劉向陽 薛慶蓮

摘 要 鋼筋混凝土襯砌的地下高壓水道設計，需要高度重視高壓水外滲損失水量的問題，注意山體邊坡、電站建筑物隱藏的威脅。為解決這部分問題，有必要對地質環(huán)境、最小主應力和高壓水引起的圍巖滲透性系統(tǒng)分析。本文對鋼筋混凝土襯砌高壓水道設計各個準則的關系進行分析，重點研究高壓水道鋼筋混凝土襯砌技術應用。

關鍵詞 抽水蓄能電站;高壓水道;鋼筋混凝土襯砌

引言

鋼板襯砌的地下高壓水道帶來的內水壓力主要是圍巖聯(lián)合鋼板襯砌共同承擔，很多水電站水頭均采取了這樣的結構，但制作、運輸、安裝埋藏式鋼管的技術復雜，投資規(guī)模較大。相對來講，鋼筋混凝土襯砌的壓力水道投入低、施工便利。因此，水電站地下高壓水道更多利用鋼筋混凝土襯砌[1]。

1高壓水道鋼筋混凝土襯砌主要技術特點

1.1 圍巖高壓灌漿

目前，一般應用的工程手段即圍巖高壓灌漿，其壓力相當于1.2～1.5倍水頭。有些電站一期只采取了水泥灌漿的方法，探洞位置增大了滲水量，補強處理利用化學灌漿，另外還可以聯(lián)合使用水泥灌漿與化學灌漿。圍巖高壓灌漿是對圍巖實現(xiàn)加固。經系統(tǒng)分析，高壓水泥灌漿與化學灌漿處理高壓水稻圍巖具有一定的可行性，此外還要對弱面實現(xiàn)補強。電站斷層包含了破碎帶與裂隙集中帶，對其開挖突然出現(xiàn)涌水，可采取高壓水平與化學灌漿的方法處理，放空檢查水道，保證襯砌操作正常[2]。

1.2 襯砌運行情況

由鋼筋計監(jiān)測過程線了解襯砌運行情況。電站水道充水之前，部分鋼筋承擔了一定的壓應力，鋼筋應力與水道水位同時反應，其變化類似于水道升降水位規(guī)律，放空水道后，應力值與充水前接近，鋼筋的彈性良好，提高了襯砌運行的安全性。

1.3 內水外滲情況

鋼筋混凝土襯砌的高壓水道產生內水外滲的現(xiàn)象。在降雨量充足的地區(qū)，電站周圍地形地質比較優(yōu)越，水道充水正常運行以后，其穩(wěn)定性也不斷加強，內外水壓的抵消有利于控制內水外滲量，便于襯砌受力。

1.4 鋼支管

結合工程經驗，鋼支管長度通常接近于0.2靜水頭，一般選擇地質較好洞段的鋼筋混凝土岔管位置安裝鋼支管。若電站有較大水頭，則選擇足夠長的鋼支管，相當于0.32靜水頭。鋼支管所在區(qū)域應采取合理的外排水措施[3]。

2高壓水道鋼筋混凝土襯砌設計原則

2.1 最小覆蓋厚度準則

根據宏觀的地形與地質條件判斷是否選擇鋼筋混凝土襯砌高壓水道，應有：

通常來講，地形達到最小覆蓋厚度準則見圖1：

隧道或高壓水道水平向的巖體覆蓋厚度在不規(guī)則或陡峭的地形發(fā)揮了控制功能，實際應用時需注意，該項準則事實上屬于半經驗性的準則，它不只便于布置高壓水道的洞線，還減輕了巖體結構、節(jié)理和地質缺陷等的干擾。一部分工程即便滿足了最小覆蓋厚度準則還是出現(xiàn)了問題。因此，根據地應力測試、地質狀況等因素綜合判斷。

2.2 水力劈裂準則

大量研究說明，水頭內壓水力超過100m后，鋼筋混凝土高壓水道的襯砌無法避免裂縫，根據圍巖的地應力，在任意節(jié)理或縫隙面出現(xiàn)了法向應力，水力劈裂準則如下：

滿足式（1）時，水壓作用下圍巖節(jié)理或裂隙面有效規(guī)避了拉應力，如此預防圍巖發(fā)生水力劈裂問題;反之，節(jié)理或裂隙若發(fā)生張開問題，則根據立方定理，裂隙與隙寬通過流量后產生正比關系，引發(fā)高壓水道的滲漏，提高了破壞率。水力劈裂準則基于理論角度對高壓水道的滲漏與破壞成因進行了分析，提供了對應的設計準則，但無法順利進行應用，但是獲取的節(jié)理裂隙無法代表高壓水道全線和不同產狀。這一準則有利于準確掌握混凝土襯砌高壓水道設計的實質內涵。

2.3 最小主應力準則

現(xiàn)代測試技術的發(fā)展促使利用應力解除法、水壓致裂法等測試巖體應力。綜合分析區(qū)域地應力規(guī)律和測試地應力數值，進而在工程范圍內科學分布初始地應力場，采取最小主應力對比高壓水道中的靜水壓力H，進一步獲得最小主應力準則：

最小主應力準則聯(lián)系實際工程地質實現(xiàn)應用，比如Mauranger水電站，其水頭接近于50～120m，基于這一情況，節(jié)理面上的法向應力分量發(fā)揮了控制作用，通過公式（2）科學判斷，依然滿足要求。比如Byrte水電站，基于順坡的斷層、破碎帶、節(jié)理等存在，造成局部地應力無法達到（3）的要求，進一步產生滲漏。

故在實際應用時，切記機械套用某一準則，重點對準則的本質綜合理解，有效分析地質條件。

2.4 高壓滲透試驗

不論是最小覆蓋厚度準則還是最小主應力準則，都無法科學判斷斷層、構造干擾的局部低應力區(qū)，或評估構造基于高壓水作用形成的滲透，而這些是決定混凝土襯砌高壓水道成敗的因素。除了上述分析之外，解決該類問題之一的主要手段即高壓滲透試驗。

高壓滲透試驗進行方式為鉆孔中壓水，通常在大規(guī)模、高水頭的工程中適用。高壓滲透試驗包括兩種方式：一種是布置2個鉆孔，主動孔增加水壓，觀測涉及的被動孔，逐步反復增加主動孔壓力，每個壓力等級全部達12h，說明高壓水作用下的巖體具有良好的穩(wěn)定性;而單獨布置鉆孔時，壓力不斷升級，每級壓力均達到3min，進一步得到巖體裂縫張開的水壓力大小。

3高壓水道鋼筋混凝土襯砌技術應用

某抽水蓄能電站通過混凝土襯砌建立引水道與分岔管，其中最大靜水壓力680.2m，凍水頭高840m，2條引水道均采取7m直徑的主管道，在下平段劃分岔管為三部分。高壓水道處于坡角大概是0°的山體地形上，局部達到50°。經過分析，將混凝土襯砌高壓水道的最不利位置作為鋼板襯砌分岔后的起始點。結合最小覆蓋厚度準則，則有

事實上，系統(tǒng)考慮調整后的巖體最小覆蓋厚度為330m，安全指數為0.985，故采取鋼筋混凝土襯砌具有一定的可行性，主要原因：①選擇在巖體質量較好的圍巖區(qū)域建立高壓水道系統(tǒng);②河谷以下大概60m產生岔管，存在一定的優(yōu)勢，同時河谷憑借集中的應力預防出現(xiàn)內外滲水問題。經勘探可知，岔管區(qū)域部分形成節(jié)理裂隙發(fā)育，直接影響了地應力局部狀態(tài)，故在岔管區(qū)域采取高壓滲透試驗科學評估圍巖的滲透性。要想獲得圍巖在高壓水作用下的滲透性、水力穩(wěn)定性等數據，在岔管區(qū)域進行高壓滲透試驗。

（1）劈裂壓力和穩(wěn)定臨界壓力。滲漏量在試驗過程中快速增大壓力，這也是臨界壓力。在巖體節(jié)理閉合、緊密的各個環(huán)節(jié)提升壓力，增加試驗次數時減小臨界壓力。當水壓力無法達到穩(wěn)定的臨界壓力時，增加試驗次數時增大滲水量。

（2）已有裂隙的滲透規(guī)律。試驗提示的另一種狀況是未產生顯著臨界水壓力，滲水量與壓力形成冪函數的關系，滿足了滑板模型的立方利率，其中滲水量與水壓力通過Q=KPn聯(lián)系。巖體在鉆孔時發(fā)生地下水回流的現(xiàn)象，滲水量在壓水試驗時快速增大，表明巖體初期已形成裂隙和滲漏通道。

（3）巖體滲透穩(wěn)定性。穩(wěn)定試驗巖體的滲水量包括兩種情況：一種是延長時間增加了滲水量，先后對快速和中速試驗進行分析，當試驗壓力達到6MPa后，增加了滲水量，當水壓力超過巖體地應力時，引發(fā)水力劈裂，高壓水不斷對裂隙沖蝕，說明滲透穩(wěn)定性存在一定缺陷。另一種現(xiàn)象是時間延長時滲水量的變化更加穩(wěn)定，或略微縮小，該種狀況下巖體的滲透日趨穩(wěn)定。

此外，在高壓滲透試驗中，系統(tǒng)研究了試驗區(qū)域的地應力、允許水力坡降等數據。相關的試驗結果為選擇鋼板襯砌起始點位置發(fā)揮了重要作用。

4結束語

抽水蓄能電站高壓水道是否應用鋼筋混凝土襯砌，這是一個系統(tǒng)的技術經濟問題。在雨量充沛的地區(qū)，若達到最小主應力準則，工程地質條件和水文地質條件均良好，則有必要采取鋼筋混凝土襯砌，特別是存在較大水道洞徑區(qū)域，鋼板襯砌的優(yōu)勢更加顯著。

參考文獻

[1] 劉才華，陳從新.剪應力作用下巖體裂隙滲流特性研究[J].巖石力學與工程學報，2018，22（10）：1651-1655.

[2] 劉才華，陳從新.充填砂裂隙在剪切位移作用下滲流規(guī)律的實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2017，21（10）：1457-1461.

[3] 蔣宇靜，王剛，李博.巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗及分析[J].巖石力學與工程學報，2017，26（11）：2253-2259.