馬傳寶，柴建峰

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

抽水蓄能電站引水系統(tǒng)鋼襯變形和應(yīng)力實(shí)測(cè)資料分析

馬傳寶，柴建峰

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文通過分析已有抽水蓄能電站實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，鋼襯、墊層和圍巖中的位移監(jiān)測(cè)值均甚小；通過反算，圍巖分擔(dān)率可達(dá)83%。上述認(rèn)識(shí)對(duì)數(shù)值仿真分析的驗(yàn)證和對(duì)比具有重要意義，也對(duì)類似工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

抽水蓄能電站；監(jiān)測(cè)資料；位移；圍巖內(nèi)水壓力分擔(dān)率

0 引言

在實(shí)施國(guó)網(wǎng)新源公司科研項(xiàng)目《績(jī)溪公司抽水蓄能電站引水系統(tǒng)鋼襯圍巖聯(lián)合受力反演分析》期間，課題組收集了類似工程的變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料，通過整理分析發(fā)現(xiàn)，在正常運(yùn)行的內(nèi)水壓力作用下，“鋼襯-混凝土墊層-圍巖”中的位移均甚小，查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，類似位移監(jiān)測(cè)成果鮮有公開發(fā)表，系統(tǒng)研究也相對(duì)較少。以下通過分析河北張河灣抽蓄能電站、福建仙游抽蓄電站的監(jiān)測(cè)資料，定性分析埋管狀態(tài)下鋼襯承載機(jī)理及上述現(xiàn)象形成原因，旨為類似工程設(shè)計(jì)和研究提供一定參考。

1 位移變形特征

張河灣抽水蓄能電站、福建仙游抽水蓄能電站引水壓力鋼襯段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1和圖1，分析可見：內(nèi)水壓力作用下，壓力鋼襯及圍巖中的變形均甚微，多數(shù)不足1mm，甚至為負(fù)值；這表明在混凝土墊層和縫隙等因素影響下，鋼襯的應(yīng)變可能對(duì)圍巖影響不顯著，或者說設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，鋼襯的變形波及范圍十分有限。

表1 引水壓力鋼襯段測(cè)縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Monitoring data of penstock and rock of constructed pumped storage power stations

圖1 位移監(jiān)測(cè)資料分析圖圖1 Monitoring displacement data of penstock and rock

2 圍巖內(nèi)水壓力分擔(dān)率特征

λ為圍巖內(nèi)水壓力分擔(dān)率[1]，由下式計(jì)算：

其中：σθ-地下埋管狀態(tài)下，鋼管承擔(dān)內(nèi)水壓力時(shí)，最大環(huán)向拉應(yīng)力，可通過σθ=Eε獲得，E取206GPa；σ0為明管狀態(tài)下最大環(huán)向拉應(yīng)力，可通過公式獲得；γh為內(nèi)水壓力；D為鋼管內(nèi)徑；t為鋼管壁厚。表2為張河灣、仙游抽水蓄能電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反算結(jié)果，可見圍巖分擔(dān)率λ均較高，最大可達(dá)83%。

3 原因探討

單位抗力系數(shù)K0和E、vS之間的換算關(guān)系如下：

通過上式換算，可得鋼襯、墊層和圍巖的K0大小對(duì)比示意圖（如圖2所示），圖中鋼襯、C25、C20、C15、C10、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類圍巖分別對(duì)應(yīng)的彈性模量為 206、28、25.5、22、17.5、11.1、7.5、1.3GPa。由于鋼材和混凝土墊層厚度較小，此處K0為非嚴(yán)格意義上的抗力系數(shù)。由位移協(xié)調(diào)可知，內(nèi)水壓力有效傳遞的基礎(chǔ)是鋼襯發(fā)生足夠大的位移，而鋼襯抗變形能力又極強(qiáng)，遠(yuǎn)大于混凝土和圍巖；在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，埋管狀態(tài)下鋼襯產(chǎn)生的位移甚小，波及范圍可能有限，加之鋼襯和圍巖之間還存有60～70cm厚的回填混凝土、鋼襯和混凝土墊層之間可能存在縫隙、墊層與圍巖之間可能存在縫隙，以上因素綜合導(dǎo)致了圍巖中的實(shí)測(cè)位移值很小，多數(shù)不超過1mm。

圖2 不同材料單位抗力系數(shù)對(duì)比示意Fig.2 Sketch map of the resistant coefficient according to rock，cushion and steel pipe

4 結(jié)束語

從張河灣、仙游抽蓄電站的實(shí)測(cè)資料來看，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，鋼襯、墊層和圍巖中的位移均甚微，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象主要與鋼襯自身抗變形能力強(qiáng)，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下其位移和變形甚微，進(jìn)而其影響波及范圍有限有關(guān)。圍巖分擔(dān)率通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反算最高可達(dá)83%。上述分析結(jié)果不僅有利于后續(xù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析和驗(yàn)證，也對(duì)類似工程設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

表2 實(shí)測(cè)圍巖分擔(dān)率Tab.2 Statistical table of λ in penstock

[1] 楊光明，鄧圣義，夏仕鋒.水電站壓力鋼管安全檢測(cè)與評(píng)估研究 [J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，24（5）：65-69.YANG Guangyi，ZHENG Shengyi， XIA Shifeng.Study on safety inspection and evaluation of steel penstocks of hydroelectric stations[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2005，24（5）：65-69.

[2] 彭士標(biāo).水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.PENG Shipiao.Handbook of Hydropower Engineering Geology[M].Beijing ： China Waterpower Press，2012.

[3] 侯建國(guó)，李春霞，等.水電站地下埋管圍巖內(nèi)壓分擔(dān)率的統(tǒng)計(jì)特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（8）：1334-1338 HOU Jianguo，LI Chunxia，et al.Research on statistical characteristics of sharing ratio of internal pressure in bedrock for embedded penstocks of hydropower stations[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（8）：1334-1338.

[4] 劉啟明，胡明.水電站[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.LIU Qiming，HU Ming.Waterpower Station[M].Beijing： China Waterpower Press，2013.

2017-02-15

2017-05-20

馬傳寶（1980—），男，高級(jí)工程師、注冊(cè)一級(jí)建造工程師（水利水電），主要研究方向：水電工程項(xiàng)目管理。E-mail：99094802@qq.com

柴建峰（1977—），男，高級(jí)工程師、注冊(cè)土木工程師（巖土），主要研究方向：水利水電工程地質(zhì)研究。E-mail：623509677@qq.com

Study on the Monitoring Data of Displacement and Stress in Embedded Penstocks of Constructed Pumped Storage Power Stations

MA Chuanbao，CHAI Jianfeng
（Technology Center，State Grid Xinyuan Companyltd，Beijing 100161，China）

Based on existing monitoring data of displacement and stress in embedded penstocks from constructed pumped storage power stations.The results show that the data of displacement or deformation in penstock，cushion and rock are all very small，and the sharing ratio of internal pressure in bedrock can reach to ?%.The results have important value not only on the verification and comparison of simulation，but also on the engineering design in other similar hydropower projects.

pumped storage power stations; monitoring data;displacement; sharing ratio of internal pressure in bedrock

TP27

A學(xué)科代碼：570.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.020