一、压力管道

溪洛渡水电站压力管道灌浆设计

苟芳蓉，杨怀德，邱云

1 概述

溪洛渡水电站枢纽工程由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪孔口、坝后水垫塘和二道坝、左右岸有压接无压泄洪洞、左右岸引水发电系统及送出工程组成。

左右岸引水发电系统对称布置，由电站进水口、压力管道、地下厂房、主变压器室、尾水调压室、尾水洞及出口等建筑物组成。左右岸地下厂房各安装9台770MW水轮发电机组。压力管道两岸呈基本对称布置，各布置9条地下埋管，进口中心线高程523.00m。压力管道沿纵剖面分为渐变段、上平段（或上压坡段）、上弯段、竖井段、下弯段、下平段、锥管段及连接段。下平段、锥管段及连接段与厂房纵轴线垂直，中心间距34m，中心高程359.00m。压力管道总长，左岸291.838～403.612m，右岸306.214～372.054m。下平段（含锥管段、连接段）长59.8m，内径10m。

地下厂房防渗帷幕中心线距离厂房上游边墙63.8m，位于压力管道下弯段末段。压力管道下弯段及上游部分采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.9m。下平段、锥管段及与蜗壳连接段为钢板衬砌，钢管与围岩间回填混凝土。下平段长32m，采用围岩联合承载，钢板材质16MnR，板厚28～30mm；锥管段长20m，按地下埋管设计过渡到明管设计，钢板材质ADB610D，板厚34～54mm；与蜗壳连接段长7.8m，按明钢管设计，材质ADB610D，板厚考虑与蜗壳连接，为54～66mm。下平段钢管设加劲环，间距1m；其余段加劲环间距1.25m。为防止渗漏，在钢衬起点处设置两道阻水环，间距0.5mm。钢衬段前设置四道阻水帷幕，间距1.5m，与厂房防渗帷幕搭接。钢衬段首端加设两道阻水帷幕，间距0.75m，与厂房防渗帷幕、下平段钢管组成封闭防渗体系。

压力管道纵剖面布置以左岸1号压力管道为例，见图1。

2 灌浆设计

压力管道灌浆设计需根据建筑物的使用功能、设计施工方法等因素综合考虑。根据溪洛渡水电站压力管道的结构布置、受力特点、防渗要求等，灌浆设计主要分为固结灌浆、回填灌浆、钢衬接触灌浆、阻水帷幕灌浆。

2.1 固结灌浆

压力管道岩性左岸为P₂β₄～P₂β₈层，右岸为P₂β₃～P₂β₈岩流层的玄武岩及角砾集块熔岩，岩石坚硬，均处在微新岩体内。岩体中发育的结构面主要为缓倾角的层间、层内错动带和陡倾角的节理裂隙。从洞室开挖揭示的地质条件来看，岩体多呈次块状结构为主，局部为镶嵌结构，围岩类别为Ⅱ类、Ⅲ1类，洞壁干燥，围岩总体稳定性较好。Ⅲ1类围岩变形模量（垂直向）可达10～12GPa，弹性抗力系数可达40～50MPa/cm。压力管道开挖后，表层岩体有所松弛，实测松动圈深为1～2m。

压力管道钢筋混凝土衬砌段运行时需要承受0.8～2.8MPa的内水压力，衬砌按限裂设计。为了提高岩体的完整性，让围岩抗力充分发挥作用，减小内水外渗，以减小厂房防渗帷幕压力，钢筋混凝土段有必要进行固结灌浆。同时，钢筋混凝土段管道距水库较近，管道放空时需承受较大外水压力，岩石固结灌浆圈可与衬砌联合承受外压，提高衬砌承受外压的能力。钢衬段大部分按照地下埋管设计并考虑围岩联合承载，以减少钢板用量，围岩固结灌浆亦是必要的。因此，设计在压力管道全线采取系统固结灌浆。固结灌浆孔深6m，每排布置8孔，排距3m，按22.5°相邻排交错布置。具体灌浆参数如下。

（1）上平段（压坡段）及上弯段末段设计内水压力约1.8MPa，固结灌浆分两序，全孔一次灌浆。Ⅰ序孔灌浆压力1～1.5MPa，Ⅱ序孔灌浆压力1.5～2MPa。

（2）竖井段最大设计内水压力约2.5MPa，固结灌浆分两序，全孔一次灌浆。高程440.00m以上Ⅰ序孔灌浆压力1.5～2MPa，Ⅱ序孔灌浆压力2～2.5MPa。高程440.00m以下Ⅰ序孔灌浆压力2～2.5MPa，Ⅱ序孔灌浆压力2.5～3MPa。

（3）下弯段最大设计内水压力约2.8MPa，固结灌浆分两序，全孔一次灌浆。Ⅰ序孔灌浆压力2～2.5MPa，Ⅱ序孔灌浆压力2.5～3MPa。

（4）下平段、锥管段、连接段均采用钢板衬砌，最大设计内水压力约2.9MPa。固结灌浆分两序进行，每孔2段。Ⅰ序孔0～3m段灌浆压力2～2.5MPa，Ⅰ序孔3～6m段灌浆压力2.5～3MPa；Ⅱ序孔0～3m段灌浆压力2.5～3MPa，Ⅱ序孔3～6m段灌浆压力3～3.5MPa。

根据现场灌浆试验情况，灌浆压力可适当调整。

2.2 回填灌浆与接触灌浆

水平洞段和缓倾角洞段的顶拱混凝土浇筑往往达不到密实，会留下一定的空腔。为使衬砌与围岩紧密结合，有效传递内水压力至围岩，在上、下平段（含上、下弯段缓倾角段）顶拱120°范围进行回填灌浆。回填灌浆压力0.3MPa，灌浆孔深入基岩0.1m，与固结灌浆孔结合，2孔、3孔交错布置，排距3m。回填灌浆须在混凝土达到设计强度的70%以后进行。

钢衬段回填混凝土，由于重力的作用底部区域浇筑易形成脱空区。因此在下平段、锥管段、连接段底部90°范围进行开孔接触灌浆，接触灌浆压力0.2MPa。接触灌浆孔结合固结灌浆孔，2孔、3孔交错布置。灌浆孔开孔孔径50mm，孔内加工丝扣，孔外侧焊接D150mm补强钢板。接触灌浆在钢衬回填混凝土浇筑60d，混凝土充分冷缩后进行。灌浆结束后采用丝扣堵头封堵，并用焊补法封口。

回填灌浆和接触灌浆孔布置见图2。接触灌浆孔及封堵见图3。

2.3 阻水帷幕灌浆

压力管道钢衬起点设置在厂房防渗帷幕处，为了方便厂房帷幕灌浆，达到较好的灌浆效果，设计要求该段压力管道开挖须在厂房帷幕灌浆施工后进行。管道开挖爆破的影响势必削弱防渗帷幕，因此需要压力管道衬砌后对厂房防渗帷幕进行补强，并形成钢衬首端的阻水帷幕灌浆，与厂房防渗帷幕封闭连接。压力管道钢衬段前设置四道阻水帷幕，间距1.5m，钢衬段首端加设两道阻水帷幕，间距0.75m，与厂房防渗帷幕、下平段钢管组成封闭防渗体系。阻水帷幕孔深12m，每排8孔，相邻排交错布置。帷幕灌浆分两序孔灌注，Ⅰ序孔0～6m段灌浆压力3.5～4MPa，Ⅰ序孔6～12m段灌浆压力4～4.5MPa；Ⅱ序孔0～6m段灌浆压力4～4.5MPa，Ⅱ序孔6～12m段灌浆压力4.5～5MPa。阻水帷幕灌浆孔见图4。

各类灌浆实施顺序为：首先进行回填灌浆；然后进行固结灌浆和帷幕灌浆；最后进行接触灌浆。

3 钢衬段灌浆优化设计

压力管道钢衬段按照原灌浆设计，需要在钢板上开孔进行灌浆。钢衬段的施工须在开挖支护完成后首先进行钢管安装，再浇筑回填混凝土，然后在钢板上开孔进行各类灌浆，最后进行封孔，施工工艺复杂，工期长，经推算原灌浆方案不能满足完工结点工期要求。

溪洛渡压力管道钢衬材质采用的容器钢和高强钢均需要进行严格的焊前预热和焊后热处理。特别是高强钢灌浆孔堵头采用熔化焊时需进行预热和后热处理，以减少焊接裂纹的出现。高强钢的合金元素多，成分复杂，金相组织为低碳板条马氏体或粒状下贝氏体，缺口裂纹敏感性较高。由于强度较高，相应的塑性、韧性相对较低，采用熔化焊接工艺封堵灌浆孔，易产生裂纹等焊接缺陷。同时由于灌浆孔尺寸小，不便贴合可控制加热温度的远红外电加热片，而是采用人工控制温度的火焰加热法，从而导致各个部位加热、冷却不均匀，因冷却收缩不均匀，可能导致焊缝开裂。另外，地下埋管内施焊条件较差，灌浆孔内不易清除的浮锈、油污、油漆、泥浆以及围岩渗水或灌浆凝固水渗出，均会导致焊接接头内的扩散氢含量增加，存在氢致裂纹的可能。鉴于以上原因，经广泛收集资料，参考国内多个项目的经验并经进一步深入研究，将钢衬段灌浆方式优化为不开孔灌浆，结合溪洛渡压力管道较好的围岩条件，将钢衬段固结灌浆和帷幕灌浆调整为无盖重灌浆，回填灌浆和接触灌浆调整为预埋灌浆管进行灌浆的方式。

3.1 钢衬段固结灌浆方式

取消高强钢衬上开设的灌浆孔，固结灌浆采用无盖重方式进行。灌浆孔适当加密，布置由原设计的8孔/环调整为12孔/环，孔深仍为6m，排距3m，相邻排交错布置。对于锥管段及连接段，灌浆采用0～6m段全孔一次灌浆法，灌浆压力Ⅰ序孔采用1.5～2MPa，Ⅱ序孔采用2～2.5MPa。对于下平段（16MnR段），由于考虑围岩联合承载，须确保固结灌浆的质量和效果，灌浆采用自里而外分段灌浆法，2～6m段灌浆压力Ⅰ序孔采用2～2.5MPa，Ⅱ序孔采用2.5～3MPa；0～2m段灌浆压力Ⅰ序孔采用1～1.5MPa，Ⅱ序孔采用1.5～2MPa。灌浆压力可根据现场试验进行调整，同时要求进行围岩抬动观测，因固结灌浆产生新的卸荷松弛和抬动量小于100μm。在浅表松动及裂隙发育岩体部位，固结灌浆采用针对性引管，待回填混凝土浇筑后进行补充固结灌浆，引管管口须入岩0.3～0.5m。

3.2 钢衬段回填及接触灌浆方式

钢板衬砌段回填及接触灌浆均采用预埋灌浆管进行。对于回填灌浆，在洞顶部120°范围设置一套回填灌浆管路，顺管轴线方向为主管，沿管径方向设支管，灌浆主管和支管均采用钢管。管路与加劲环焊接便于牢固固定，管口紧贴基岩面，并用胶布或其他透气性材料封边，避免混凝土浇筑过程中堵塞管口，回填灌浆压力0.4MPa。洞底部120°范围设置一套接触灌浆管路，灌浆主管和支管均采用钢管，管路与加劲环焊接固定，管口紧贴钢衬外表面，并用胶布或其他透气性材料封边，避免混凝土浇筑过程中浆液堵塞管口，接触灌浆压力0.25MPa。回填灌浆和接触灌浆管路引至下平段施工支洞，待混凝土浇筑达到设计要求的龄期后实施灌浆，灌浆前对灌浆管进行压气检查，确保管路畅通。灌浆结束后，灌浆管路采用同等强度浆液灌注密实。

回填及接触灌浆管布置横剖面见图5。灌浆管布置纵剖面见图6。

3.3 阻水帷幕灌浆

钢衬段的两排阻水帷幕灌浆调整为无盖重灌浆方式，灌浆参数仍参照原施工技术要求，实行分段分序灌浆。钢衬段前的四排阻水帷幕先采用无盖重灌浆，待混凝土衬砌完成后再对表层3m孔深段进行补强灌浆，以确保帷幕灌浆的质量。

4 灌浆质量检查方法及标准

4.1 回填灌浆

回填灌浆质量检查应在该部位灌浆结束7d后进行，检查孔的数量应为灌浆孔总数的5%。钢筋混凝土段采用钻孔注浆法和地质雷达测试两种方法进行。钻孔注浆法向孔内注入水灰比2∶1的浆液，在规定压力下，初始10min内注入量不超过10L，即为合格；地质雷达测试顶拱一线，对补灌后怀疑无法灌满的部位采用钻孔取芯检查，并进行补灌处理。钢衬段回填灌浆质量检查采用冲击回波法测试，对检查不合格部位，考虑在厂房灌浆廊道内进行补灌。

4.2 固结灌浆

压力管道固结灌浆质量检查采用声波测试和压水试验两种方法，检查孔数量占灌浆孔总数的5%以上，在地质条件复杂和灌浆异常部位，根据监理人指示加密布置。声波检查合格标准为：每条压力管道内所有检查孔全孔声波平均值大于4800m/s，且小于4000m/s的声波测试点比例小于10%。压水试验采用单点法，规定透水率上平段和上弯段小于3Lu，竖井段和下弯段小于1.5Lu，且孔段合格率90%以上为合格。

4.3 阻水帷幕灌浆

压力管道阻水帷幕灌浆质量检查采用压水试验方法，在该部位灌浆结束14d后进行。灌浆检查孔的数量不少于灌浆孔总数的10%。压水试验采用分段卡塞进行，设计规定透水率小于1Lu，孔段合格率90%以上为合格。

4.4 钢板接触灌浆

钢板接触灌浆工程的质量检查，在灌浆结束7d后采用锤击法进行，对于疑似脱空区，采用冲击回波法进行测试。钢板单处脱空面积大于0.5m²的空腔，采用磁座电钻开孔进行补灌，并按技术要求进行封孔。

5 结语

溪洛渡水电站压力管道固结灌浆经质量检查，总体满足设计要求，少量洞段检查孔经补灌后满足了设计要求。钢衬段采用预埋管路进行顶拱回填灌浆及底板接触灌浆，采用冲击回波法对压力钢管回填灌浆进行质量检查，结果显示局部存在不连续的轻微脱空现象，管道混凝土与围岩间总体接触紧密，对结构受力影响不大。接触灌浆完成并达到凝期后，采用锤击法和冲击回波法对钢衬管段进行质量检查，检查结果显示，钢衬底部存在少量不连续脱空区，大多数小于设计要求0.5m²，少量脱空面积超过0.5m²，经补灌处理后，满足设计要求。

压力管道钢衬段固结灌浆、阻水帷幕灌浆采用无盖重灌浆方式，回填及接触灌浆采用预埋灌浆管方式，避免了在钢板上特别是高强钢板上开孔灌浆后封孔困难的风险，确保钢衬段不渗水，同时可大大简化施工工序，方便施工且缩短了施工工期。灌浆质量检查结果显示，只要精心施工，注重灌浆工艺，严格控制，灌浆质量能够满足设计及工程安全运行要求，截至2014年5月，金沙江溪洛渡水电站已经发电16台机组，压力管道变形、应力、渗流、渗压等观测资料显示，压力管道运行良好。

参考文献

［1］DL/T 5017—2007水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范［S］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］DL/T 5148—2012水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2012.