李泽民  肖 豫   毛文然   王勇   张国

[摘要] 回龙电站水量缺乏，水头比较高，为满足渗流要求，同时经济合理，安全可靠。经过初步方案比选，引水高压洞采用灌浆式预应力混凝土衬砌，并就结构设计方法、成果分析进行了论述，初步确定了这种结构的可行性和技术指标，其预应力灌浆衬砌的技术指标较高，最大灌浆压力达5MPa，国内水电工程中尚未采用。

[关键词] 高压洞  灌浆式预应力混凝土衬砌  灌浆压力   内水压力   残余应力

1 概述

    南阳回龙抽水蓄能电站位于河南南阳市南召县城东北约16km的岳庄村附近，为解决电力调峰问题而专设的调峰电站。电站本身径流少，可供调蓄的水量不多。根据计算上、下库及引水发电系统总的允许渗流量为37.83万m³，折合日平均允许渗流量为1368m³/d。若不采取任何防渗措施，仅引水发电系统高压洞段总渗流量达8200m/d左右，若考虑混凝土衬砌，按限裂设计时，渗流量可降到1000m/d，但仍然很大。根据整个电站水量控制计算，要求引水发电系统的最大允许渗流量应控制在200m/d以下；同时该电站为地方投资，因此,要寻求投资节省、结构稳定、安全可靠、施工简单、防渗性强的隧洞衬砌形式。

    南阳回龙电站高压隧洞全长963.28m，其中上平段49.8m，上弯段27.49m，竖井387.87m，下弯段26.61m，下斜段206.33m，下平段265.18m,岔管前洞长762.7m。靠近厂房前165m为钢板衬砌，其余为钢筋混凝土衬砌（包括岔管）。高压洞在岔管前洞径为3.5m，岔管后为2.2m，衬砌厚度竖井段和岔管后为0.4m，竖井至岔管段为0.5m。

    根据圆形隧洞受力特点，在内水压力作用下衬砌为受拉结构，其切向应力始终是拉应力。一般当水头大于120m时，拉应力即已超过混凝土衬砌的极限抗拉强度，混凝土将产生裂缝，对防渗要求高的特别是高水头的抽水蓄能电站若仍采用普通混凝土衬砌不仅投资高，很难满足防渗要求。为节省钢材，降低造价，满足防渗要求，我们在进行了钢衬、普通混凝土衬砌（限裂）、预应力衬砌（抗裂）等三种形式的比较后，确定对南阳回龙电站高压洞大部分采用预应力混凝土衬砌，局部靠近厂房附近采用钢板衬砌。

2  预应力衬砌形式选择

    在预应力衬砌形式中，根据施加预应力的形式不同，预应力混凝土衬砌可分为机械式和高压灌浆式两类，机械式是在混凝土衬砌中预设锚索，在国外和国内的小浪底、清江隔河岩、天生桥一级水电站等工程中已运用多次。但造价高，施工技术比较复杂。

灌浆式预应力混凝土衬砌型式于60年代始于奥地利，后各国纷纷采用，如澳大利亚、南非、前苏联、德国、法国等。各工程内水压力从100m～700m水头不等，围岩Ⅰ～Ⅳ类，灌浆压力2～10MPa。灌浆式预应力衬砌形成主要通过高压灌浆给衬砌施加预应力。目前国内外有三种形成方法：一种是内圈环形灌浆式衬砌，即在内层（围岩侧）镶（或浇）一层混凝土，在二层混凝土之间作预应力灌浆，两层混凝土之间的环形缝一般是在外环上（临水侧）预制或由施工模板上的凸棱在靠衬砌侧的混凝土浇筑时形成；第二种是环形管灌浆式（即缝隙灌浆式）预应力衬砌，在混凝土衬砌和围岩的缝隙之间进行，即在衬砌浇筑前贴着岩面预埋环形（或直通式）灌浆管，管上有射浆孔，在高压灌浆（或灌水）时，压力迫使混凝土衬砌与围岩之间的接触缝自行张开，然后充填浆液，同时浆液也挤入围岩裂隙中，这种情况常常需在围岩表面喷涂或刷一层隔离剂等，以便开环。三是钻孔高压式灌浆衬砌，是通过对隧洞径向向围岩进行深孔钻孔，然后高压灌浆，不仅围岩被压缩和固结，衬砌也可获得预压应力，但这种方法往往没有前两种获得预应力大。

我国从1976年开始进行中、低水头压力隧洞灌浆式预应力混凝土衬砌结构试验研究工作，国内已建工程中采用此种衬砌型式的有白山、天生桥电站等。这两处电站的水头都比较低，静水头一般不大于100m，设计采用缝隙灌浆式预应力衬砌。由于这种灌浆式预应力衬砌结构可以不配置钢筋，或配置少量的构造钢筋，不仅可以满足抗裂及防渗要求，还可以节省大量钢材。据国外实践经验，这种衬砌结构的衬砌厚度可为洞径的1/16～1/12，与钢板衬砌相比可节省投资70%，与一般钢筋混凝土衬砌相比可节省投资50～70%，与限裂设计的钢筋混凝土衬砌相比可节省投资20%。特别是缝隙灌浆式预应力衬砌这种结构，在衬砌和围岩的缝隙中进行高压固结灌浆的同时，不仅使衬砌获得预压应力，在施灌过程的同时也可以加固衬砌周围的围岩，不仅提高了围岩的稳定及衬砌的工作性能，也提高了围岩和衬砌的抗渗能力。因此，为节省投资，提高防渗要求，经分析研究，本电站最后选用缝隙灌浆式预应力衬砌。由于本电站最大静水头高达461m，动水头达560m。采用这种灌浆式预应力混凝土衬砌，这在国内罕见的。结合本工程进行灌浆式预应力混凝土衬砌的设计和研究，可对我国今后的高水头压力隧洞建设提供经验。

3  灌浆式预应力混凝土衬砌计算分析

3.1覆盖层厚度验算

采用灌浆式预应力混凝土衬砌时，由于作用在衬砌与围岩之间的灌浆压力都比较大，一般为内水压力的1～2倍。为避免在施加预应力高压灌浆时使岩体发生水力劈裂，要求围岩具有足够的厚度和强度，这一要求通常采用挪威经验准则和地应力最小准则。即岩体初始应力场的最小主压应力大于预应力灌浆压力。

（1）挪威准则

                             （1）

根据以上可计算出，所需最小覆盖厚度 为247 m。根据地形布置，高压段实际最小覆盖厚度 为250m，在钢衬起点（0＋391.00）处，均满足要求。

预应力灌浆压力孔口设计最大为5.0Mpa，考虑施灌过程中，有浆液损失，一般这种损失在0.2左右，实际作用在衬砌与围岩缝隙中预应力灌浆压力最大4Mpa，相当于400m水头，小于461m的静水压力，满足要求，也不会发生水力劈裂。

（2）最小地应力验算

根据对引水系统的原位地应力测试和试验结果，高压洞段的最小地应力达到6Mpa，与内水压力之比达到1.3，满足最小地应力要求。

从以上可知，可以考虑采用灌浆式预应力混凝土衬砌这种结构形式。

3.2计算方法及工况

在预应力灌浆作用下，衬砌混凝土应始终处于受压状态，即内水压力产生的内缘切向拉应力等于灌浆压力使衬砌内缘产生的切向压应力，根据《水工混凝土结构设计规范》,严格要求不出现裂缝控制,采用公式（1）

                  （2）

若按一般不要求出现裂缝的构件（如岔管局部尖角部位）：

             （3）

    计算工况分运行期、施工期、检修期三种情况。

3.3运行期孔口灌浆压力计算方法

按照在内水压力作用下衬砌始终处于受压状态计算，可从（2）或（3）式解出运行期平衡内水压力所需的预应力灌浆残余应力 ，其中 按厚壁圆筒理论计算为：

                            （4）

                             （5）

                    （6）

则严格不出现裂缝情况时： （kg/cm²）     （7）

实际孔口灌浆压力 在考虑浆液压力损失系数 和混凝土徐变、结石收缩、围岩流变等因素的综合降低系数 后按下式计算：

                                         （8）

这里计算灌浆压力的关键参数 ——为孔口压力与衬砌所承受的实际灌浆压力 之差的百分比系数。 值可取0.7～0.8。 ——综合降低系数， =β₁β₂β₃，β₁为混凝土徐变引起预应力降低的松弛系数，β₂为浆液结石收缩的影响系数，β₃为围岩流变对预应力的影响系数。根据国内外试验资料， 一般可取0.4～0.7。  

为分析比较对 综合取0.3、0.4；洞径为3.5m（岔管前）、2.2m，衬砌厚度0.4m、0.5m；混凝土强度等级分别取C30、C35、C40等几种情况进行计算。计算结果见表1～表3。

     表1       运行期衬砌厚1000px灌浆压力（预应力残余应力系数0.3）计算成果

  表2           1000px灌浆压力（预应力残余应力系数0.40）计算成果

    表3     运行期衬砌厚1250px灌浆压力（预应力残余应力系数0.30）计算成果

表注：表中数值为严格要求不出现裂缝的计算成果，括号内数值为按一般不要出现裂缝的计算结果。

3.4施灌工况满足衬砌强度时允许的最大孔口灌浆压力计算

    根据《水工结构规范》，施工期不允许出现裂缝的构件或预压时全截面受压的构件，在预压应力、自重标准及施工荷载标准值作用下，截面边缘的混凝土法向应力（灌浆时衬砌内缘产生的切向压应力）应符合下列规定：

                           （9）

其值为 ，代入（9）式可推出施灌期所需孔口最大灌浆压力为：

                  （10）

若保守一点，不考虑浆液损失取 为1，则有 。根据（10）式计算的孔口灌浆压力 若小于运行期的 ，则需要调整参数，一般围岩的参数调整幅度不大，主要调整衬砌混凝土的强度、厚度以及灌浆预应力的残余系数等。重复上述步骤，最后确定合理的灌浆压力。施工期的最大孔口灌浆压力计算成果见下表4。  

表4             施工期允许最大孔口灌浆压力

对检修期的计算和施工期差不多，由于外水荷载和残余应力组合情况下的荷载小于施灌工况下的荷载，不控制不再计算。

3.5成果分析

     （1）从上表1看出，①残余应力系数0.3，衬砌厚度1000px，不考虑浆液压力损失和严格不出现裂缝控制时，混凝土强度等级为C40仍不能满足施灌工况下的抗压强度要求；②若考虑施工期的浆液损失C35的混凝土能满足要求；若按一般不出现裂缝控制，C30的混凝土也能满足要求。

（2）从表1、2可以看出，提高灌浆压力的残余应力，对降低运行期平衡内水压力的灌浆压力有明显作用。

（3）从表3可以看出，衬砌厚度增加，相应平衡运行期的灌浆压力也相应增加，反倒不利，若不考虑浆液压力损失和严格按不出现裂缝控制，C40的混凝土也不能满足要求。究其原因是因为混凝土强度等级越高，围岩承担的内水压力减小，混凝土衬砌承担内水压力增大造成。因此衬砌厚度增大后，除引起工程量增加外，相对应的灌浆压力普遍增大约0.5Mpa，相同条件下，需要的混凝土强度等级不但没有降低，反而增高，因此增加衬砌厚度意义不大。但是衬砌厚度过小时可能带来施工不便，因此对衬砌厚度的选择需综合考虑。

（4）为了更清楚的了解、模拟和验证预应力灌浆衬砌的施工、运行效果，反映衬砌和围岩的应力状态，以及在高水压力的作用下，围岩是否产生劈裂情况等，我们同时采用新引进的大型有限元分析软件ANSYS对高压洞段进行模拟计算。根据有限元计算结果，在地应力作用下，地应力场分布均匀合理，地应力的数值均大于内水压力作用在围岩上所产生的拉应力，围岩有足够的能力抵抗运行时可能产生的水力劈裂。其次用两种计算的灌浆压力作用下的内缘产生的压应力，结果非常接近。从平面有限元计算结果来看，基本上和结构力学方法接近。

4  结语

4.1 从以上计算分析，预应力灌浆残余应力综合系数越大越好，混凝土强度等级越高越好，衬砌厚度不宜太厚，预应力灌浆残余应力选的过大，施工期不易实现。一旦出现实际残余应力达不到，平衡不了内水压力，易造成混凝土出现裂缝，而达不到抗裂要求。预应力灌浆残余应力选的过小易造成所需孔口灌浆压力过大，引起投资增加。混凝土强度等级过大，施工期温控等不易控制，过小施工期的混凝土抗压强度不易满足。同时考虑到控制灌浆压力时要略有富裕，以平衡未知的因素。最后综合比较初步确定高压洞混凝衬砌标号为C40，残余应力综合系数0.4。由此计算的竖井段衬砌需要的孔口灌浆压力为4.0Mpa，竖井至岔管段及岔管以后（洞径2.2m）所需要的孔口灌浆压力为5.0Mpa。

4.2 预应力灌浆残余系数是根据目前国内外已建工程类比经验确定，这些参数是否合理，还需要通过现场试验进行调整。同时回龙电站地处花岗岩地段，在衬砌和围岩的缝隙之间进行预应力高压灌浆，其可灌性如何，是否会产生水力劈裂，开灌前衬砌和围岩是否开环等等。设计考虑在进行隧洞高压灌浆施工前，在现场选取一段和高压洞地质条件相近、靠近高压洞附近的施工支洞，先进行预应力高压灌浆试验，通过试验调整预应力灌浆设计的参数，施工工艺等。

4.3 为保证灌浆式预应力混凝土衬砌能够满足工程运用要求，在对衬砌进行预应力灌浆的同时，对围岩进行深层高压固结灌浆，一是增强围岩的抗渗性、完整性、恢复局部地区的地应力。其次通过对围岩深层高压固结灌浆，在围岩被压缩和固结的同时，给衬砌周围也能提供一部分预应力，可以给施工期的预应力灌浆不足地带作进一步补充。

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