抽水蓄能电站高压水道钢筋混凝土衬砌技术特点

章 鹏,潘定才,郑晶星

(中国南方电网调峰调频发电公司,广东广州510630)

中国南方电网调峰调频发电公司负责南方电网所辖区域内抽水蓄能电站的建设、运营、维护和管理,已投入运行了广州抽水蓄能电站(以下简称广蓄)、惠州抽水蓄能电站(以下简称惠蓄)和清远抽水蓄能电站(以下简称清蓄)3座电站,在建的有深圳抽水蓄能电站(以下简称深蓄)、海南琼中抽水蓄能电站(以下简称海蓄)、阳江抽水蓄能电站(以下简称阳蓄)、梅州抽水蓄能电站(以下简称梅蓄)4座电站,7座电站的高压水道最大静水头在384～799 m之间,阳蓄电站的最大动水头达1 108 m,均采用钢筋混凝土衬砌。广蓄电站二期和惠蓄电站A厂高压水道在首次充水时出现过较大量的内水外渗,经处理后均正常运行。在总结已有经验教训基础上,清蓄电站、深蓄电站、海蓄电站高压水道充水一次成功。本文拟对相关工程实践经验做简要介绍,对采用高压水道钢筋混凝土衬砌要关注的主要因素及适用条件提出初步认识。

1 高压水道钢筋混凝土衬砌主要技术特点

广蓄电站高压水道采用钢筋混凝土衬砌,是我国首次按透水衬砌理论设计建造的,依靠围岩承载绝大部分内水压力荷载,考虑围岩应力场和渗流场的耦合作用,反映了水工高压隧洞钢筋混凝土衬砌的实际受力变形状态。后续电站均在该思想指导下设计建造,其主要技术特点是承载内水压力和控制内水外渗量以围岩为主、衬砌为辅,薄衬砌、少配筋，并配以必要的围岩高压灌浆处理措施[1- 4]。

1.1 主要技术参数

南方电网所辖区域内的7座抽水蓄能电站高压水道主要技术参数见表1。除地质缺陷较严重的洞段外,一般按透水衬砌理论分析厚度60 cm即可保证水道安全运行,但初砌厚度较薄时对顶拱混凝土施工质量控制要求高。个别电站顶拱一次浇筑的厚度较薄,虽然通过回填灌浆可以保证混凝土密实性,但在放空水道检查时发现顶拱出现较密集的闭合状裂缝。按透水衬砌理论计算,配筋总体上I、II类围岩采用单层,III、IV类围岩及明显地质缺陷处适当加强,不同工程不同的设计单位处理不同。随着对混凝土耐久性的认识逐步加强,后续电站倾向在衬砌混凝土表面涂刷保护层。

表1 南方电网区域内抽水蓄能电站高压水道主要技术参数

1.2 围岩高压灌浆

围岩高压灌浆是必须配套采用的工程措施,灌浆压力一般为静水头的1.2～1.5倍。广蓄电站一期只采用了水泥灌浆,二期水道首次充水时发生了水力劈裂,在探洞处出现大量的渗水,采用了化学灌浆补强处理,其他电站均采用了系统的水泥灌浆和化学灌浆。围岩高压灌浆的主要目的是加固III、IV类围岩,对I、II类围岩是否需要实施灌浆加固有不同观点。从已有经验分析,对高压水道I、II类围岩实施系统的高压水泥灌浆和化学灌浆是有必要的,但主要效果不是体现在加固围岩减少渗漏,而是通过高压灌浆一方面可对水道衬砌实施预压应力、改善衬砌运行期的应力状态,钢筋计监测反映出有的洞段在水道充水后衬砌还处于受压状态,另一方面可以对I、II类围岩中可能存在的弱面进一步补强。

惠蓄电站断层(f65)由两条相距约10 m、宽2～2.3 m的破碎带及中间裂隙密集带组成,开挖时该断层曾出现突发性涌水,断层位于内水压力最大的下平洞,最大静水压力达624 m水头,且断层在距离5号施工支洞仅约80 m处出露,对该断层进行高压水泥和化学灌浆处理,水道充水后在5号施工支洞断层出露处只观察到少量滴水,水道放空检查该处衬砌正常。

1.3 衬砌运行状况

图1是惠蓄、清蓄电站高压岔管的钢筋计监测过程线,由图1可看出衬砌运行状况。惠蓄电站水道充水前,部分钢筋处于压应力状态,反映了高压灌浆有预压应力效果；水道充水至180 m水头左右,有的钢筋计拉应力有突变,表明混凝土出现开裂；钢筋应力基本与水道水位同步反应,其变化规律与水道水位升降规律较为相似,最大应力约为280 MPa,水道放空后,基本回到充水前的应力值,钢筋处于弹性状态,衬砌运行安全。

清蓄电站上游水道充水高压岔管钢筋应力变化规律与惠蓄电站类似。充水前,部分钢筋处于压应力状态,反映了高压灌浆有预压应力效果。充水初期,水位上升速度较快,水压随之快速增加,钢筋计承受的拉应力增长较快,之后水位增速减慢,钢筋计承受的拉应力增速放缓,随着地下水位逐渐升高,在外水压作用下,部分钢筋计拉应力呈减小趋势。

清蓄电站钢筋计的值较惠蓄电站低,个别钢筋计充水后仍处于受压状态,反映出清蓄电站水道高压灌浆对衬砌的预压效果优于惠蓄电站。

1.4 内水外渗情况

钢筋混凝土衬砌的高压水道必然发生内水外渗。南方区域雨量充沛,电站的地形地质条件优越,山体内有较稳定的地下水位,水道开挖期间渗水一般导致地下水位有大幅下降,在水道充水运行后,内水外渗使地下水位回升,一般均形成一个稳定的地下水位,内外水压的抵消效应使得内水外渗量趋于收敛可控,并利于衬砌受力。以惠蓄电站A厂高压水道区域的监测情况为例(见图2),由图2a可知,在水道充水结束后,高压水道区域地下水位有较大抬升,并形成了新的稳定渗流场；由图2b可知 ,随着水道内水位的升高,内水外渗量逐渐加大,在水道充水结束后,内水外渗量趋于收敛。

图1 高压岔管钢筋应力曲线

图2 惠蓄电站A厂高压水道区域的监测情况

1.5 钢支管

高压水道钢筋混凝土衬砌方案在进入厂房前必须设置一定长度的钢支管。根据工程经验,钢支管长度一般为静水头的0.2,具体长度见表1,钢支管布置时须使钢筋混凝土岔管处于较好的地质洞段。阳蓄电站水头较大,采用了较长的钢支管,其长度为静水头的0.32。钢支管区域的外排水措施较关键,一般设4道,从上至下分别为利用探洞的外排水、与厂房排水廊道结合的外排水、钢支管周边围岩的暗排水管及钢支管外表面的暗排水管。

1.6 其他特点

图3 施工支洞堵头进人孔和分级放水阀示意

在较高高程的施工支洞堵头处设置进人孔和分级放水阀,如图3所示,十分利于电站运行管理,在各电站中均采用,位于最大水头处的堵头从安全方面考虑不设置；在水道平洞段设置集渣坑,可防止钢筋头、砂石等杂物进入机组流道；对高压水道施工设置专门的施工支洞,有利于减少施工干扰,但施工支洞堵头承受的水头高,设计施工复杂,施工质量要求高,堵头施工工期长,其他电站有的改为扩挖引水支管作为施工通道,避免设置高压堵头,类似工程可参考。

2 高压水道钢筋混凝土衬砌应用探讨

2.1 体会

(1)设计方案虽然满足抗抬准则和最小主应力准则,并对围岩进行了高压固结灌浆处理,但由于地质条件的复杂性,不排除局部围岩处仍会发生水力劈裂,如水力劈裂导致的内水外渗只造成山体地下水位的抬升,则问题是趋于可控状态,不会影响电站正常运行。广蓄电站二期和惠蓄电站A厂高压水道首次充水发生水力劈裂后的内水外渗出漏点均在探洞内,必须进行处理,当时均放空水道进行了固结灌浆补强并封闭了渗水出漏部位,效果很好,但笔者认为在水道放空后仅封闭探洞渗水出漏部位也可能达到目的。水力梯度的控制值只能作参考。高压水道附近的探洞应尽可能封堵掉,如要利用其作排水,应采用衬砌后设排水管方式,排水管管口设控制阀,钢支管区域的上游排水廊道也应如此处理；高压堵头后的施工支洞如有与水道相关联的地质构造,也宜进行一定范围的衬砌封闭。后续电站按此思路实施,同时对水道固结灌浆实施精细化管控,水道充水一次成功。

(2)需重视衬砌混凝土耐久性,应进一步开展高性能混凝土配合比的科研工作。

(3)需重视原型监测设计工作,以获得系统、科学的监测数据,不断提升认识水平,形成相关的技术规范。

(4)固结灌浆工程量大,一旦发生个别灌浆孔漏灌漏封情况,则危害甚大,故对固结灌浆工程必须进行精细化管控。

(5)钢筋混凝土衬砌水道首次充水要严格控制水位上升速度。南方地区上水库一般可提前蓄水,故通常利用上库进出水口闸门上的充水阀进行充水,实际操作过程中出现过两次充水阀被杂物卡住的情况,导致首次充水时的水位控制不能按预定的计划实施,由于水库中可能存在半浮杂物,建议首次充水改为采用临时充水泵或临时旁通管从上水库取水实施。

2.2 适用条件探讨

目前主要考虑满足最小覆盖厚度要求(抗抬准则)、满足最小主应力准则和具备优良的地质条件三个方面,对优良的地质条件的判断无法量化,根据公司已建电站情况,I、II类围岩在75%左右,III类围岩在20%左右,存在极少量IV类围岩。在上述条件基础上,建议增加水文地质条件的分析,如处于干旱和山体地下水位极低的条件,即使已满足前三个条件,也不适宜采用钢筋混凝土衬砌。北方地区的高压水道采用钢板衬砌有其合理性和必然性。高压隧洞采用钢筋混凝土衬砌,必然存在内水外渗,如何评价其影响,什么范围是可以接受的,难以标准化,但以下几点是要保证的：①内水外渗不影响厂房的正常运行；②内水外渗不影响山体稳定；③不出现集中的大量渗漏；④不产生有害的水力劈裂；⑤上水库天然降雨量扣除蒸发后可抵消内水外渗量。

3 结 语

抽水蓄能电站高压水道是否采用钢筋混凝土衬砌,归根结底是一个技术经济比较问题。南方地区雨量充沛,如满足抗抬准则和最小主应力准则,工程地质条件优越,水文地质条件良好,则采用钢筋混凝土衬砌是较优的选择,特别是在一洞多机的布置方案下,由于水道洞径较大,钢筋混凝土衬砌较钢板衬砌的优越性更为明显。

[1] 叶冀升. 广蓄电站水工高压隧洞设计施工的若干问题[J]. 水力发电学报, 1998(2): 38- 49．

[2] 侯靖, 胡敏云. 水工高压隧洞结构设计中若干问题的讨论[J]. 水利学报, 2001(7): 36- 40．

[3] 钟建文, 谷兆祺, 彭守拙. 高压隧洞衬砌设计配筋研究[J]. 水力发电学报, 2007, 26(2): 42- 46．

[4] 郑治, 刘杰, 彭成佳. 水工隧洞受力特性研究和结构设计思路[J]. 水力发电学报, 2010, 29(2): 190- 196．