高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构相关工程问题探究与建议.docx

高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构相关工程问题探究与建议中国***第一工程局作者：***1综述高压引水隧洞是构成大型水电站、抽水蓄能电站的引水建筑物，其承受工作 水头压力大于100m构成抽水蓄能电站的引水建筑物由系统的高压引水隧洞组 成，具有结构形式多样、承压水头高、引水线路长等特点；国内已建的天荒坪抽 水蓄能电站引水隧洞承压水头达700m以上，引水系统隧洞总长度达1000m以上 在此，本文针对抽水蓄能电站引水系统，把承压水头大于100m的引水隧洞作为 高压引水隧洞引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构是应用较普遍的衬砌结构形式，对于高压引水 隧洞而言，钢筋混凝土衬砌结构也是一种较经济的结构形式，高压引水隧洞钢筋 混凝土衬砌结构在工程应用中常会遇到不良地质条件的影响，从而引出一些相关 的工程问题本文针对不良地质条件软弱地质构造的工程危害，从高压引水隧洞 钢筋混凝土衬砌结构应力分析入手，分析高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌----围岩 复合体结构稳定性，探究不良地质条件环境中高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构 应用实践中存在的工程问题，并提出相关的建议2高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程应用及其工作特点2.1高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程应用抽水蓄能电站高压引水系统包括：上平段、上弯段、斜（坚）井段、下弯段、 下平段、岔管段、钢管段等组成部份。

高压引水隧洞的衬砌形式一般常用有两种： 钢筋混凝土衬砌结构形式和钢管回填混凝土衬砌形式；高压引水系统隧洞主要布 置于深厚覆盖的山体中，当工程地质条件相对较好时，常采用斜井布置形式，引 水隧洞衬砌多采用钢筋混凝土衬砌结构形式，当工程地质条件较差时，一般采用 坚井布置形式，或采用斜井钢衬结构形式已建的天荒坪抽水蓄能电站及桐柏抽 水蓄能电站高压引水系统都处于较完整的新鲜花岗岩岩体中，无较大规模发育的 地质构造带，区域工程地质条件较好，因而其高压引水系统隧洞采用斜井钢筋混 凝土衬砌结构形式；北京十三陵、江苏宜兴抽水蓄能电站引水系统区域工程地质 条件较差，围岩风化程度较强，且有较大的断层等地质构造带通过，北京十三陵 抽水蓄能电站高压引水系统采用了斜井钢管衬砌回填混凝土结构形式，江苏宜兴 抽水蓄能电站引水系统采用了坚井钢管衬砌回填混凝土结构形式由于抽水蓄能电站引水系统高压引水隧洞长度较长，高差变化较大，在工程 实践中经常会遇到高压引水隧洞轴线穿越不同性状地层的情况，也常会遇到局部 的不良地质构造带或不良地质构造层，另外，随着***施工技术的发展，在不良 地质条件环境中采用钢筋混凝土衬砌结构形式将成为一种发展的趋势，解决与局 部不良地质条件环境中钢筋混凝土衬砌结构相关的工程问题将成为工程技术人 员经常需要面对的课题。

2.2抽水蓄能电站输水系统工程运行特点抽水蓄能电站输水系统属于高内水压力有压隧洞，且其内水压力在最高运行 水头压力范围内频繁变动，抽水蓄能电站输水系统工程运行包括充水和放空两个 过程，在充水和放空过程中伴随着结构受力、变形和高压水渗流两种作用在充水工作状态下，系统内形成高内水压力，首先高内水压力作用于系统衬 砌结构，系统衬砌结构在发生弹性变形后，吸收了部分内水压力，把乘余部分传 递到围岩体系；同时系统内高内水压力在系统衬砌一一围岩复合结构内形成内水 外渗流场在放空工作状态下，系统内形成的高内水压力迅速消减，发生了弹性 变形的系统衬砌一一围岩复合结构内应力释放，同时在系统衬砌一一围岩复合结 构内形成外水内渗流场3局部不良地质条件对高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的工程影响3.1不良地质构造的工程地质特征对工程可能会造成较大影响的不良地质条件常见的主要包括：断层构造结构 面、发育规模较大的风化节理组合结构面、风化裂隙及厚层风化层等，在此，我 们称其为相对软弱地质构造带或软弱地质构造层软弱地质构造层发育规模不 同，其宽度可由不足1.0m到十几米、几十米，其力学性质主要由其内部组成物 质的性状及风化程度决定；风化后的花岗岩强度可降低至不足40kg/cm2,有些岩 石风化后遇水会发生泥化现象。

3.2软弱地质构造层对高压引水隧洞工程施工的影响抽水蓄能电站高压引水系统隧洞线路较长，平洞混凝土施工需要采用钢模台 车；斜井钢筋混凝土衬砌施工需要采用专用的斜井滑模施工技术，自下而上连续 作业如果在高压引水隧洞斜井施工中遇到软弱地质构造层，特别是当软弱地质 构造层发育宽度达5.0m以上时，必然会影响施工进度、施工成本及施工安全， 会会使施工难度大幅度增加，主要表现在以下各工序施工阶段：（1）斜井开挖阶段遇较大规模发育的软弱地质构造层，施工必须采取措施 保证围岩稳定，避免围岩失稳造成大范围塌方事故，另外，由于软地质构造带多 为地下水活动的主要通道，在施工遇软弱地质构造层时，也常伴随着地下水集中 大量渗出，给施工增加了难度和风险2）斜井钢筋混凝土施工阶段，软弱地质构造区域存在的围岩渗水问题会 严重影响混凝土施工的质量，更重要的是在软弱地质构造区域常常需要采取加厚 钢筋混凝土衬砌厚的工程措施，而混凝土滑模施工要求入仓的混凝土土拌和料塌 落度参数值必需在4—7cm范围内，在长斜井施工环境中，混凝土在斜井内的运 输条件受到多种因素的限制，当衬砌厚度过大时，混凝土滑模施工将难以进行 例如：在洞径为6.5m的长斜井中，当钢筋混凝土衬砌厚度达到1.5m以上时，在 现有的施工技术条件下就无法完成其滑模施工。

为了解决局部的软弱地质构造层 带来的工程问题也可以采用钢衬结构形式，但在长斜井中局部布置钢衬结构同样 会使斜井混凝土滑模施工中陷入困境，甚至难于完成3) 斜井高压固结灌浆施工阶段，软弱地质构造往往是高压固结灌浆重点施 工部位，在软弱地质构造区高压固结灌浆施工难度会增加；高压固结灌浆造孔困 难，有时会难以一次成孔，甚至需要加加密灌浆孔的施工措施，对高压固结灌浆 效果会也有一定的不良影响，同时灌注水泥量也会大大增加，或需采取化学灌浆 施工措施，增加施工成本、增长施工工期3.3软弱地质构造层对高压引水隧洞工程运行的影响(1)内水外渗高压引水隧洞充水运行时，其高内水压力首先作用于衬砌结构，当高压水渗 透通过钢筋混凝土衬砌结构后，围岩会阻止内水外渗，相对于钢筋混凝土衬砌结 构而言，围岩区域内形成了较长的渗径，而且在围岩体内一定范围内由于高内水 压力及围岩变形的综合作用还会形成以压应力为主应力区域，因而形成较好的防 渗效果当高压水渗透通过钢筋混凝土衬砌结构后，遇到软弱地质构造时，虽然经过 常规的高压固结灌浆处理，在发育程度较为严重的软弱地质构造区域内围岩内仍 然可能会形成高压水渗流通道，情况严重的还会产生围岩泥化现象，在内水外渗 的同时还存在高压引水隧洞运行安全问题。

2)软弱地质构造区域围岩稳定性经过常规高压固结灌浆处理后的软弱地层强度会有一定程度的提高，但其强 度指标会受到灌入的水泥浆体结石终凝强度的局限，多项实践资料显示：灌入软 弱地层中的水泥浆体结石强度较为理想状可达到20MPa，这一强度指标说明：经 过常规高压固结灌浆的软弱地层不能象完整、坚固的围岩一样，在钢筋混凝土衬 砌结构受到高内水压力产生扩张变形时，提供较理想的围岩抗力，从而对钢筋混 凝土衬砌结构的扩张变形形成有效约束当高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构在高内水压力作用下，得不到有效的围 岩抗力的辅助作用和对其扩张变形有效约束时，其结构内会产生拉应变扩大的趋 势，使钢筋混凝土结构的抗渗性能减弱，因而增加了内水外渗的渗水量，同时作 用于软弱地质构造区域围岩中的渗透压力也将增大在这种情况下，可能会对软 弱地质构造区围岩造成渗透破坏，或进一步降低其完整性，增加其不稳定性4高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌----围岩复合结构稳定性分析4.1高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构充水状态的应力分析高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构充水状态下，钢筋混凝土衬砌结构内部产 生拉应力，当衬砌结构局部存在薄弱面时，就可能形成应力集中，甚至造成破坏。

如图4-1-1所示：在内水压力P的作用下，钢筋混凝土衬砌结构内任意截面上产 生的附加应力为6]那么：6 二 P*2R/2D 式 4-1-1式中：2R为高压引水隧洞衬砌后直径，D为钢筋混凝土衬砌的厚度在附加应力6』勺作用下，钢筋混凝土衬砌结构内将产生反向约束的拉应力，钢筋混凝土衬砌结构的容许最大拉应力为6 max，且6 max由两部份组成；既由 混凝土拉应力6 max和钢筋的分布拉应力6 max组成16max-1=k[P01]-2式4-1-24-1-36max-2=n*s[P02]/@* D式6max=6 max 1 +6max-2式 4-1-4式中：k——混凝土抗拉强度与抗压强度转换系数[P01]——混凝土抗强度n ° 1——钢筋混凝土配筋层数s 配筋截面面积[P02]——钢筋抗拉强度@ ----钢筋混凝土环筋配筋间距D 钢筋混凝土衬砌厚度按式4-1-1、式4-1-2、式4-1-3、式4-1-4可得不同衬砌结构形式、承压 水头条件下的6】和6max值，在式4-1-2中的k值取值为0.1，普通C30混凝 土强度按其强度等级值30 MPa考虑；钢筋按热轧HRB335考虑，其屈服强度指标 为335 MPa，计算结果见表4-1-1：表 4-1-1内水压力MPa承压水头m衬砌结构形式衬砌后洞径6.5m，混凝土强度等级C3061MPa6 maxMPa1.0100D=50cm,单层环筋 HRB335 级，山 28mm,@=20cm6.55.051.3130D=80cm,双层环筋 HRB335 级，山 28mm,@=20cm5.35.581.5150D=80cm,双层环筋 HRB335 级，山 28mm,@=20cm6.15.582.0200D=80cm,双层环筋 HRB335 级，山 28mm,@=15cm8.16.443.0300D=100cm,双层环筋 HRB335 级，山 28mm,@=15cm9.75.8通过表4-1-1对工程中常用的钢筋混凝土衬砌结构形式和常见的内水压力条件 下，高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构内任意断面上的拉应力气与钢筋混凝土衬 砌结构的容许最大拉应力5max进行比较，可以看出"值与5max值已经相当接近， 且在几种情况下出现了 "值＞6max值的现象;如果普通C3 0混凝土强度按规范要求 取其设计允许值，就会出现更严重的气值＞6max值的现象，说明在没有围岩抗力辅 助作用的情况下，工程中常用的钢筋混凝土衬砌结构形式在其承受的运行内水压力 作用下，是不够稳定和安全的。

4.2围岩抗力高压引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构受内水压力变形时，其围岩将会受压变 形，围岩具有一定的弹性和强度，当其被压缩的同时，就会产生一定的弹性抗力 §，它与变形y成正比，如图4-2-1:图 4-2-1艮即 § = k * y 式 4-2-1式中k为弹性抗力系数，隧洞的半径不同，弹性抗力系数k的值不同，同一 岩体中洞室半径R愈大，弹性抗力系数值愈小，在此引入单位弹性抗力系数k： 0k0 = k * R/100 式 4-2-2式4-2-2中R的单位为cm弹性抗力系数与岩石软弱、破碎和风化程度有关，与岩体干湿度有关，与岩 体强度有关，与岩体强性模量关系密切；实践证明，在相同的条件下，内水压力 较大时，岩体弹性抗力系数K值便较小，相反则较大；在同一级压力下加荷减荷 的次数多，岩体的弹性抗力系数值便会降低弹性抗力系数值可以由实测方法得 到，对于较完整的岩体，也可以通过测定岩体的弹性模量E和泊松比出再由关。