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大雅河抽水蓄能电站压力管道衬砌型式设计与应用

2024-10-31 109 上传者：管理员

摘要：抽水蓄能电站往往具有水头较高、线路较长等特点，压力管道和岔管采用混凝土衬砌型式还是钢板衬砌型式对工程的造价和工期影响较大。文章对辽宁大雅河抽水蓄能电站压力管道的衬砌型式选择进行了探讨，该工程压力管道下平段和岔管处静水压力达740m,通过分析岩石覆盖厚度、岩石特性、隧洞渗漏和运行管理等方面对衬砌型式选择的影响，最终确定了适合本工程的衬砌型式，也可为类似工程的衬砌选择提供参考。

关键词：
压力管道
大雅河水利枢纽水库
工程地质
钢板衬砌
钢筋混凝土衬砌
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大雅河抽水蓄能电站位于辽宁省本溪市桓仁县大雅河上，站址距桓仁县城40km, 距沈阳市直线距离为152km。上水库位于大雅河左岸一撮毛山及其相邻次高峰之间的鞍部，通过开挖鞍部和在其东西两侧筑坝形成库盆。下水库位于大雅河流域中上游吕家堡子附近，利用已建的大雅河水利枢纽水库，上下水库之间的直线距离约1500m。工程等别为一等，工程规模为大(1)型。电站安装4台单机容量为400MW的单级立轴单转速混流可逆式水泵水轮机组，装机容量1600MW。

输水系统线路总长2.1km, 采用一洞两机布置方式，主要由上水库进/出水口(包括引水事故闸门井)、引水隧洞、钢岔管、引水支管、尾水支管、尾水钢筋混凝土岔管、尾水隧洞、尾水事故闸门室、下水库进/出水口(包括尾水检修闸门塔)等建筑物组成。

1、引水系统布置

大雅河抽水蓄能电站输水系统布置在大雅河左岸和一撮毛鞍部之间的山体内，总体走向SW200.1°～NW303.0°～NW315.0°～NW271.1°。两条引水压力管道平行布置，压力管道中心线间距31.4～44.1m, 利用上竖井进行平面转弯并错落布置。压力管道沿发电水流方向依次布置为上平洞、上竖井、中平洞(中心高程659.00m)、下斜井、下平洞(中心高程324.43m),斜井倾角55°。上平洞起点中心高程989.97m, 上平洞终点中心高程#1压力管道988.72m, #2压力管道985.68m, 底坡均采用8%。上平洞～下斜井段洞径5.7m, 下平洞洞径4.5m。

#1压力管道全长1017.67m, 其中上平洞长15.79m, 竖井上弯段长37.27m, 上竖井长279.80m, 竖井下弯段长39.27m, 中平洞长190.13m, 斜井上、下弯段长24.00m(共两个),下斜井长382.41m, 下平洞长25.00m。#2压力管道全长1058.22m, 其中上平洞长53.97m, 上竖井长276.75m, 中平洞长195.55m, 转弯段、下斜井和下平洞布置均与#1压力管道相同。弯段的转弯半径为25.00m。

两个引水钢岔管采用对称“Y”型内加强月牙肋钢岔管，分岔角为70°,中心高程为324.43m, 主管内径为4.5m, 支管内径为3.2m, 最大公切球直径为5.16m, 外包素混凝土厚0.85m。四条高压引水支管平行布置，轴线方位角NW315°,与厂房轴线(NE 65°)夹角为70°。支管内径3.2m, 中心线高程为324.43m; 厂前支管内径2.35m, 中心线高程为324.00m。厂前支管与引水支管采用底部水平的斜锥管连接。引水支管中心间距为24.43m, #1～#4支管长度分别为64.51m、77.69m、64.51m、77.69m。

2、压力管道工程地质条件

本工程压力管道包括部分上平段、上竖井、中平洞、下斜井和下平洞以及四个弯段，地下洞室埋深30～500m, 上覆岩体厚度：上平段结合库盆开挖，上覆岩体厚度25～76m, 中平段320～430m, 下斜井段320～535m, 下平段505～540m。围岩为新鲜状态震旦系下统钓鱼台组石英砂岩和含砾石英砂岩。

岩层产状走向N15°W～N5°E,倾向NE/SE,倾角一般20°～35°,层厚一般30～100cm, 呈中厚状～厚层状结构。

上平段、上弯段围岩为弱～微风化石英砂岩，其它部位围岩均为微新石英砂岩和含砾石英砂岩，石英砂岩和含砾石英砂岩层面裂隙发育。根据钻孔资料，弱风化石英砂岩属完整性差岩体，局部属较完整岩体；微风化石英砂岩属完整～较完整岩体，局部属完整性差岩体；弱风化石英砂岩陡倾角节理发育，微风化局石英砂岩局部节理较发育，岩层层面裂隙为缓倾角结构面。

压力管道均位于地下水位以下，地下水位以下最大埋深约479m。据压水试验资料：弱风化岩体属中等～弱透水岩体；微风化岩体属弱～微透水岩体；新鲜岩体多属微透水岩体，局部为弱透水岩体。

根据地应力测试结果，最大主应力值为10.97～18.13MPa之间，最小主应力值在7.07～12.85MPa之间，中间主应力值为10.11～14.28MPa, 地下厂房区属于中等应力场，最大水平主应力优势方向为N59°E～ N80.1°E之间。高压压水试验成果表明：围岩最小水力劈裂压力4.65MPa。

综合分析，压力管道段Ⅱ类围岩约占84%,Ⅲ类围岩约占10%,Ⅳ类围岩(断层部位)约占6%。

3、衬砌型式初选

抽水蓄能电站压力管道衬砌型式选择是输水系统设计的一个重要环节[1-2]。压力管道衬砌型式选择应根据地形、地质条件、内水压力、外水压力、管道尺寸、施工工艺等综合考虑。目前较常用的衬砌型式有：钢筋混凝土衬砌、预应力混凝土衬砌和钢板衬砌等。

预应力混凝土衬砌根据施加预应力的方法可分为机械式和压浆式两种。机械式预应力一般不计围岩的承载作用，仅用于HD 值较小的管道，且施工技术复杂、造价较高，易造成局部压力过高。本工程压力管道最大HD值为4900m2,不适合采用机械式预应力混凝土衬砌。压浆式预应力对施工和地质条件要求较高。本工程压力管道围岩以Ⅱ类为主，Ⅲ～Ⅳ类约占16%,局部存在断层，不适合采用压浆式预应力混凝土衬砌。因此，本阶段本工程仅对钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌进行比较。

根据《抽水蓄能电站设计规范》[3],地下厂房前压力钢管段的长度不宜小于最大静水压力水头的1/3～1/4。大雅河抽水蓄能电站工程压力管道最大静水头745m, 所以距离厂房<186.25～248.3m范围内的压力管道需要采用钢板衬砌。

因此，大雅河抽水蓄能电站工程需要重点对引水隧洞上平段、上竖井、中平洞和下斜井上半段进行钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌型式比选。

4、比选方案分析讨论

4.1 钢筋混凝土衬砌方案适用性分析

4.1.1 挪威准则判别

挪威准则是一个基于上抬理论的经验准则，它不考虑地质构造、围岩渗透等重要因素，因此在地质勘探资料及地应力测定成果不充分的情况下，它是确定不衬砌(或透水衬砌)管线布置的重要依据[4]。

挪威准则计算公式为：

式中：CRM为岩体最小覆盖厚度(不包括全、强风化厚度),m;hs为洞内静水压力水头，m;γw为水的重度，N/m3;γR为岩体重度，N/m3;α为河谷岸边边坡倾角，°,当α>60°时，取α=60°;F为经验系数，一般取1.30～1.50,本工程取平均值1.5。

由挪威准则计算压力管道沿线各点满足混凝土衬砌布置条件的最小覆盖厚度见表1。

表1压力管道挪威准则计算成果表

由计算成果可知，压力管道中平洞及其上游段沿线各点岩体覆盖厚度均满足挪威准则的要求，安全系数均>1.5,故考虑压力管道中平段及其上游段采用钢筋混凝土衬砌。压力管道下斜井中部岩体覆盖厚度不满足挪威准则的要求，安全系数<1.5。

4.1.2 地质条件及围岩抗劈裂能力分析

高压隧洞是指内水压力水头≥100m的隧洞。高压隧洞采用钢筋混凝土衬砌，围岩是防渗与承受内水压力的主体[5]。本工程自上弯段结束开始均为高压隧洞段，对围岩质量要求较高。

根据《抽水蓄能电站设计规范》,当地质条件良好，围岩透水性较小，围岩以Ⅰ、Ⅱ类为主，围岩最小地应力大于该处洞内设计静水压力，布置上满足围岩水力劈裂要求的高压隧洞，宜采钢筋混凝土衬砌方案。本工程压力管道段Ⅱ类围岩约占84%,Ⅲ类围岩约占10%,Ⅳ类围岩(断层部位)约占6%。Ⅱ～Ⅲ类围岩占压力管道段总长94%左右，可以采用钢筋混凝土衬砌。

本工程压力管道段岩层产状走向N15°W～N5°E,倾向NE/SE,倾角一般20°～35°,层厚一般30～100cm。岩层与压力管道轴线夹角较大，且层理相对较密集。岩层层面、断层、节理较发育，围岩多较完整，局部完整性差。压力管道最大静水头745m, 大于围岩最小水力劈裂压力4.65MPa, 围岩在长期高水头压力作用下抗劈裂能力较差。由于本工程压力管道水头较高，且距离厂房较近，如压力管道采用钢筋混凝土衬砌，一旦沿层理面形成渗流通道，将对厂房安全产生重大威胁[6]。国内已建抽水蓄能电站，设计水头500m级别的压力管道采用钢筋混凝土衬砌出现了渗透破坏，造成了巨大的损失。故从运行安全、风险控制角度考虑，不宜采用钢筋混凝土衬砌。

综合围岩类别、地质构造、岩体渗透性和抗水利劈裂能力等工程地质条件分析，压力管道不具备采用钢筋混凝土衬砌型式的良好地质条件。

4.1.3 渗漏量估算

压力管道段Ⅱ类围岩约占84%,Ⅲ类围岩约占10%,Ⅳ类围岩(断层部位)约占6%。根据《水工隧洞和调压室》[7]中推荐的衬砌裂缝渗水量计算公式对钢筋混凝土衬砌方案渗漏量进行计算。若压力管道采用混凝土衬砌，输水年渗漏量为253.6万m3。

4.2 钢板衬砌适用性分析

钢板衬砌对围岩条件要求相对混凝土衬砌方案低。地下埋管结构是按钢板衬砌—外围混凝土—围岩联合作用，共同承担内水压力来设计。根据《水电站压力钢管设计规范》[8]中相关公式进行钢管壁厚和抗外压稳定计算。

通过初步计算，压力管道最大设计内水压力为10.64MPa, 考虑部分围岩分担时，压力管道最大钢板衬砌厚度约为66mm(800MPa级)。从国内外已建工程实例可以看出，钢板衬砌厚度>60mm 的工程已较多，国内已建和在建的十三陵、西龙池、呼和浩特、长龙山等抽水蓄能电站压力管道，已有较大规模采用800MPa级钢材的经验，制作安装施工技术较为成熟，因此压力管道采用钢板衬砌方案技术上可行的[9-11]。

4.3 讨论

1)大雅河抽水蓄能电站工程压力管道轴线与岩层夹角较大，层理相对较密集。岩层层面、断层、节理较发育，围岩多较完整，局部完整性差，围岩在长期高水头压力作用下抗劈裂能力较差。由于本工程压力管道水头较高，且距离厂房较近，如压力管道采用钢筋混凝土衬砌，一旦沿层理面形成渗流通道，将对厂房安全产生重大威胁。故从运行安全、风险控制角度考虑，不宜采用钢筋混凝土衬砌。

2)压力管道采用混凝土衬砌估算年渗漏量为253.6万m3,渗漏量较大。钢板衬砌可以承受较高内水压力，对围岩要求较低，不会产生内水外渗。压力管道采用钢板衬砌后不会产生渗漏。

3)压力管道采用钢板衬砌，所需最大钢板衬砌厚度为56mm(800MPa 级),类比国内外工程实例，采用此规模的高压钢管技术上是可行的。

4)运行管理方面，钢板衬砌检修周期长，运行管理简单，具有较大优势。

综上所述，本阶段推荐压力管道衬砌型式采用钢板衬砌方案。

5、结论

通过对不同衬砌方案的适用性及特点分析研判，最终确定大雅河抽水蓄能电站引水系统采用全钢衬方案。由于本工程特殊的地质及枢纽布置条件，使得引水压力管道采用钢筋混凝土衬砌型式具有较大安全隐患。采用全钢衬方案，虽投资上有所增加，但大大提高了压力管道运行的可靠性，降低了后期运行维护难度。

参考文献:

[1]张春生,姜忠见.抽水蓄能电站设计[M].北京:中国电力出版社,2017:36-40.

[2]邱彬如,刘连希.抽水蓄能电站工程技术[M].北京:中国电力出版社,2008:55-58.

[3]国家能源局,抽水蓄能电站设计规范:NB/T 10072-2018[S].北京:中国电力出版社,2018.

[4]刘寅,抽蓄电站输水系统衬砌型式比选[J].机电信息,2020(17):69-70.

[5]李新星,蔡永昌.高压引水隧洞衬砌的透水设计研究[J].岩土力学,2009(02):66-68.