双牌水库发电引水管加固设计

2010-07-12谭凡

湖南水利水电 2010年1期

谭凡

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

1 发电引水管现状

双牌水库8～11号非溢流坝段内埋设有3根内径5.6 m的发电引水管，上游进水口中心线高程151.0 m，坝身内坡度 1∶0.47，出口中心线高程 l26.81 m，发电管进口至出口总长67.5m，管壁为（2.4～3.0）m厚钢筋混凝土。经过40年的运行，发电管引水管混凝土衬砌已老化，管身内出现大面积裂缝、混凝土有钙化剥落现象，管身外表面也发现有裂缝，裂缝宽（0.1～0.2）mm，并有渗水，说明裂缝已贯穿，引水管本身已不安全，长期运行，将影响整个大坝安全运行。

2 结构计算

双牌水库正常蓄水位170.0 m，设计洪水位173.01 m，校核水位175.73 m，引水管进口中心高程151.0 m，出口中心高程126.81 m。引水管为钢筋混凝土衬砌，下游混凝土壁厚2.38 m，上游混凝土壁厚3.0 m，引水管斜段坡比1∶0.47。

H外=175.73-126.81=48.92 m，根据查找原设计资料，H水锤=13.92m。

设计按ΣH=65 m水头计算。

总应力：

内水压力作用下的管外壁边缘应力与温差产生的管外壁边缘应力迭加：

查原设计图纸，管外壁未配置温度钢筋，管壁衬砌为C20混凝土，C20混凝土轴心抗拉设计强度ft=1.10 N/mm2=1 100 kN/m2=1 100 kPa＜1 589 kPa，因此当温差较大时，完全可能在管壁产生裂缝。从以上计算可知，对于引水管温度应力比水压力产生的应力大得多，因此结构设计时应注意配置温度钢筋。

3 对发电引水管裂缝的研究

根据初设报告中对引水管裂缝的论述和双牌水库进入过引水管的观测人员提供的情况，引水管中裂缝的情况是：3根引水管混凝土衬砌均出现大量裂缝，裂缝方向无规律，有环向、纵向及其它方向的裂缝，裂缝总数量未统计，裂缝长（0.3～6）m，裂缝宽（0.1～3）mm，裂缝深度未检测，从外部观察可知已发生贯穿性裂缝。临水面混凝土较破碎。

混凝土构件由于外界气温引起的温度应力产生裂缝的范围是（2～3）m，双牌水库发电引水管混凝土衬砌厚3 m，在此影响范围内。引水管斜管段混凝土衬砌直接暴露于外部，在阳光照射下，混凝土外表面温度可达50℃以上，而引水管为深式引水，混凝土内表面温度应在15℃左右，由于温差较大，认为引水管裂缝主要由于温度应力产生，又由于管内高压水的水力劈裂作用和引水管的多年运行，使裂缝逐步发展以至形成目前的情况。

根据引水管内出现多处纵向裂缝和1963年当时的“水利水电建设总局”下发的关于引水管衬砌实际配筋少于设计配筋的文件的情况，认为引水管混凝土衬砌强度存在一定问题，由于没有竣工图纸，实际配筋比设计配筋少了多少不清楚，但实际配筋比设计配筋少的程度最多不会超过1/3。

4 发电引水管加固方案比较

4.1 引水管加固设计的原则及各方案比较

（1）钢衬方案：先采用灌浆方法处理所有裂缝，然后采用钢板进行内衬，最后在钢衬与混凝土间进行接触灌浆。

（2）碳纤维布方案：先采用灌浆方法处理所有裂缝，然后在引水管内混凝土表面粘贴碳纤维布，最后挂钢筋网喷环氧水泥砂浆进行保护。

（3）预应力锚索方案：先采用灌浆方法处理所有裂缝，在引水管外表面设置预应力锚索，然后在引水管外表面加衬C15混凝土，厚2 m，在支墩坝空腔内填筑C15混凝土。

4.2 方案比较（附表）

附表发电引水管加固方案技术经济比较

设计推荐采用预应力锚索并加衬混凝土方案。

4.3 预应力锚索加固方案

（1）预应力锚索加固设计。

在引水管衬砌中设预应力锚索进行加固，在引水管断面中分别设水平向、垂直向预应力锚索，抵抗温度应力，阻止裂缝的发展，同时在引水管外部增加混凝土衬砌，减小温度应力。

在每个引水管斜管段设14根水平向预应力锚索，在每个引水管下游水平段设3根水平向预应力锚索，每个引水管斜管段和水平段共17根水平向预应力锚索穿过大头坝的2个支墩，固定在支墩上。在每个引水管斜管段设10根垂直向预应力锚索，亦固定在大头坝的支墩上。在引水管外部引水管的斜管段设置预应力锚索可阻止裂缝的发展，并保证引水管不会发生突然爆裂冲毁厂房的事故。

在引水管外部引水管的斜管段采用增加混凝土衬砌进行加固，在引水管背水坡斜管段新浇筑C15混凝土，厚1.5 m；在支墩坝空腔内填筑C15混凝土，填筑部分为空腔内交通廊道下游侧至引水管上游坡；在引水管位于升压站部分新浇筑C15混凝土，厚2 m，由于裂缝较集中于引水管下部转弯段及其水平段，因此现升压站须全部挖开，加筑混凝土后再回填石渣。所有新浇筑的混凝土均先凿毛再采用自锁锚杆与老混凝土结合。引水管内表面已出现的裂缝同样须进行灌浆修补，并在引水管管内壁采用抗冲耐磨环氧涂料涂刷一层。

在引水管衬砌中采用预应力锚索进行加固的方案，引水管内表面已出现的裂缝同样须进行修补。根据前面的分析，温度应力应是引水管裂缝产生的主要原因，因此在引水管外部引水管的斜管段增加混凝土衬砌可减小温度应力，可阻止裂缝的发生和发展。

该方案的优点是，绝大部分施工在引水管外部进行，不影响电站的正常运行，施工方便，工期短，造价较低。采用预应力锚索可加强引水管，部分提高引水管内壁的承载能力，对阻止裂缝的产生、发展十分有效。

3根引水管共设81根预应力锚索，其中：水平向预应力锚索51根，每根预应力锚索锚固吨位1 000 kN；垂直向预应力锚索30根，每根预应力锚索锚固吨位350 kN。

（2）预应力锚索。

预应力锚索的吨位设计：根据以上计算，引水管衬砌的最大应力为1 589 kPa，考虑预应力锚索承担1/5总应力：1 589/5=318 kPa。

引水管衬砌厚2.38 m，水平向预应力锚索间距设计为 1 m，则 318×3×1=954 kN。

考虑目前工程常用的预应力锚索吨位情况，设计水平向预应力锚索吨位为100 t，即1 000 kN。

垂直向预应力锚索：该预应力锚索的设置主要是为了配合水平向预应力锚索，使整个发电引水管受力完整、均匀。引水管底部如设置预应力锚索从结构受力来说是较理想的，但大头坝基础开挖时留有基岩，大头坝之间已用废渣回填，要全部清除这些岩石和废渣去进行预应力锚固施工难度较大，考虑两侧的填渣对受力有利，因此引水管底部未设置预应力锚索。

设计垂直向预应力锚索的锚固力为水平向预应力锚索的锚固力的1/3，为350 kN，垂直向预应力锚索间距1 m。

引水管斜管段的预应力锚索单根长15.6 m，斜管段的14根预应力锚索总长218.4 m；引水管下游水平管段的预应力锚索单根长17.6 m，下游水平管段的3根预应力锚索总长52.8 m，则1个发电引水管设17根1 000 kN预应力锚索，锚索总长为271.2 m；1个发电引水管设10根垂直向350 kN预应力锚索，350 kN预应力锚索单根长14.5 m，350 kN预应力锚索总长为145 m。3个发电引水管共81根预应力锚索，锚索总长为1 248.6 m。钢绞线总重1 361 kg。

每根1 000 kN预应力锚索采用7×7Φ5钢绞线，钢绞线强度设计值1 860 N/mm2，设计永久吨位100 t，安装吨位110 t。每根350 kN预应力锚索采用3×7Φ5钢绞线，钢绞线强度设计值1 860 N/mm2，设计永久吨位35 t，安装吨位38.5 t。