固結(jié)灌漿對抽水蓄能電站圍巖分擔(dān)率的影響

柴建峰 馬傳寶 楊雷 梁寧

摘要：結(jié)合已建抽蓄電站引水壓力管道變形監(jiān)測資料，通過計算，探討圍巖抗力系數(shù)對圍巖分擔(dān)率的影響。研究結(jié)果表明：①不同內(nèi)水壓力作用下，圍巖抗力系數(shù)的變化對鋼襯變形和應(yīng)力影響均不顯著，敏感性低，這一現(xiàn)象不僅與鋼襯的變形量過小、影響和波及范圍有限有關(guān)，還與圍巖彈性模量較大有關(guān)；②隨著圍巖抗力系數(shù)的增大，鋼襯的環(huán)向應(yīng)力和徑向位移變化甚微，圍巖分擔(dān)率也無明顯變化；③對于不存在明顯地質(zhì)缺陷的lu，1V類圍巖，試圖通過固結(jié)灌漿提高圍巖分擔(dān)率可能不會得到明顯效果，必要性很小。

關(guān)鍵詞：地下埋管；圍巖分擔(dān)率；高壓固結(jié)灌漿；抽水蓄能電站

中圖分類號：P338 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.020

目前在全球能源互聯(lián)網(wǎng)和特高壓等規(guī)劃下，抽水蓄能電站在中國發(fā)展迅猛，其引水系統(tǒng)多有以下特點：①下平段鋼襯承受的最大內(nèi)水壓力可接近10MPa；②埋深多在500m量級，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；③下平段直徑較大，為4～5m。

抽水蓄能電站引水系統(tǒng)下平段因承受的內(nèi)水壓力過大，故多采用鋼襯。提高圍巖分擔(dān)率、優(yōu)化引水系統(tǒng)鋼襯的厚度和減少圍巖的固結(jié)灌漿，一直是工程和科研的熱點之一。結(jié)合文獻分析可知，近期相關(guān)研究多集中在岔管段，對下平段關(guān)注較少。鋼襯與巖壁的間距在滿足鋼襯安裝和混凝土澆筑要求的前提下盡量減少，一般為50～70cm。工程中發(fā)現(xiàn)，在重力作用下，引輸水系統(tǒng)豎井的回填混凝土質(zhì)量易于保證，斜井次之，而平洞段相對最難保證。斜井和平洞段鋼襯兩側(cè)回填混凝土的質(zhì)量較易保證，但頂拱、底拱處平倉振搗困難，稀漿集中，易形成孔洞和縫隙，尤其是頂拱部位，更易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。我國幾個水電站的地下埋管因內(nèi)壓和外壓過大而造成破壞，破壞部位多位于平洞段。基于上述考慮，本次選平洞段為主要研究對象。

目前在抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的設(shè)計中，多建議實施高壓固結(jié)灌漿，進而試圖提高圍巖分擔(dān)率。由現(xiàn)有一些抽蓄電站實測資料發(fā)現(xiàn)，圍巖和混凝土墊層中由內(nèi)水壓力引起的變形甚微，可見不加區(qū)別地進行固結(jié)灌漿的必要性值得進一步研究。調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，關(guān)于圍巖固結(jié)灌漿對內(nèi)水壓力分擔(dān)率的影響的系統(tǒng)研究較少?；谏鲜隹紤]，筆者采用FLAC3D軟件通過改變圍巖力學(xué)參數(shù)，研究在不同內(nèi)水壓力和圍巖強度組合即18個組合工況下，鋼襯和圍巖的應(yīng)變特征，進行圍巖抗力系數(shù)的敏感性分析，然后結(jié)合實測資料，探討取消固結(jié)灌漿的可能性。

1 計算模型簡介

1.1 模型幾何特征

本次計算采用FLAC3D軟件，該軟件在巖土體的彈塑性分析及模擬施工過程等領(lǐng)域有獨到的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土力學(xué)以及構(gòu)造地質(zhì)等領(lǐng)域。模型參考了在建的安徽績溪抽水蓄能電站資料，其引水系統(tǒng)壓力管道下平段參數(shù)為：①埋深約430m，凈內(nèi)徑4.4m，馬蹄形開挖斷面；②鋼襯為抗拉強度約800MPa的鋼板，鋼板厚度δ在36～46mm之間，本文取δ=40mm；③地應(yīng)力實測值約17MPa；④鋼襯與圍巖之間有70cm厚的C20混凝土墊層。工程區(qū)圍巖為致密完整的斑狀花崗巖。

因地表起伏對計算結(jié)果影響甚微，故在下平段取30m×20m×30m的長方體為研究對象，對應(yīng)Y軸方向即鋼襯軸線方向長20m。因鋼襯與混凝土、混凝土與圍巖之間不發(fā)生顯著滑移，故均未設(shè)置interface接觸單元。單元采用了精度較高的8節(jié)點六面體單元，共劃分3萬個單元，圖1為局部細節(jié)圖。地應(yīng)力按實測值17MPa進行擬合。

1.2 計算參數(shù)及屈服準則

圍巖采用Mohr-Coulomb準則，鋼襯和混凝土墊層均視為彈性物質(zhì)，同時設(shè)定鋼襯外側(cè)混凝土回填之前圍巖變形已結(jié)束。內(nèi)水壓力通過Apply命令，以應(yīng)力加載的方式均勻加載在鋼管的內(nèi)表面，方向為徑向。圍巖、鋼襯和混凝土墊層的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2（K0、E、μ、c、φ、T、γ依次為圍巖彈性抗力系數(shù)、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度、重度），抗拉強度T取設(shè)計資料中抗壓強度的十分之一。圍巖重度均為27kN/m3。

1.3 圍巖分擔(dān)率的計算水壓力；D為鋼管內(nèi)徑；b為壁厚）；σθ為地下埋管時鋼管的最大應(yīng)力。

2 圍巖強度對鋼襯變形和應(yīng)力的影響

2.1 計算結(jié)果分析

圍巖彈性抗力系數(shù)K0取1、6、9 N/mm3，依次對應(yīng)Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ類圍巖；混凝土墊層和鋼襯參數(shù)以表2為準；內(nèi)水壓力取0.88、1.37、3.00、5.00、7.17、9.93MPa。

分析圖2、表3不難發(fā)現(xiàn)：①K0對鋼襯徑向位移影響不顯著；②K0對σθ和λ的影響也不明顯。

經(jīng)分析，這一現(xiàn)象主要與鋼襯抗變形指標極大有關(guān)，其抗拉強度達760MPa、彈性模量達206.0GPa，在相對較小內(nèi)水壓力作用下，埋管狀態(tài)下徑向變形僅為毫米級別，根據(jù)變形協(xié)調(diào)，鋼襯首先變形，然后壓力才能傳遞到混凝土墊層，最后才由混凝土墊層傳遞到圍巖。首先，鋼襯變形太小，以至于其影響和波及范圍有限；其次，這與設(shè)計推薦的圍巖參數(shù)較大也有關(guān)系，圍巖對內(nèi)水壓力引起的應(yīng)力和變形響應(yīng)不明顯；最后，混凝土墊層的施工質(zhì)量（是否脫空）、密實度等也是影響各組分間受力和變形狀態(tài)的因素。圍巖分擔(dān)率不僅與混凝土墊層和圍巖的完整致密有關(guān)，而且與鋼襯的厚薄關(guān)系緊密，鋼襯越薄，在內(nèi)水壓力作用下，變形越大，根據(jù)位移協(xié)調(diào)原則，越有利于圍巖分擔(dān)率的提高。

需要說明：①本文為了著重探討圍巖對內(nèi)水壓力的分擔(dān)作用，適當(dāng)優(yōu)化和簡化了三維模型，未考慮鋼襯和墊層之間及墊層中可能存在的縫隙和孔洞，是在理想狀態(tài)下探討圍巖的承載性狀；②將C20混凝土墊層視為各向同性彈性體，與實際情況有一定差別，混凝土在鋼襯變形影響下，可能出現(xiàn)微小拉裂隙，此時墊層為非完全彈性體。但前期試算結(jié)果表明，當(dāng)混凝土墊層屈服準則采用Mohr-Coulomb時，鋼襯的位移和應(yīng)力值與類似工程實測值相比顯著偏大，雖然存有上述問題，但就規(guī)律性而言，上述處理是可行的。

鋼襯、混凝土墊層和圍巖的彈性模量對比見圖3，鋼襯首先得有足夠的變形才能使圍巖具有一定的內(nèi)水壓力分擔(dān)率，而實際情況是鋼襯變形過小。

理論和工程實踐均發(fā)現(xiàn)[8-10]，對相對完整致密的圍巖進行高壓固結(jié)灌漿，由于圍巖本身透水率差，可灌性低，因此試圖以高壓固結(jié)灌漿來提高巖體彈性模量是不會有明顯效果的。目前不少項目擬通過灌漿提高圍巖強度來試圖提高圍巖分擔(dān)率，從本次研究結(jié)論來看，這一做法的必要性和有效性均值得進一步商榷。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測資料分析

河北張河灣抽水蓄能電站、福建仙游抽水蓄能電站引水壓力鋼管段監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。分析可見，內(nèi)水壓力作用下，壓力鋼管及圍巖的變形均很小，甚至出現(xiàn)負值（即位移方向和內(nèi)水壓力方向相反）。本次數(shù)值模擬分析結(jié)論和類似實際工程監(jiān)測結(jié)果吻合較好，均表明圍巖中實際可發(fā)生的位移甚微，圍巖強度對鋼襯的變形和應(yīng)力影響不明顯。

3 結(jié)論

不同設(shè)計內(nèi)水壓力作用下，圍巖彈性抗力系數(shù)K0對鋼襯的變形和應(yīng)力影響均不明顯，對λ也無明顯影響。這一現(xiàn)象主要與鋼襯自身變形較小有關(guān)，其影響和波及范圍有限，加之在鋼襯和圍巖之間還有70cm厚的混凝土墊層。

不加區(qū)別地認為Ⅲ、Ⅳ類圍巖均需要高壓固結(jié)灌漿，并認為通過灌漿可提高圍巖分擔(dān)率的做法，其必要性和有效性均值得進一步商榷。除了有必要對圍巖中顯著地質(zhì)缺陷如卸荷松動帶、節(jié)理裂隙密集帶和蝕變帶等進行固結(jié)灌漿外，其他洞段進行固結(jié)灌漿的必要性不大。固結(jié)灌漿的目的和出發(fā)點主要是降低圍巖滲透性，減小外水壓力作用，而非提高圍巖分擔(dān)率。

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