固结灌浆对抽水蓄能电站围岩分担率的影响

柴建峰 马传宝 杨雷 梁宁

摘要：结合已建抽蓄电站引水压力管道变形监测资料，通过计算，探讨围岩抗力系数对围岩分担率的影响。研究结果表明：①不同内水压力作用下，围岩抗力系数的变化对钢衬变形和应力影响均不显著，敏感性低，这一现象不仅与钢衬的变形量过小、影响和波及范围有限有关，还与围岩弹性模量较大有关；②随着围岩抗力系数的增大，钢衬的环向应力和径向位移变化甚微，围岩分担率也无明显变化；③对于不存在明显地质缺陷的lu，1V类围岩，试图通过固结灌浆提高围岩分担率可能不会得到明显效果，必要性很小。

关键词：地下埋管；围岩分担率；高压固结灌浆；抽水蓄能电站

中图分类号：P338 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.020

目前在全球能源互联网和特高压等规划下，抽水蓄能电站在中国发展迅猛，其引水系统多有以下特点：①下平段钢衬承受的最大内水压力可接近10MPa；②埋深多在500m量级，地质结构复杂；③下平段直径较大，为4～5m。

抽水蓄能电站引水系统下平段因承受的内水压力过大，故多采用钢衬。提高围岩分担率、优化引水系统钢衬的厚度和减少围岩的固结灌浆，一直是工程和科研的热点之一。结合文献分析可知，近期相关研究多集中在岔管段，对下平段关注较少。钢衬与岩壁的间距在满足钢衬安装和混凝土浇筑要求的前提下尽量减少，一般为50～70cm。工程中发现，在重力作用下，引输水系统竖井的回填混凝土质量易于保证，斜井次之，而平洞段相对最难保证。斜井和平洞段钢衬两侧回填混凝土的质量较易保證，但顶拱、底拱处平仓振捣困难，稀浆集中，易形成孔洞和缝隙，尤其是顶拱部位，更易出现脱空现象。我国几个水电站的地下埋管因内压和外压过大而造成破坏，破坏部位多位于平洞段。基于上述考虑，本次选平洞段为主要研究对象。

目前在抽水蓄能电站引水系统的设计中，多建议实施高压固结灌浆，进而试图提高围岩分担率。由现有一些抽蓄电站实测资料发现，围岩和混凝土垫层中由内水压力引起的变形甚微，可见不加区别地进行固结灌浆的必要性值得进一步研究。调研也发现，关于围岩固结灌浆对内水压力分担率的影响的系统研究较少。基于上述考虑，笔者采用FLAC3D软件通过改变围岩力学参数，研究在不同内水压力和围岩强度组合即18个组合工况下，钢衬和围岩的应变特征，进行围岩抗力系数的敏感性分析，然后结合实测资料，探讨取消固结灌浆的可能性。

1 计算模型简介

1.1 模型几何特征

本次计算采用FLAC3D软件，该软件在岩土体的弹塑性分析及模拟施工过程等领域有独到的优点，广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质等领域。模型参考了在建的安徽绩溪抽水蓄能电站资料，其引水系统压力管道下平段参数为：①埋深约430m，净内径4.4m，马蹄形开挖断面；②钢衬为抗拉强度约800MPa的钢板，钢板厚度δ在36～46mm之间，本文取δ=40mm；③地应力实测值约17MPa；④钢衬与围岩之间有70cm厚的C20混凝土垫层。工程区围岩为致密完整的斑状花岗岩。

因地表起伏对计算结果影响甚微，故在下平段取30m×20m×30m的长方体为研究对象，对应Y轴方向即钢衬轴线方向长20m。因钢衬与混凝土、混凝土与围岩之间不发生显著滑移，故均未设置interface接触单元。单元采用了精度较高的8节点六面体单元，共划分3万个单元，图1为局部细节图。地应力按实测值17MPa进行拟合。

1.2 计算参数及屈服准则

围岩采用Mohr-Coulomb准则，钢衬和混凝土垫层均视为弹性物质，同时设定钢衬外侧混凝土回填之前围岩变形已结束。内水压力通过Apply命令，以应力加载的方式均匀加载在钢管的内表面，方向为径向。围岩、钢衬和混凝土垫层的物理力学参数见表1和表2（K0、E、μ、c、φ、T、γ依次为围岩弹性抗力系数、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、重度），抗拉强度T取设计资料中抗压强度的十分之一。围岩重度均为27kN/m3。

1.3 围岩分担率的计算水压力；D为钢管内径；b为壁厚）；σθ为地下埋管时钢管的最大应力。

2 围岩强度对钢衬变形和应力的影响

2.1 计算结果分析

围岩弹性抗力系数K0取1、6、9 N/mm3，依次对应Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ类围岩；混凝土垫层和钢衬参数以表2为准；内水压力取0.88、1.37、3.00、5.00、7.17、9.93MPa。

分析图2、表3不难发现：①K0对钢衬径向位移影响不显著；②K0对σθ和λ的影响也不明显。

经分析，这一现象主要与钢衬抗变形指标极大有关，其抗拉强度达760MPa、弹性模量达206.0GPa，在相对较小内水压力作用下，埋管状态下径向变形仅为毫米级别，根据变形协调，钢衬首先变形，然后压力才能传递到混凝土垫层，最后才由混凝土垫层传递到围岩。首先，钢衬变形太小，以至于其影响和波及范围有限；其次，这与设计推荐的围岩参数较大也有关系，围岩对内水压力引起的应力和变形响应不明显；最后，混凝土垫层的施工质量（是否脱空）、密实度等也是影响各组分间受力和变形状态的因素。围岩分担率不仅与混凝土垫层和围岩的完整致密有关，而且与钢衬的厚薄关系紧密，钢衬越薄，在内水压力作用下，变形越大，根据位移协调原则，越有利于围岩分担率的提高。

需要说明：①本文为了着重探讨围岩对内水压力的分担作用，适当优化和简化了三维模型，未考虑钢衬和垫层之间及垫层中可能存在的缝隙和孔洞，是在理想状态下探讨围岩的承载性状；②将C20混凝土垫层视为各向同性弹性体，与实际情况有一定差别，混凝土在钢衬变形影响下，可能出现微小拉裂隙，此时垫层为非完全弹性体。但前期试算结果表明，当混凝土垫层屈服准则采用Mohr-Coulomb时，钢衬的位移和应力值与类似工程实测值相比显著偏大，虽然存有上述问题，但就规律性而言，上述处理是可行的。

钢衬、混凝土垫层和围岩的弹性模量对比见图3，钢衬首先得有足够的变形才能使围岩具有一定的内水压力分担率，而实际情况是钢衬变形过小。

理论和工程实践均发现[8-10]，对相对完整致密的围岩进行高压固结灌浆，由于围岩本身透水率差，可灌性低，因此试图以高压固结灌浆来提高岩体弹性模量是不会有明显效果的。目前不少项目拟通过灌浆提高围岩强度来试图提高围岩分担率，从本次研究结论来看，这一做法的必要性和有效性均值得进一步商榷。

2.2 现场监测资料分析

河北张河湾抽水蓄能电站、福建仙游抽水蓄能电站引水压力钢管段监测数据见图4。分析可见，内水压力作用下，压力钢管及围岩的变形均很小，甚至出现负值（即位移方向和内水压力方向相反）。本次数值模拟分析结论和类似实际工程监测结果吻合较好，均表明围岩中实际可发生的位移甚微，围岩强度对钢衬的变形和应力影响不明显。

3 结论

不同设计内水压力作用下，围岩弹性抗力系数K0对钢衬的变形和应力影响均不明显，对λ也无明显影响。这一现象主要与钢衬自身变形较小有关，其影响和波及范围有限，加之在钢衬和围岩之间还有70cm厚的混凝土垫层。

不加区别地认为Ⅲ、Ⅳ类围岩均需要高压固结灌浆，并认为通过灌浆可提高围岩分担率的做法，其必要性和有效性均值得进一步商榷。除了有必要对围岩中显著地质缺陷如卸荷松动带、节理裂隙密集带和蚀变带等进行固结灌浆外，其他洞段进行固结灌浆的必要性不大。固结灌浆的目的和出发点主要是降低围岩渗透性，减小外水压力作用，而非提高围岩分担率。

参考文献：

[1]张春生.以围岩为承载体的高压管道设计准则与工程应用[J].水力发电学报，2009，28（3）：80-85.

[2]白威，方叙桐.抽水蓄能电站压力钢管顶部混凝土脱空处理措施：以呼和浩特抽水蓄能电站为例[J].水电与新能源，2015（3）：70-71.

[3]張淑婵.水电站压力钢管与混凝土之间的接触灌浆[J].西北水电，2009（1）：11-15.

[4]符志远.压力钢管联合受力多层环模型及算法[J].人民长江，1995，26（5）：1-9.

[5]侯建国，李春霞，安旭文，等.水电站地下埋管围岩内压分担率的统计特征研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1334-1338.

[6]王志国.水电站埋藏式内加强月牙肋岔管技术研究与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2011：20-22.

[7]刘启明，胡明.水电站[M].北京：中国水利水电出版社，2013：166-170.

[8]侯全光.高压固结灌浆对改善花岗岩性能的作用[J].人民长江，1993，24（12）：44-46.

[9]刘培青，李士青，安海堂.高压固结灌浆对软弱岩体性质的影响[J].人民黄河，2007，29（9）：85-86.

[10]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社，2004：148-149.