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水电站输水系统设计与工程实践

第五章 水电站输水系统结构设计

水电站水道系统的建筑物是多种多样的，河岸式进水口、塔式进水口为框架结构；隧洞、地下埋管、调压室、地下岔管为地下结构；坝式进水口、坝内管、坝后背管、调压塔等为钢筋混凝土结构；明管、钢岔管为钢结构。所以水电站水道系统结构设计与计算是结合水电站水道系统受力特点、复杂的边界条件所进行的地下结构、钢筋混凝土结构和钢结构的设计与计算。由于地下结构存在衬砌和不衬砌的差别，存在不同的衬砌和支护方式，因此结构设计与计算的问题更为复杂。

第一节 地下管道结构设计 一、设计理论与结构发展

合理利用围岩的自身稳定性与承载能力，研究围岩与建筑物在不同受力状态下的相互依存关系，是地下结构设计的重要问题。我国在水工隧洞、地下埋管、调压室的设计理论与结构发展方面，在进行大量科学研究、工程建设、运行实践的基础上，吸收国外的先进经验，取得了较大的进步。从50年代以研究衬砌弹性阶段工作为主，发展到目前以研究围岩与衬砌在不同状态下联合受力进而以围岩为主的设计理论；从把围岩当作一种作用在衬砌上的荷载，到研究加固围岩、充分发挥围岩的作用和自承能力；从利用结构力学方法进行近似计算，到利用计算机运用有限元、边界元等方法分别考虑衬砌和围岩及不同介质的线弹性、非线弹性及塑性的计算，进而研究把水压力按体力考虑的透水衬砌设计理论。 1. 围岩分类与地应力

70年代以前，我国沿用普氏理论对岩体进行分类，这一理论对于强烈破碎的岩体和松散地层较为适宜，但把存在一些节理、裂隙、断裂等的各种岩体都视为散体，显然与实际情况不符。工程实践证明，要正确地、科学地评价各类围岩的稳定性与承载力，不但要有定性评价，还必须有一些定量指标加以区别。我国目前采用的水利水电围岩分类表是经已建工程的实践后简化制定的，有初步与详细分类两种，以适用于不同的勘测设计和施工阶段。

在地应力的判断与分析方面，近年所使用的方法有：

（l）经验法。以自重理论为依据，结合围岩主要的构造节理，分析水平应力与垂直应力的比值，判断围岩的应力；

（2）有限元分析法。根据地形及已知地应力场等边界条件，计算所求部位的地应力；（3）实测地应力法。根据现场实测地应力资料，通过计算求出各组节理面上的地应力；

（4）水力劈裂试验法。我国在天荒坪电站现场成功地完成了静水头近700m的水力劈

裂试验。

2. 隧洞衬砌应力分析理论

我国在隧洞衬砌计算理论的发展过程，大致可分为三个阶段：

（1）在50年代，我国建造的圆形断面的引水隧洞，一般其承受的内水压力不超过60m水头，多按抗裂理论进行计算，限制混凝土的拉应力不超过其允许的拉应力。采用这一抗裂理论，对围岩较好、水头不高的隧洞，一般衬砌厚度不大、钢筋用量不多，即可满足要求。我国在以衬砌为主的弹性理论计算方面已有一套比较完整的计算方法。50年代建造的一批引水隧洞，衬砌厚度多为1／8～1／12隧洞直径，钢筋用量则随地质参数与作用水头的变化，采用混凝土、单筋混凝土或双筋混凝土，配筋率0～2％。，多数隧洞直今运行安全，无异常现象。这一理论的不足之处是按抗裂衬砌设计中的钢筋未能充分发挥作用，另一方面由于衬砌有较大的刚度，限制了洞径的变形，使得本来可以利用的围岩支承作用得不到发挥，在围岩弹性抗力较低或内水压力较大的地段，为满足混凝土不开裂的要求，往往需要加大衬砌厚度或提高混凝土标号。而衬砌刚度的加大又加大了衬砌自身承受的荷载，更加限制了围岩的作用，既不合理也不经济。同时，衬砌产生裂缝的原因比较复杂，即使按抗裂设计也不能防止衬砌不开裂，许多隧洞在施工期就有裂缝出现，充水运行后虽有量的增减，但无质的区别。

（2）60年代至80年代，隧洞的衬砌计算，允许混凝土或钢筋混凝土出现裂缝，但要限制裂缝的宽度，以保证衬砌的受力条件。一般裂缝宽度限制在0.2～0.3mm，对有侵蚀性的水质，最大计算裂缝宽度则限制在0.15～0.25mm。只在隧洞衬砌开裂后，内水外渗将危及围岩和相邻建筑物的安全时，隧洞衬砌须按抗裂标准设计。对于仅作为平整围岩表面的衬砌，则不作限裂要求。

（3）80年代以后，随着水电事业尤其是抽水蓄能电站的发展，相继出现了许多大直径、高内压的钢筋混凝土衬砌的隧洞。按原限裂设计进行衬砌应力分析，已不能反映实际情况。同时也不能解释衬砌开裂后钢筋应力呈下降趋势这一现象（广州抽水蓄能电站的充水试验与高压试验洞的实测应力、应变资料反映了这一特点，衬砌大约在内水压力为1.6～2.5MPa时开裂，开裂后应力、应变值下降，最大内压时钢筋应力与混凝土应变都很小，有些甚至呈受压状态）。围岩的作用及其应力情况（包括地应力）得到高度重视和深入研究，同时也对衬砌开裂后的工作性态、渗水作用等作了进一步研究。在内水压力作用下，隧洞围岩支承作用的、主导地位，通过实践得到进一步的肯定。衬砌由于内水压力开裂，以及施工期产生的温度缝、施工缝、灌浆孔等形成渗水通道，实际上当围岩厚度与构造地应力足可承担内水压力时，已不需衬砌承担内水压力，因此只需配置少量钢筋即可。配筋目的 在于：①限裂；②维持衬砌的整体性，防止隧洞放空时塌落及过快充水等带来的意外损害。3. 锚、网、喷、衬及其他结构型式的应用

首先是锚喷结构得到较广泛的应用，隧洞开挖过程中采用锚杆、钢筋网喷混凝土来加

固围岩，以充分发挥围岩自承能力。60年代我国对这项新技术已有使用，70年代应用的范围扩大，在一定的地质条件下并已用作隧洞工程的永久衬砌，取得了较好的效果。锚杆结合钢筋网混凝土衬砌与围岩联合承受内水压力时，可限制裂缝的扩展；承受外压时与锚杆围岩联成整体，提高了其承压能力。除钢筋混凝土衬砌外，应用较多的还有不衬砌、混凝土抹平衬砌、喷混凝土等类型，一些工程还应用了预应力等技术。

（1）高压群孔灌浆预应力混凝土衬砌。白山水电站1＃压力管道上平段，经试验后将原设计的钢筋混凝土衬砌改为利用围岩固结灌浆孔进行高压群孔灌浆的预应力混凝土衬砌。其工艺为：衬砌回填灌浆后，自衬砌表面钻深入岩体 3m的固结灌浆孔，每排12～14孔，排距2.5～3.0m。灌浆之前，进行群孔压水（压力达2.0MPa），使衬砌与围岩脱开，然后降压改灌灰浆，压力达2.0～2.5MPa，灰浆由稀改浓，直到0.6：1。当吸浆量在0.2L／min以下时改用稀浆，在2.0～2.5 MPa压力下并浆2h结束。经观测：灌浆时衬砌与围岩间实际作用压力约为灌浆压力的60％左右，分布并不均匀；衬砌所受预应力达混凝土不开裂所需预应力的2～3倍；在3年内，试验洞的预应力值基本没有变化，1＃引水洞原型观测在 1年内仅因温度变化松弛 8％，预计充水运行多年后预应力效果仍然显著。灌浆后内壁干燥，质量良好。

该电站3＃引水洞斜管段原为普通钢筋混凝土衬砌，因施工质量欠佳，又距水库较近，漏水颇多，先后用固结灌浆、氰凝灌浆，均未见效，后改用上述群孔高压灌浆工艺，灌浆压力2.0MPa，堵住了所有渗漏，效果显著。

（2）环形后张法预应力钢筋混凝土衬砌隔河岩水电站按一洞一机布置，右岸设有4条内径为9.5m的引水隧洞，开挖直径11.3m，中心距24m，单洞长446m。隧洞中段穿过大坝防渗帷幕线。隧洞围岩岩性软弱，溶洞发育，断层裂隙多溶蚀填泥，地质条件复杂。考虑到帷幕下游洞段从拱坝右拱座通过，在厂后高边坡处出口，且洞间岩柱单薄，因此对衬砌有严格的防渗要求。

帷幕线上游洞段，运行期间内外水压平衡，水锤影响较弱，采用普通混凝土衬砌，完全能满足受力和防渗要求。帷幕下游洞段围岩岩性软弱，且内水压力高，外水压力较小，PD值高达8900kN／m。鉴于普通钢筋混凝土衬砌方案难以满足要求，钢板衬砌造价高、施工难度大、工期长，而环形后张预应力钢筋混凝土衬砌（以下简称“预应力衬砌”）不仅能满足衬砌环的受力、防渗要求，比钢板衬砌节省投资30％左右，而且施工难度较小，工期较短。因此，下游洞段除出口段用钢板衬砌外，其余均采用“预应力衬砌”。

隔河岩水电站4条引水隧洞分别采用QM与HM两种不同的张拉和锚固方式，预应力衬砌长度合计602m，共用钱索1380束，设计张拉力为297kN。 4．不良地质段的结构处理与施工

隧洞不良地质的施工和结构处理，是长引水隧洞中常遇到的问题。我国天生桥二级水电站的引水隧洞最具特色，电站设有3条引水隧洞，内径8.7～9.8m，单洞长约9.8km。穿