苏志祥¹     陈秀菊²     巴海涛³   周凤华⁴

                          1、3、4小浪底设计处    2、河南黄河工程局                         

[摘要]本文结合南阳回龙抽水蓄能电站工程的实际情况，对压力钢管段的灌浆体系设计进行了较为完整的阐述，明确提出了在钢衬段采用裸岩灌浆加固围岩的新技术、新方法。 

[关键词]南阳回龙抽水蓄能电站     压力钢管       灌浆设计

1.工程概况

     2001年6月正式开工的河南南阳回龙抽水蓄能电站工程，位于河南南阳地区南召县境内。电站装机容量120MW，距离负荷中心南阳市70km，距离鸭河口火电厂48km。207国道洛阳至南召段从电站区通过，焦枝铁路上的云阳火车站距离工地50km，对外交通十分便利。

该项工程是河南省境内的第一座抽水蓄能电站工程，碾压混凝土筑坝、预应力高压灌浆、钢衬段裸岩灌浆等多项新技术、新工艺在本工程中得到应用，必将为进一步推进水电工程建设的技术进步作出自己的贡献。

 2.压力钢管结构布置

    电站采用地下式厂房，设两台装机容量为60MW的可逆式水泵水轮机组，上游引水隧洞在卜型叉管之后的高压引水道上布置了两条压力钢管与水泵水轮机相连接，每条钢管的长度为165.18m。钢管直径为2.20m，在厂房前与球阀连接处渐变为1.30m。钢管主要由壁厚为18mm的16MnR钢和壁厚为34mm的15MnVR钢组成。压力钢管中心线高程为438.00m，管道内最大净水头为461m，最大HD值达1320m²。

根据厂房稳定要求，在尾水管和尾闸室之间的引水道上布置了一段长22.36m、直径为2.20m的钢管。该段钢管的厚度为18mm、22mm两种，钢种为16MnR。

 3.压力钢管灌浆设计

 3.1钢管壁厚设计简述

3.1.1内压情况

根据压力钢管的布置条件，并根据《水电站压力钢管设计规范》（试行）SD144—85，钢管壁厚设计按规范中“地下埋管”的有关规定进行设计。最大内压荷载取最大净水头加最大水击压力；缝隙值按规范中公式计算，并根据经验调整取值。

3.1.2外压情况

由于钢管不设加劲环等抗外压措施，故按规范中“光面管”的有关规定，分别按经验公式和阿姆斯图兹公式进行压力钢管的抗外压稳定分析。外压荷载按内压净水头折减后取值。由于抽水蓄能电站普遍具有水头高的特点，故钢管壁厚的取值往往由外压情况控制。

3.2压力钢管灌浆设计

3.2.1地质条件

电站区位于伏牛山东端，区域内分布的为一大型的岩浆岩侵入体，岩性为中生代燕山晚期花岗岩。受区域地质构造控制，电站区发育有近30条断层和20 多条节理密集带。引水线路洞室围岩可综合分为五类，其中，Ⅰ类围岩占43.21%，Ⅱ类围岩占26.66%，Ⅲ类围岩占11.1%，Ⅳ～Ⅴ类围岩占15.99%，明埋段占3.04%。压力钢管主要处在Ⅱ类围岩之中，围岩的单位弹性抗力系数取较小值为k₀=100～1000kg/cm³。

3.2.2灌浆设计

由于钢管不设加劲环等抗外压措施，故按规范中“光面管”的有关规定，分别按经验公式和阿姆斯图兹公式进行压力钢管的抗外压稳定分析。外压荷载按内压净水头折减后取值。由于抽水蓄能电站普遍具有内水压力高而外水压力较难确定的特点，故外压荷载常常按内压水头的某个折减系数折减而得，因而钢管壁厚的取值往往由外压情况控制。这种情况往往使钢衬的计算厚度偏大，当内压作用时，钢衬的抗拉性能不能达到充分的利用，其应力仅能发挥30%左右。虽然如此，若按明管来设计，钢衬厚度将超过42mm，给压力钢管的制造和安装等带来困难。因此，必须按地下埋管的联合受力原则来设计钢衬。按照分析结果，钢衬将所承受内压的约70%传给了围岩，因而必须对围岩进行灌浆，以保证围岩的整体稳定性和强度。

由于接触灌浆的效果往往比较差，借鉴小浪底工程压力钢管的设计和施工经验，并考虑到本工程压力钢管管外采用微膨胀混凝土进行回填的施工技术要求，取消了对钢衬整体性破坏大、施工困难且灌浆质量难以得到保证的接触灌浆工序。

 3.2.2.1回填灌浆设计

钢衬段回填灌浆采用钢管外预埋纵向灌浆管路系统的方法进行（该项技术已经在我国十三陵抽水蓄能电站等工程压力钢管的回填灌浆工艺中采用）。由于洞径较小，初步认为每15m作为一个灌浆区段较为合适。回填灌浆的压力可采用0.2～0.3MPa。为了避免或尽量减少在钢衬上开孔，也为了预防产生人为的渗漏通道，钢衬段回填灌浆的质量检查要求首先采用超声波方法，只有对于情况异常的部位、且认为确有必要时才采用钻孔法检查。钢衬段回填灌浆系统布置见图1。

 3.2.2.2固结灌浆设计

同样道理，为了避免或尽量减少在钢衬上开孔，预防产生人为的渗漏通道，要求钢衬段的固结灌浆必须在钢衬安装前完成，即要求进行裸岩灌浆（该项技术已经在我国天荒平抽水蓄能电站等工程压力钢管的固结灌浆工艺中采用）。固结灌浆孔排距3.0m，每排6个孔（沿洞周均匀分布），孔深为深入岩石3.0m。固结灌浆的灌浆压力可采用0.5MPa。钢衬段固结灌浆布置见图2。

3.2.2.3环形帷幕灌浆设计

环形帷幕灌浆是压力钢管段防渗设计的关键，它包括引水洞压力钢管起点之前、之后两部分。在钢衬起始段（长3.5m）范围内，布置有两种环形帷幕灌浆：即深层环形帷幕灌浆和浅层环形帷幕灌浆。深层环形帷幕灌浆共两排，每排十个孔（沿洞周均匀分布），孔深为深入岩石8.0m，要求在钢管运入洞内之前完成；浅层环形帷幕灌浆共一排，每排八个孔（沿洞周均匀分布），孔深为深入岩石5.0m，要求在钢管外混凝土达到一定强度之后才能开始灌浆（该排浅层环形帷幕灌浆须在钢衬上预留灌浆孔）。深层环形帷幕灌浆和浅层环形帷幕灌浆间隔布置，排距为1.50m。

 4.结束语

本文结合南阳回龙抽水蓄能电站工程的实际情况，分析了压力钢管区域的地质条件和整个引水系统的防渗要求，对压力钢管段的灌浆体系设计进行了较为完整的阐述，明确提出了在钢衬段采用裸岩灌浆加固围岩的新技术、新方法，为地下埋管的设计积累了有益的经验，对地下埋管的设计具有一定的借鉴意义。