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1、高度重视 高水头钢筋混凝土压力管道的风险 兼对隧洞设计规范的讨论,北京勘测设计研究院 邱彬如 2010-4-12,提纲,（一）钢筋混凝土高压管道事故情况简介 （二）高水头钢筋混凝土高压管道风险分析 （三）钢筋混凝土高压管道设计准则的讨论 （四） 需澄清的几个概念,(一)钢筋混凝土高压管道事故情况简介 1 GZ抽水蓄能电站,排水廊道上游边墙裂隙喷水,渗水量32L/s,广蓄二期岔、支管、厂房系统沿南北向勘探支洞剖面,2 THP抽水蓄能电站,初期充水 渗漏集中在PD15探洞 下平段6#施工支洞 斜段中部7#施工支洞的堵头,运行期 钢支管顶部A1廊道排水孔突发涌水 7#施工支洞下岔2#堵头顶部突发涌水
2、 6#施工支洞涌水,3 HZ抽水蓄能电站,最大渗漏量 230L/s (724万m3/a), PD01探洞 f304 断层出现涌水,4 BQ抽水蓄能电站,渗漏量 310 L/s(978万m3/a) 集中在上斜段上下古风化壳，及石英砂岩,1号高压管道首次充水时渗漏量与水位关系图,5 美国赫尔姆斯抽水蓄能电站压力隧洞典型剖面图,通过断层进入地下厂房的渗漏量稳定在 129L/s(407万m3/a),6 美国巴斯康蒂抽水蓄能电站,初期最大渗漏量486 L/s(1530万m3/a) 13.5 m长钢管屈曲破坏,巴斯康蒂抽水蓄能电站高压钢管排水廊道布置图,7 法国蒙特齐克抽水蓄能电站,运行一年后，断层张裂，
3、地下厂房交通洞等处出现大量渗漏,(二) 高水头钢筋混凝土高压管道风险分析 600m以上高水头钢筋混凝土压力管道风险增加,高压管道高压压水试验临界压力表,综合考虑工程投资与补修费用,巴斯康蒂 1985年用半年时间进行了大量高压固结灌浆，共钻孔1.7万个，总长11.1万m，灌入水泥2550 m3。第二年又化大量时间增加开挖约490 m的排水廊道，及1.83万 m的排水孔。 蒙特齐克 化学灌浆处理，停机达5个月。 THP 前后三次放空处理，造成全厂停机累计约2月余，经济损失巨大。 HZ 共停机2月10天。仅f304断层就灌注1816 t水泥。 BQ 初拟处理方案工期就长达12年，费用估计需几千万，甚
4、至上亿元。,灌浆的可靠性和耐久性,DL/T5195-2004规定 “上述规定不能满足时,应采取工程措施。” ？ SL279-2002 考虑到、类围岩洞段即使采用高代价的工程处理措施，也可能由于施工原因留有隐患，故规定“、类围岩中不得布置钢筋混凝土岔管”。 BQ上、下古风化壳这样的类围岩用灌浆处理费时费钱费力，效果还难以保证。,灌浆的可靠性和耐久性,巴斯康蒂 高压固结灌浆11.1万m， 1.83万 m排水孔，7年之后，渗漏量下降不足1/3。 GZ 5年后，外水内渗现象明显比第一次放空检查时严重，化学灌浆遭到了破坏。 THP 3 年运行， f810断层又被击穿， BQ 上、下古风化壳，8m深固结灌
5、浆，深2636m帷幕灌浆，仅帷幕灌浆就耗用水泥115t。但充水后渗漏量仍很大，水泥灌浆减少渗漏量的效果不明显。,(三)钢筋混凝土高压管道设计准则的讨论 1水工隧洞设计规范,DL/T 5195-2004,SL 279-2002,挪威准则的经验系数1.31.5 岔洞应设置在、类不透水或微透水的岩体中 (水力梯度小于允许值) 岔洞最小初始地应力应大于洞内的静水压力，并宜进行水力致裂试验,挪威准则的经验系数1.1 当围岩较完整无不利结构面，可按不小于0.4倍内水压力水头控制 岔管宜布置在、类围岩地段。类围岩地段需经论证后方可布置钢筋混凝土岔管。、类围岩地段不得布置钢筋混凝土岔管。 岔管必须满足最小覆盖
6、厚度、水力劈裂、渗透稳定的要求。施工中应进行地应力测验, 设计准则的讨论 (1)抗抬准则_挪威准则的工程检验,奥地利Fisher工程(47A)，位于沉积岩和粗玄岩中，最大静水头360m，覆盖比。,(RCRMcos)为岩柱重量在垂直于坡面方向的分力。 当坡度较大，例如=40左右， 3/ (RCRMcos)接近1.0，反映出初始地应力为自重应力场 坡度较陡时，垂直于坡面方向的应力往往即最小主应力。 地表坡度较缓时(RCRMcos)为垂直应力v，最小主应力为水平应力,自重应力场时： 3 =h=(/(1-) v =(0.250.33) v,挪威准则经验系数F=1.301.50较合适 3/(RCRMco
7、s)=0.60.8的工程较多，在满足挪威准则条件下，即(RCRMcos)/( w hs)=1时，必须有1.251.67的富裕度，才刚刚能满足3= w hs的最小主应力条件, 最小主应力准则,最小主应力准则源于水力劈裂准则 水力劈裂准则： n whs 因为裂隙产状是随机的,不可能获得高压水道全线、产状各不相同的全部节理裂隙的 n值，水力劈裂准则在实际中无法操作。 最小主应力准则： 3 F1whs,7)安全系数讨论,F11.2时，出现水力劈裂，引起严重渗漏的风险大大增加。从安全出发，F1=1.21.3较适宜 最小主应力准则中涉及的因素较多，不确定性较大。 F1取值也要考虑最小主应力如何确定。 高水
8、头钢筋混凝土压力管道进行岩体高压渗透试验，可直接测定钻孔中裂隙张开所需内水压力，较直观地判断是否满足水力劈裂准则,(3)围岩渗透准则 1)渗透性要求透水率q1.0Lu -渗漏量,影响到电站的效率 -影响有限 宝泉电站渗漏量高达310L/s，能源转化效率降低仅0.3%0.5% 山体滑坡：奥地利Fisher、加拿大Whatshan等工程 补水：北方干旱地区，补水往往成为控制性因素 呼和浩特抽水蓄能电站下库控制流域面积633km2，年均径流量2120万m3，扣除下游供水需要，年均可供电站补水量只有556万m3。采用钢筋混凝土压力管道，电站年蒸发渗漏损失高达830万m3，补水量难以满足要求。最终选定压
9、力钢管 大量渗水涌入厂房：挪威Daja工程,2)渗透稳定性-不确定性,在高压(例如600m以上)渗流水的长期作用下，如何才能满足“围岩裂隙、节理或岩脉中的充填物不被冲蚀，在渗流水作用下不产生溶出性侵蚀”的要求？ “水力梯度小于允许值”，此允许值为多少？ 为避免渗透破坏，都以围岩长期稳定渗透水力梯度作为控制标准，, 高压压水试验 根据试验孔和测试孔之间的岩体产生水力劈裂，导致渗透压力孔内流量和压力突然加大的现象来判断渗透破坏时的水力梯度,THP 1 # 孔2034.6m 段岩体的平均极限水力坡降为 26 4150m 段的极限水力坡降为 32 建议：水力梯度 1520 HMF 渗透破坏水力坡降达
10、109,总结工程渗透破坏实例,GZ 排水廊道壁岩体出现射水现象，临界水力梯度约为 13.3 HZ f304断层严重损漏，水力梯度小于 10.4 建议：水力梯度 810 THP 1#管初次充水PD15探洞内沿煌斑岩脉X512渗漏水呈喷射状,水力坡降约 5.2 巴斯康蒂 两洞间水头差仅43m，沿一组垂直管道轴线的张性节理渗漏，按主管计，水力坡降为1.4。按支管计，水力坡降 3.2,上述两种观点似乎有差异，其实并不矛盾 只是分别代表不同的岩体条件 初步建议：,水力梯度 1520 水力梯度 810 水力梯度 35 甚至更小,完整岩石 节理裂隙闭合的岩体 张性节理裂隙密集带和断层破碎带,(4) 围岩条件
11、,围岩渗漏准则是保证不发生渗透失稳，最小主应力准则就是保证不发生水力劈裂 上述条件仅是采用钢筋混凝土衬砌的必要条件， 非充分条件 内水压力远小于最小地应力(满足最小主应力准则)就开始渗漏 BQ 水位刚淹没下古风化壳渗漏量就开始增加 巴斯康蒂 水头差仅43m时，邻管就出现渗水,SL279-2002,高压钢筋混凝土岔管宜布置在： 、类围岩地段 类围岩地段需经论证后方可布置 、类围岩地段不得布置钢筋混凝土岔管 条文说明 、类围岩洞段 即使采用高代价的工程处理措施，也可能由于施工原因留有隐患，故不得布置钢筋混凝土岔管,(四) 需澄清的几个概念,钢筋混凝土岔管后紧接着钢支管， 需兼顾钢筋混凝土岔管防渗
12、和降低钢支管外水压力的需要 GZ 为了减少钢支管的外水压力，将钢支管上方的排水廊道高程由303m降低至240m (设计外水压力由362m降低至225m) ， 忽略了岔管至排水廊道的距离相应减小，因水力梯度过大，导致岩体水力劈裂,(1)防渗与降低外水压力需统筹兼顾,巴斯康蒂抽水蓄能电站,HZ抽水蓄能电站,开始只考虑钢筋混凝土岔管防渗，进行大量固结灌浆，而忘记了钢支管外水压力的增加 又补加排水廊道和排水孔，甚至打水平排水孔至岔管顶上，控制了外水压力，又增加了渗漏量，及渗透破坏的风险 必须统筹兼顾,f304断层的严重渗漏，就与勘探洞打穿f304断层有关 降低f304断层中地下水位，加大水力梯度，增加渗漏量 将勘探洞封堵，渗漏量减小，地下水位升高，使渗水改从其它部位渗出 渗流控制以“前堵后排”为宜在出口处封堵是不得己而为之，通常同时埋设引流管,谢谢 ！,