抽水蓄能发电工程引水系统下平段钢衬受力敏感性分析

柴建峰,马传宝,杨 雷,梁 宁

(1.国网新源控股有限公司技术中心,北京100161；2.安徽绩溪抽水蓄能有限公司,安徽宣城245300；3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)

抽水蓄能发电工程引水系统下平段钢衬受力敏感性分析

柴建峰1,马传宝2,杨 雷2,梁 宁3

(1.国网新源控股有限公司技术中心,北京100161；2.安徽绩溪抽水蓄能有限公司,安徽宣城245300；3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)

抽水蓄能电站引水系统下平段由于承受的内水压力过大,多采用钢衬。结合已建抽蓄电站引水压力管道的监测资料,通过FLAC3D软件对不同缝隙值、混凝土强度、钢衬壁厚、围岩抗力系数的敏感性分析进行研究分析,结果表明：①内水压力作用下,缝隙值对钢衬的变形和应力影响最为显著,混凝土垫层和钢衬壁厚次之；②围岩的强度变化对结果影响不明显,敏感性低；③钢衬壁厚增可减少钢衬的变形和环向应力,但减少的幅度不显著,壁厚存在优化的空间较大；④回填混凝土的施工质量是影响围岩分担比例的最主要因素之一,其致密和完整性显著影响着内水压力传递。建议在工程实践中,对于不存在明显地质缺陷的围岩,应寻找更好的施工工艺提高混凝土回填的质量,减少钢衬和混凝土、混凝土和围岩之间的缝隙,而不是全面采用高压固结灌浆。

抽水蓄能电站；引水系统；下平段；钢衬；敏感性分析；围岩分担率；高压固结灌浆

0 引 言

抽水蓄能电站引水系统具有高水头、埋深大、下平段直径大(下平段指上接最后一级斜井或竖井、下接岔管段的近水平压力管道,下平段直径多在4～5 m)等特点。目前引水系统下平段由于承受的内水压力过大,多采用钢衬。在确保工程安全的前提下,提高围岩分担率、优化引水系统钢衬的厚度、减少围岩的固结灌浆,不仅是投资方关注的,也是工程和科研的热点问题之一[1- 9]。结合文献分析可知,相关研究多集中在岔管,而对下平段关注较少。钢衬与岩壁的间距在满足钢管安装和混凝土浇筑要求的前提下尽量减少,一般在50～70 cm。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证,但顶拱、底拱处,平仓振捣困难,稀浆集中,易形成空洞和缝隙,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造成破坏,破坏部位也多位于平洞段。基于上述考虑,选平洞段为研究对象。

目前,在抽水蓄能电站引水系统的设计和施工文件中,常常不加区别的建议引水隧洞要进行高压固结灌浆,试图提高围岩的分担率,其可行性和必要性值得进一步研究。本文先采用FLAC3D进行不同缝隙值、混凝土垫层、钢衬壁厚、围岩抗力系数的敏感性分析,然后结合实际监测资料,分析“钢衬-垫层-围岩”联合承载内水压力的机理,进而探讨减少钢衬厚度、取消固结灌浆的可能性,为优化设计和施工提供一定的技术支持。

表1 围岩物理力学参数

1 下平段三维模型简介

FLAC3D采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,在岩土体的弹塑性分析及模拟施工过程等领域有其独到的优点,广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质等领域[10]。

缝隙的存在是影响钢衬变形和应力的一个主要因素[1],其形成和空间分布比较复杂,本次设定缝隙位于钢衬外壁和混凝土之间,环向贯穿、均匀分布。虽和实际情况有一定的差别,但不失为一种有效的假设。由于钢衬与混凝土、混凝土和围岩之间不发生显著滑移,故均未设置interface接触单元。

1.1 模型几何特征

本次分析参考了我国东南地区在建的某抽水蓄能电站的设计资料,其引水系统压力管道下平段具有如下特点：①埋深约430 m,内径为4.4 m,开挖断面为5.8 m的马蹄形；②钢衬采用800 MPa钢板,厚度δ=36～46 mm；③地应力实测值约17 MPa。

由于地表起伏对计算结果甚微,故在下平段处取一个30 m×20 m×30 m长方体为研究对象,钢衬轴线方向(y轴)长20 m。在y轴8～12 m区间设置环向贯穿缝隙,其余处无缝隙。截取y=10 m和y=16 m两个截面分析裂缝有无两种工况。单元划分采用精度较高的8节点6面体单元,共划分30 400个单元,32 761个节点,图1为模型局部细节。

图1 三维模型局部细节

1.2 计算参数及屈服准则

围岩采用Mohr-Coulomb屈服准则,钢衬和混凝土垫层均采用各向同性弹性模型,且假设钢衬外侧混凝土回填之前,围岩的变形已经全部完成,二次应力趋于稳定。

围岩的弹性抗力系数k0和E、μ有如下关系：

(1)

式中,E为围岩弹性模量；μ为泊松比。

围岩和混凝土的物理力学参数见表1和表2,钢衬的弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,密度为

表2 混凝土垫层物理力学参数

7.85×103kg/m3。

1.3 应力场拟合等

通过拟合地应力场,将实测地应力赋予该三维模型。内水压力以应力加载的方式均匀在钢管的内表面,方向为径向。计算围岩承担内水压力的百分比[3],即

(2)

2 敏感性分析

2.1 缝隙宽度变化

由于混凝土凝固收缩等诸多因素影响,在钢衬和混凝土之间往往有缝隙存在。甚至由于施工质量,局部可能空洞脱空,造成局部变形过大和应力集中等现象。通过改变缝隙值的大小分析其对钢衬变形和应力的影响程度,缝隙值依次取0 、1.0、1.5 、2.0 、2.5 mm。围岩为Ⅲ类,混凝土为C20,内水压力pw为0.88、1.37、3.0、5.0、7.17、9.93 MPa。

图2、4分别为钢衬径向位移、环向应力与内水压力的关系,图3为不同影响因素对应的围岩分担率λ的影响。由图2a、3a、4a可知,缝隙显著影响着钢衬环向应力σθ、位移和围岩分担率λ。

图2 钢衬径向位移与内水压力关系曲线

由图2～4可知：①当内水压力较小,钢衬的径向变形不足于“填补”缝隙时,钢衬和混凝土紧密贴合前,钢衬有位移变形的空间,加之缝隙环向贯穿,此时钢衬的受力类似明管状态。内水压力在3 MPa左右时,产生的径向变形可以“填补”1 mm的缝隙。随着内水压力增大,钢衬先自由变形,再和混凝土垫层贴合,然后致使垫层也发生径向变形,最终“钢衬-垫层-围岩”共同承担内水压力。②无缝隙时,σθ≤200 MPa。有缝隙时,内水压力大于3 MPa后,缝隙值越大,σθ越大。③缝隙值为0时,λ约为61%。随着缝隙值增大,相同内水压力下,λ随之减小。例如,内水压力为5MPa,当缝隙值依次为0、1.0、1.5、2.0 、2.5mm时,对应的λ分别为61.2%、33.6%、23.1%、16.9%、2.6%。④随着缝隙尺寸的增大,满足钢衬和混凝土贴合、变形协调所需的内水压力值也随之加大。

图3 不同影响因素对应的围岩分担率 λ

图4 钢衬环向应力与内水压力关系曲线

2.2 钢管壁厚变化

钢衬壁厚依次取30、34、38、40、46 mm。围岩取Ⅲ类,混凝土为C20,研究内水压力为0.88、1.37、3.0、5.0、7.17、9.93 MPa时钢管管壁的厚度变化。

(1)壁厚对位移的影响。图2b为不同内水压力和壁厚组合时,钢衬径向最大位移曲线,分析可知：钢衬径向位移有随着壁厚增加而减少的趋势,但不显著。例如,内水压力为9.93 MPa时,壁厚30、40、46 mm对应的径向最大位移分别为2.37、2.15、2.03 mm。可见,通过增加壁厚来减少变形,效果和意义均不明显。

(2)壁厚对应力的影响。图3b、4b分别为壁厚对λ和钢衬σθ的影响曲线,可知：① 相同内水压力下,壁厚越大,对应的σθ越小。例如,内水压力为9.93 MPa时,壁厚30、40、46 mm对应的σθ分别为235、211、199 MPa,σθ虽有随着壁厚增加而减少的趋势,但不显著。② 随着壁厚增加,钢衬的径向变形减少,根据变形协调,λ也将随之减小。例如,当壁厚由30 mm变为46 mm时,λ由68%减少到58%,减少幅度约10%。壁厚对λ虽有影响,但不显著。可见,提高壁厚虽然可以减少σθ,但同时降低了λ,不利于联合承载。由于钢材强度指标和弹性模量均非常大(800 MPa级钢板的屈服强度σr0.2=655 MPa、抗拉强度σb=760 MPa、弹性模量E=206 GPa),即使取壁厚为30 mm,在9.93 MPa内水压力作用下,“钢衬-垫层-围岩”联合受力时,σθ约235 MPa,和钢衬的力学性能指标相比,仍有较大的安全储备,所以工程设计中优化和减小壁厚是可行且必要的。

表3 引水压力钢管段测缝监测数据

注：①正为拉,负为压；②D*监测断面为裂隙发育带,围岩完整性较差。

2.3 围岩强度变化

围岩单位抗力系数k0依次为0.5、1.0、3.0、6.0、9.0 N/mm3。混凝土取C20,内水压力分别为0.88、1.37、3.0、5.0、7.17、9.93 MPa时围岩强度变化。由图2c、3c、4c可知:①k0对径向位移影响不显著,通过高压固结灌浆提高围岩强度来减少钢衬变形,效果和意义可能不大;②k0对σθ和λ的影响也不明显。

产生这种结果的主要原因可能是①钢衬抗变形指标大,在内水压力作用下,径向变形仅为毫米级别,根据变形协调,其影响和波及范围有限；②现行的围岩分类和推荐的围岩强度、变形参数过于笼统,推荐的力学参数和实际有一定的差别,进而导致围岩对内水压力引起的应力和变形响应不明显。

工程实践发现[9],对相对完整致密的围岩进行高压固结灌浆,必要性不大,且效果不显著。目前,不少项目拟通过灌浆来提高围岩强度,最终试图提高围岩分担率,从本文结论来看,这一作法值得商榷。

2.4 混凝土垫层分析

高压引水钢衬工作机理的类似一个多层衬砌的隧洞,钢衬功能主要承担部分内水压力、传递荷载和防渗；垫层功能是将大部分内水压力传给围岩。混凝土垫层参数如表2所示,围岩仍取Ⅲ类,内水压力分别取0.877、1.37、3.0、5.0、7.14、9.93 MPa。

(1)位移变化特征。图2 d为不同内水压力和混凝土垫层组合下,钢衬的径向位移曲线,可见：相同内水压力下,混凝土标号越大,径向位移越小。例如,内水压力为7.14 MPa,当垫层混凝土为C10时,对应钢衬径向位移为2.0 mm；当垫层混凝土为C20和C25时,径向位移均减小到1.5 mm。

(2)主应力特征。由图3d、4d可知,①内水压力7.4 MPa,垫层混凝土分别为C10和C20时,对应的σθ相应为200、150 MPa。即随着垫层混凝土标号增大,σθ相应减小。②垫层混凝土标号增大,λ也随之加大。例如,当垫层混凝土为C10时,λ约为52%；垫层混凝土为C25时,λ接近63%。③ 混凝土选用C20,还是C25对计算结果影响不明显,从经济性方面建议选用C20混凝土。

3 现场监测资料分析

表3为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。从已有监测资料分析来看,在内水压力作用下,压力钢管及围岩的变形量均很小,本次数值分析结论和类似实际工程监测成果吻合较好。

4 结 论

(1)现有规范和一些抽蓄工程不加区别的认为Ⅲ～Ⅳ类围岩均需要高压固结灌浆,并据此认为通过灌浆可提高围岩分担率,其实这种做法和想法是不恰当的。本文通过研究钢衬变形和已有监测资料认为：除了对围岩中的松动带、节理裂隙密集带和蚀变带等显著软弱带进行必要的高压固结灌浆之外,就针对提高围岩分担率而言,对其他相对致密完整的岩石进行灌浆的必要性不大。固结灌浆的目的和出发点主要是降低围岩渗透性,减少外水压力作用,而非提高围岩分担率。

(2)围岩弹性抗力系数k0对钢衬的变形和应力影响均不显著,这与钢衬变形较小有关,其量级上只有数毫米,故影响和波及范围有限,加之在钢衬和围岩之间还存有70 cm的混凝土垫层。已建抽水蓄能电站的监测资料也表明围岩中变形量非常小,仅为毫米级别,和本文研究结论比较吻合。可见不加区别进行固结灌浆无助于提高λ。

(3)“钢衬-垫层-围岩”联合承受内水压力,钢衬和混凝土之间的缝隙对钢衬的变形和应力影响最为明显。不存在缝隙时,“垫层+围岩”分担率最大可达61%,其对内水压力的分担作用是显著的。

(4)σθ虽随着钢衬壁厚增加而减少,但减少的幅度不明显。例如壁厚增加53.3%,对应的σθ减少仅为15.3%。可见优化钢衬壁厚,既能节约工程投资,又能降低现场的制造安装难度,从而获得良好的经济效益和社会效益。

(5)混凝土垫层的质量是影响λ的主要因素之一,其致密性和完整性显著影响着内水压力传递。与其灌浆加固围岩,不如寻找更好的施工工艺提高混凝土垫层的回填质量,尽可能减少钢衬和垫层之间的缝隙。

本文研究分析不足之处：①假定钢衬和垫层之间的缝隙是环向贯穿和均匀分布的,而实际工程中,由于施工工艺、施工质量、混凝土凝结等影响,缝隙分布是随机的；②岩土领域的数值模拟软件在处理毫米级别裂缝时,有一定的局限性和困难；本文研究经过不同软件对比和多次试算,针对毫米级别的裂缝,未采用Null单元或者“杀死”单元形成缝隙,而是在缝隙中填充了极其软弱的材料,这样与实际情况有一定的差别,故位移和应力值可能均有一定的误差,但就结果的规律性来看,上述处理是可行且合理的。

致谢：中交公路规划设计院的付伯勇高级工程师,在处理毫米级别裂缝这一难点上,热情无私的提供了自己经验,并应用Plaxis软件进行了对比分析,在此特表感谢！

[1]王志国, 陈永兴. 西龙池抽水蓄能电站埋藏式月牙肋岔管考虑围岩分担内水压力设计的验证[J]. 水力发电学报, 2006, 25(6)： 62- 65．

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(责任编辑王 琪)

SensitivityAnalysisofSteelLiningStressintheLowerHorizontalPenstockSectionofPumped-storagePowerStation

CHAI Jianfeng1, MA Chuanbao2, YANG Lei2, LIANG Ning3
(1. Technology Center, State Grid Xinyuan Company Ltd., Beijing 100161, China; 2. Anhui Jixi Pumped Storage Power Station Co., Ltd., Xuancheng 245300, Anhui, China; 3. Institute of Geology and Geophysics, China Academy of Science, Beijing 100029, China)

Because of high internal water pressure, the lower horizontal section of water diversion system in pumped storage power station usually adopts steel lining. Based on the monitoring data of constructed pumped storage power stations, the FLAC3Dis used to carry out the sensitivity analysis of gap between steel pipe and concrete cushion, concrete cushion strength, steel lining thickness and rock resistant coefficient on the stress of steel lining. The results indicate that: (a) under high internal water pressure, the gap has most significant effect on the stress and deformation of penstock, and the concrete cushion and lining thickness take the second place; (b) the resistant coefficient of surrounding rock has not obvious effect on the stress of penstock; (c) the value of circumferential stress and deformation of steel lining will decrease with the increase of steel lining thickness, but the decreased extent is not remarkable, so the thickness of steel lining can be further optimized; and (d) the integrality and compactness of concrete cushion is one of the most important factors influencing the sharing ratio of internal pressure in bedrock. It is suggested that, for normal surrounding rocks without faults, a better construction technology should be found to improve concrete backfill quality and reduce the gaps, rather than the full use of high-pressure consolidation grouting．

pumped-storage power station; water diversion system; lower horizontal section of penstock; steel lining; sensitivity analysis; sharing ratio of internal pressure in bedrock; high-pressure consolidation grouting

2016- 05- 09

柴建峰(1977—),男,陕西周至人,高级工程师,注册土木工程师(岩土),博士,主要研究方向为水文地质与工程地质．

TV672.1;TV743

：A

：0559- 9342(2017)06- 0056- 06