甚微,故在下平段處取一個30 m×20 m×30 m長方體為研究對象,鋼襯軸線方向(y軸)長20 m。在y軸8～12 m區(qū)間設(shè)置環(huán)向貫穿縫隙,其余處無縫隙。截取y=10 m和y=16 m兩個截面分析裂縫有無兩種工況。單元劃分采用精度較高的8節(jié)點(diǎn)6面體單元,共劃分30 400個單元,32 761個節(jié)點(diǎn),圖1為模型局部細(xì)節(jié)。

圖1 三維模型局部細(xì)節(jié)

1.2 計算參數(shù)及屈服準(zhǔn)則

圍巖采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,鋼襯和混凝土墊層均采用各向同性彈性模型,且假設(shè)鋼襯外側(cè)混凝土回填之前,圍巖的變形已經(jīng)全部完成,二次應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圍巖的彈性抗力系數(shù)k0和E、μ有如下關(guān)系：

(1)

式中,E為圍巖彈性模量；μ為泊松比。

圍巖和混凝土的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2,鋼襯的彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為

表2 混凝土墊層物理力學(xué)參數(shù)

7.85×103kg/m3。

1.3 應(yīng)力場擬合等

通過擬合地應(yīng)力場,將實測地應(yīng)力賦予該三維模型。內(nèi)水壓力以應(yīng)力加載的方式均勻在鋼管的內(nèi)表面,方向為徑向。計算圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力的百分比[3],即

(2)

2 敏感性分析

2.1 縫隙寬度變化

由于混凝土凝固收縮等諸多因素影響,在鋼襯和混凝土之間往往有縫隙存在。甚至由于施工質(zhì)量,局部可能空洞脫空,造成局部變形過大和應(yīng)力集中等現(xiàn)象。通過改變縫隙值的大小分析其對鋼襯變形和應(yīng)力的影響程度,縫隙值依次取0 、1.0、1.5 、2.0 、2.5 mm。圍巖為Ⅲ類,混凝土為C20,內(nèi)水壓力pw為0.88、1.37、3.0、5.0、7.17、9.93 MPa。

圖2、4分別為鋼襯徑向位移、環(huán)向應(yīng)力與內(nèi)水壓力的關(guān)系,圖3為不同影響因素對應(yīng)的圍巖分擔(dān)率λ的影響。由圖2a、3a、4a可知,縫隙顯著影響著鋼襯環(huán)向應(yīng)力σθ、位移和圍巖分擔(dān)率λ。

圖2 鋼襯徑向位移與內(nèi)水壓力關(guān)系曲線

由圖2～4可知：①當(dāng)內(nèi)水壓力較小,鋼襯的徑向變形不足于“填補(bǔ)”縫隙時,鋼襯和混凝土緊密貼合前,鋼襯有位移變形的空間,加之縫隙環(huán)向貫穿,此時鋼襯的受力類似明管狀態(tài)。內(nèi)水壓力在3 MPa左右時,產(chǎn)生的徑向變形可以“填補(bǔ)”1 mm的縫隙。隨著內(nèi)水壓力增大,鋼襯先自由變形,再和混凝土墊層貼合,然后致使墊層也發(fā)生徑向變形,最終“鋼襯-墊層-圍巖”共同承擔(dān)內(nèi)水壓力。②無縫隙時,σθ≤200 MPa。有縫隙時,內(nèi)水壓力大于3 MPa后,縫隙值越大,σθ越大。③縫隙值為0時,λ約為61%。隨著縫隙值增大,相同內(nèi)水壓力下,λ隨之減小。例如,內(nèi)水壓力為5MPa,當(dāng)縫隙值依次為0、1.0、1.5、2.0 、2.5mm時,對應(yīng)的λ分別為61.2%、33.6%、23.1%、16.9%、2.6%。④隨著縫隙尺寸的增大,滿足鋼襯和混凝土貼合、變形協(xié)調(diào)所需的內(nèi)水壓力值也隨之加大。

圖3 不同影響因素對應(yīng)的圍巖分擔(dān)率 λ

圖4 鋼襯環(huán)向應(yīng)力與內(nèi)水壓力關(guān)系曲線

2.2 鋼管壁厚變化

鋼襯壁厚依次取30、34、38、40、46 mm。圍巖?、箢?混凝土為C20,研究內(nèi)水壓力為0.88、1.37、3.0、5.0、7.17、9.93 MPa時鋼管管壁的厚度變化。

(1)壁厚對位移的影響。圖2b為不同內(nèi)水壓力和壁厚組合時,鋼襯徑向最大位移曲線,分析可知：鋼襯徑向位移有隨著壁厚增加而減少的趨勢,但不顯著。例如,內(nèi)水壓力為9.93 MPa時,壁厚30、40、46 mm對應(yīng)的徑向最大位移分別為2.37、2.15、2.03 mm?？梢?通過增加壁厚來減少變形,效果和意義均不明顯。

(2)壁厚對應(yīng)力的影響。圖3b、4b分別為壁厚對λ和鋼襯σθ的影響曲線,可知：① 相同內(nèi)水壓力下,壁厚越大,對應(yīng)的σθ越小。例如,內(nèi)水壓力為9.93 MPa時,壁厚30、40、46 mm對應(yīng)的σθ分別為235、211、199 MPa,σθ雖有隨著壁厚增加而減少的趨勢,但不顯著。② 隨著壁厚增加,鋼襯的徑向變形減少,根據(jù)變形協(xié)調(diào),λ也將隨之減小。例如,當(dāng)壁厚由30 mm變?yōu)?6 mm時,λ由68%減少到58%,減少幅度約10%。壁厚對λ雖有影響,但不顯著?？梢?提高壁厚雖然可以減少σθ,但同時降低了λ,不利于聯(lián)合承載。由于鋼材強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量均非常大(800 MPa級鋼板的屈服強(qiáng)度σr0.2=655 MPa、抗拉強(qiáng)度σb=760 MPa、彈性模量E=206 GPa),即使取壁厚為30 mm,在9.93 MPa內(nèi)水壓力作用下,“鋼襯-墊層-圍巖”聯(lián)合受力時,σθ約235 MPa,和鋼襯的力學(xué)性能指標(biāo)相比,仍有較大的安全儲備,所以工程設(shè)計中優(yōu)化和減小壁厚是可行且必要的。

表3 引水壓力鋼管段測縫監(jiān)測數(shù)據(jù)

注：①正為拉,負(fù)為壓；②D*監(jiān)測斷面為裂隙發(fā)育帶,圍巖完整性較差。

2.3 圍巖強(qiáng)度變化

圍巖單位抗力系數(shù)k0依次為0.5、1.0、3.0、6.0、9.0 N/mm3?；炷寥20,內(nèi)水壓力分別為0.88、1.37、3.0、5.0、7.17、9.93 MPa時圍巖強(qiáng)度變化。由圖2c、3c、4c可知:①k0對徑向位移影響不顯著,通過高壓固結(jié)灌漿提高圍巖強(qiáng)度來減少鋼襯變形,效果和意義可能不大;②k0對σθ和λ的影響也不明顯。

產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因可能是①鋼襯抗變形指標(biāo)大,在內(nèi)水壓力作用下,徑向變形僅為毫米級別,根據(jù)變形協(xié)調(diào),其影響和波及范圍有限；②現(xiàn)行的圍巖分類和推薦的圍巖強(qiáng)度、變形參數(shù)過于籠統(tǒng),推薦的力學(xué)參數(shù)和實際有一定的差別,進(jìn)而導(dǎo)致圍巖對內(nèi)水壓力引起的應(yīng)力和變形響應(yīng)不明顯。

工程實踐發(fā)現(xiàn)[9],對相對完整致密的圍巖進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿,必要性不大,且效果不顯著。目前,不少項目擬通過灌漿來提高圍巖強(qiáng)度,最終試圖提高圍巖分擔(dān)率,從本文結(jié)論來看,這一作法值得商榷。

2.4 混凝土墊層分析

高壓引水鋼襯工作機(jī)理的類似一個多層襯砌的隧洞,鋼襯功能主要承擔(dān)部分內(nèi)水壓力、傳遞荷載和防滲；墊層功能是將大部分內(nèi)水壓力傳給圍巖?；炷翂|層參數(shù)如表2所示,圍巖仍?、箢?內(nèi)水壓力分別取0.877、1.37、3.0、5.0、7.14、9.93 MPa。

(1)位移變化特征。圖2 d為不同內(nèi)水壓力和混凝土墊層組合下,鋼襯的徑向位移曲線,可見：相同內(nèi)水壓力下,混凝土標(biāo)號越大,徑向位移越小。例如,內(nèi)水壓力為7.14 MPa,當(dāng)墊層混凝土為C10時,對應(yīng)鋼襯徑向位移為2.0 mm；當(dāng)墊層混凝土為C20和C25時,徑向位移均減小到1.5 mm。

(2)主應(yīng)力特征。由圖3d、4d可知,①內(nèi)水壓力7.4 MPa,墊層混凝土分別為C10和C20時,對應(yīng)的σθ相應(yīng)為200、150 MPa。即隨著墊層混凝土標(biāo)號增大,σθ相應(yīng)減小。②墊層混凝土標(biāo)號增大,λ也隨之加大。例如,當(dāng)墊層混凝土為C10時,λ約為52%；墊層混凝土為C25時,λ接近63%。③ 混凝土選用C20,還是C25對計算結(jié)果影響不明顯,從經(jīng)濟(jì)性方面建議選用C20混凝土。

3 現(xiàn)場監(jiān)測資料分析

表3為河北張河灣抽水蓄能電站、福建仙游抽水蓄能電站引水壓力鋼管段監(jiān)測數(shù)據(jù)。從已有監(jiān)測資料分析來看,在內(nèi)水壓力作用下,壓力鋼管及圍巖的變形量均很小,本次數(shù)值分析結(jié)論和類似實際工程監(jiān)測成果吻合較好。

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)有規(guī)范和一些抽蓄工程不加區(qū)別的認(rèn)為Ⅲ～Ⅳ類圍巖均需要高壓固結(jié)灌漿,并據(jù)此認(rèn)為通過灌漿可提高圍巖分擔(dān)率,其實這種做法和想法是不恰當(dāng)?shù)?。本文通過研究鋼襯變形和已有監(jiān)測資料認(rèn)為：除了對圍巖中的松動帶、節(jié)理裂隙密集帶和蝕變帶等顯著軟弱帶進(jìn)行必要的高壓固結(jié)灌漿之外,就針對提高圍巖分擔(dān)率而言,對其他相對致密完整的巖石進(jìn)行灌漿的必要性不大。固結(jié)灌漿的目的和出發(fā)點(diǎn)主要是降低圍巖滲透性,減少外水壓力作用,而非提高圍巖分擔(dān)率。

(2)圍巖彈性抗力系數(shù)k0對鋼襯的變形和應(yīng)力影響均不顯著,這與鋼襯變形較小有關(guān),其量級上只有數(shù)毫米,故影響和波及范圍有限,加之在鋼襯和圍巖之間還存有70 cm的混凝土墊層。已建抽水蓄能電站的監(jiān)測資料也表明圍巖中變形量非常小,僅為毫米級別,和本文研究結(jié)論比較吻合?？梢姴患訁^(qū)別進(jìn)行固結(jié)灌漿無助于提高λ。

(3)“鋼襯-墊層-圍巖”聯(lián)合承受內(nèi)水壓力,鋼襯和混凝土之間的縫隙對鋼襯的變形和應(yīng)力影響最為明顯。不存在縫隙時,“墊層+圍巖”分擔(dān)率最大可達(dá)61%,其對內(nèi)水壓力的分擔(dān)作用是顯著的。

(4)σθ雖隨著鋼襯壁厚增加而減少,但減少的幅度不明顯。例如壁厚增加53.3%,對應(yīng)的σθ減少僅為15.3%?？梢妰?yōu)化鋼襯壁厚,既能節(jié)約工程投資,又能降低現(xiàn)場的制造安裝難度,從而獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

(5)混凝土墊層的質(zhì)量是影響λ的主要因素之一,其致密性和完整性顯著影響著內(nèi)水壓力傳遞。與其灌漿加固圍巖,不如尋找更好的施工工藝提高混凝土墊層的回填質(zhì)量,盡可能減少鋼襯和墊層之間的縫隙。

本文研究分析不足之處：①假定鋼襯和墊層之間的縫隙是環(huán)向貫穿和均勻分布的,而實際工程中,由于施工工藝、施工質(zhì)量、混凝土凝結(jié)等影響,縫隙分布是隨機(jī)的；②巖土領(lǐng)域的數(shù)值模擬軟件在處理毫米級別裂縫時,有一定的局限性和困難；本文研究經(jīng)過不同軟件對比和多次試算,針對毫米級別的裂縫,未采用Null單元或者“殺死”單元形成縫隙,而是在縫隙中填充了極其軟弱的材料,這樣與實際情況有一定的差別,故位移和應(yīng)力值可能均有一定的誤差,但就結(jié)果的規(guī)律性來看,上述處理是可行且合理的。

致謝：中交公路規(guī)劃設(shè)計院的付伯勇高級工程師,在處理毫米級別裂縫這一難點(diǎn)上,熱情無私的提供了自己經(jīng)驗,并應(yīng)用Plaxis軟件進(jìn)行了對比分析,在此特表感謝！

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[10]劉波, 韓彥輝. FLAC原理、實例與應(yīng)用指南[M]. 北京： 人民交通出版社, 2005．

(責(zé)任編輯王 琪)

SensitivityAnalysisofSteelLiningStressintheLowerHorizontalPenstockSectionofPumped-storagePowerStation

CHAI Jianfeng1, MA Chuanbao2, YANG Lei2, LIANG Ning3
(1. Technology Center, State Grid Xinyuan Company Ltd., Beijing 100161, China; 2. Anhui Jixi Pumped Storage Power Station Co., Ltd., Xuancheng 245300, Anhui, China; 3. Institute of Geology and Geophysics, China Academy of Science, Beijing 100029, China)

Because of high internal water pressure, the lower horizontal section of water diversion system in pumped storage power station usually adopts steel lining. Based on the monitoring data of constructed pumped storage power stations, the FLAC3Dis used to carry out the sensitivity analysis of gap between steel pipe and concrete cushion, concrete cushion strength, steel lining thickness and rock resistant coefficient on the stress of steel lining. The results indicate that: (a) under high internal water pressure, the gap has most significant effect on the stress and deformation of penstock, and the concrete cushion and lining thickness take the second place; (b) the resistant coefficient of surrounding rock has not obvious effect on the stress of penstock; (c) the value of circumferential stress and deformation of steel lining will decrease with the increase of steel lining thickness, but the decreased extent is not remarkable, so the thickness of steel lining can be further optimized; and (d) the integrality and compactness of concrete cushion is one of the most important factors influencing the sharing ratio of internal pressure in bedrock. It is suggested that, for normal surrounding rocks without faults, a better construction technology should be found to improve concrete backfill quality and reduce the gaps, rather than the full use of high-pressure consolidation grouting．

pumped-storage power station; water diversion system; lower horizontal section of penstock; steel lining; sensitivity analysis; sharing ratio of internal pressure in bedrock; high-pressure consolidation grouting

2016- 05- 09

柴建峰(1977—),男,陜西周至人,高級工程師,注冊土木工程師(巖土),博士,主要研究方向為水文地質(zhì)與工程地質(zhì)．

TV672.1;TV743

：A

：0559- 9342(2017)06- 0056- 06