地下埋管外排水系统设计

张建辉，顾一新，刘洋，张煜

1 地下埋管外排水系统

压力钢管结构设计，一般壁厚是由内水压力确定的，而钢管本身承担外水压力的能力又远远小于承担内水压力的能力，因此，为保证压力钢管在内水压力条件下确定的壁厚满足承担外水压力的要求，需要在钢管外壁设置一定间距的加劲环，以提高压力钢管的抗外压稳定能力。当地下埋管外水压力较高时，为节省工程投资，保障运行安全，需要采取工程措施以降低压力钢管的外水压力。因此，对于外水压力较高的地下埋管，其外排水系统设计的合理与否，对压力钢管的投资和运行安全影响很大。

地下埋管的外排水系统主要包括间接排水系统和直接排水系统。间接排水系统即为压力钢管外围排水廊道及围岩排水孔系统，直接排水系统为钢管管壁及岩壁排水系统。

外排水系统设计原则：排水廊道应尽量考虑与地质探硐或施工支洞相结合，并宜与厂房排水廊道（或其他排水廊道）相连接，廊道内排水方式一般采用自流排水；钢管管壁及岩壁排水应力求施工工艺简单，安全可靠，排水效果好。

2 排水廊道及围岩排水孔系统

排水廊道系统可根据工程建筑物实际布置情况在压力钢管附近布置排水廊道及围岩排水孔。

平洞压力钢管的排水廊道可布置在压力钢管上方，也可与压力钢管近乎同一平面上布置。

布置在压力钢管上方的排水廊道，在工程上较为常见。纵向廊道在平面上一般与压力钢管平行布置，具体的布置条数和范围，应以排水廊道及系统排水孔所辐射的区域涵盖压力钢管为宜。其端部应布置在压力钢管的首管节附近，并设置横向连接廊道，根据工程需要，可在横向连接廊道内设置向下阻水帷幕与压力钢管首部的环向帷幕连接。排水廊道端部与钢管首管节间的岩体厚度，应保证首管节前混凝土衬砌洞段与排水廊道间岩体的强度稳定和渗透稳定。排水廊道内设置系统排水孔，一般只设置向上的排水孔。为增加辐射范围，除端部排水孔采用较大角度外，其余倾角一般选择30°～60°。排水廊道的另一端可与厂房的排水廊道或其他排水廊道连接，坡度应倾向厂房（其他排水廊道）侧，以保证自流排水。

与压力钢管近乎同一平面布置的排水廊道，通常布置在压力钢管的一侧，为节省工程投资，一般与通向厂房的施工支洞相结合。因此，与排水廊道相结合的施工支洞布置，在平面上及剖面上应与压力钢管近乎平行。排水廊道与压力钢管的距离，应保证压力钢管前端的混凝土衬砌段与排水廊道间岩体的强度稳定和渗透稳定。为保证排水效果，自排水廊道向压力钢管顶部和底部方向设置辐射状排水孔，并沿排水廊道在压力钢管全长范围内按一定间距设置。为保证排水孔内的水全部自流进入排水廊道，排水廊道的高程应略低于压力钢管底板高程。排水廊道的水可通过厂房或集水井等排出。与压力钢管布置近乎同一平面的排水廊道布置方式见图1。

斜（竖）井压力钢管的排水廊道，其下层排水廊道可以与下平段压力钢管的排水廊道相结合，沿整个斜（竖）井压力钢管的外排水系统布置，可根据斜竖井的长度、中平洞的设置情况以及施工支洞布置情况来确定排水廊道的布置情况，若没有条件布置中层或上层排水廊道时，可考虑采用设置斜（竖）井围岩排水孔系统，沿斜（竖）井全长设置一定间排距入岩一定深度的排水孔，通过环向集水钢管与纵向集水钢管，形成排水管路。采用斜（竖）井围岩排水孔系统的前提是压力钢管不能开孔固结灌浆，否则，排水孔容易失效。如锦屏二级水电站压力钢管竖井段采用围岩排水孔系统来降低该段压力钢管外水压力。

3 钢管管壁及岩壁排水系统

3.1 压力钢管管壁排水系统常用的工程措施

压力钢管管壁排水一般有以下两种方法。

方法1：天荒坪、宜兴等抽水蓄能电站在钢管外设置环向集水管和纵向集水管，以纵向集水管为主，一般只在压力钢管起始管节设置环向集水管，并在压力钢管管壁上预留排水孔（预留排水孔做法同管壁上预留灌浆孔），要求预留排水孔位置与管壁集水管对正，待灌浆结束后通过预留排水孔打穿纵向集水管，再封焊管壁上的预留排水孔，布置见图2。

方法2：很多电站采用此种排水措施，如广蓄、泰安等抽水蓄能电站工程，在钢管外设置环向集水管和纵向集水管，每隔一定距离设置环向集水管，环向集水管与纵向集水管连通，环向集水管贴于钢管外壁，集水管与钢管外壁采用固体多脂肥皂密封，待水浸泡后可形成渗水通道，布置见图3。

方法1，排水可靠，效果良好，而且可以对压力钢管进行灌浆，但其缺点是需在钢管上开很多孔，开孔补强质量不易保证，容易引起内水外渗。方法2，钢管不需要开孔，故不存在内水外渗问题。若钢管不进行灌浆，排水效果可靠，若钢管需要灌浆，排水效果不能保证。

3.2 岩壁排水系统常用的工程措施

岩壁排水一般做法是沿钢管纵向靠岩壁设置无砂混凝土管或外包砂袋的孔管及普通的软式透水管等；另外可以在压力钢管洞段内设置岩壁排水管，排水钻孔按一定排距设在两侧岩壁中部，一般孔深为1～2m，由插入钻孔的硬质塑料管与设在洞底两侧的排水主管相连。以上岩壁排水方法，排水可靠，效果良好，十三陵、回龙等抽水蓄能电站均采用此方法，但缺点是钢管不能进行灌浆，否则排水容易失效。

3.3 特殊的软式透水管在压力钢管管壁和岩壁排水系统中的应用

通过以上对钢管管壁及岩壁排水措施的分析，当压力钢管外部需要灌浆时，以上岩壁排水的措施不适用；方法1，由于开孔较多，施工工艺复杂，且预留排水孔封焊补强质量很难保证，对于600MPa、800MPa乃至1000MPa级钢衬段的钢板，一般不允许开孔，而方法2，灌浆后的排水效果不容易保证。因此对于钢管管壁及岩壁排水需要考虑一种施工工艺简单，排水效果好且能够灌浆的行之有效的工程措施。

对于压力钢管的灌浆（包括回填、固结及接触灌浆），采用的是普通硅酸盐水泥灌浆。普通硅酸盐水泥的平均粒径约为0.02mm，最大粒径为0.044～0.1mm，比表面积为3000～4000cm²/g。当孔管的孔径与水泥颗粒粒径差不多时，普通水泥颗粒不是堵塞孔口，就是堆积在孔口周围构成桥链，阻碍其他颗粒进入。因此普通水泥浆液灌浆时，很难灌入孔径为0.02mm左右的孔管内。基于以上理论，通过对一系列透水材料的研究，设计最终选用一种等效孔径为0.02～0.025mm的特殊软式透水管（普通软式透水管等效孔径为0.06～0.2mm）做为压力钢管外排水系统的材料。这不仅有效的解决了压力钢管灌浆时，水泥浆液进入排水管内并导致排水系统失效的问题，而且还具备施工工艺简单，工程造价低的优点，缺点是材料需要从厂家特殊定购。

基于以上的分析，在蒲石河抽水蓄能电站工程的压力钢管外排水系统设计时，大胆采用特殊软式透水管作为集水管、排水管材料，其钢管管壁及岩壁排水系统，由环向集水管和纵向排水管组成。环向集水管排距2.8m，纵向集水管沿横断面均匀布置6根，于厂房上游墙出露，并引至厂房集水井。集水管、排水管均采用等效孔径为0.02～0.025mm的特殊软式透水管。经输水系统充排水试验和近三年运行的验证，其排水效果是理想的。引水压力钢管管壁及岩壁排水布置见图4。

4 结语

压力钢管的外排水系统是根据工程的具体实际情况来进行布置的，若外水压力不高，钢管本身完全能够承担外水压力，可不设置外排水系统。但在抗外压稳定计算时应注意，不只要考虑到建设期该区域地下水位的高低，还需要考虑到工程投产后地下水位的相对关系。

对于地下水位较高，需要设置压力钢管外排水系统的工程，其排水措施和可靠性随不同的地形地质条件差异很大，因此，在外排水系统设计时，应充分考虑到工程自身的地形地质条件，结合其他建筑物的布置，并考虑到永临结合，选择合适的外排水方案。同时，还应设置地下水位监测项目，监测地下水位变化情况，防止工程事故发生。

参考文献

［1］SL 281—2003水电站压力钢管设计规范.北京：中国水利水电出版社，2003.

［2］侯靖，吴旭敏，潘益斌.锦屏二级水电站高压管道设计.第七届全国水电站压力管道学术论文集.北京：中国电力出版社，2010.

［3］张建辉，顾一新，姜树立.蒲石河抽水蓄能电站引水压力钢管设计.第七届全国水电站压力管道学术论文集.北京：中国电力出版社，2010.