基于厂区三维渗流分析的压力管道钢衬优化设计

祖威

1 引言

黄金坪水电站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级水电站。黄金坪水电站是以发电为主的二等大（2）型工程。水电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发，枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、1条岸边溢洪道、1条泄洪（放空）洞、左岸尾部式大厂房引水发电建筑物和右岸小厂房引水发电建筑物等组成。

压力管道采用埋藏式、单机单管供水的布置型式。4条压力管道平行布置，管轴线间距为30.5m，由上平段、上弯段、斜井段、下弯段及下平段组成，斜井坡度为60°。管道长度141.433m，内径9.6m，引用流量338.1m³/s，洞内流速为4.67m/s。

压力管道围岩为微新的石英闪长岩、斜长花岗岩，其间穿插有花岗闪长岩～角闪斜长岩质混染岩，岩体致密坚硬，较完整，以次块状结构为主，局部为块状结构。管道沿线围岩类别以Ⅲ类围岩为主，部分Ⅱ类，局部断层及其影响带、裂隙密集带等为Ⅳ类、Ⅴ类围岩。管道区地应力值较高，有发生轻微～中等岩爆的可能。

2 招标阶段压力管道结构设计

招标阶段，压力管道虽以Ⅲ类围岩为主，但局部断层及其影响带、裂隙密集带等为Ⅳ类、Ⅴ类围岩，如采用钢筋混凝土衬砌，需对Ⅳ类、Ⅴ类围岩进行固结灌浆处理，施工工序多，施工质量难以保证，且施工工期长；同时考虑到调压室靠近厂房，且压力管道长度较短，故压力管道除进口段20m采用1m厚钢筋混凝土衬砌外，其余均采用钢板衬砌。

2.1 钢筋混凝土衬砌段结构计算

压力管道前段20m采用钢筋混凝土衬砌，前15m为渐变段，后5m为圆形断面，内径9.6m，衬C25混凝土厚0.8m，内水压力为0.4MPa。按结构力学方法进行结构及配筋计算，衬砌按限裂设计。计算考虑的荷载有衬砌自重、内水压力、外水压力、山岩压力、围岩弹性抗力和灌浆压力等。

2.2 钢板衬砌段结构计算

压力管道钢衬段内水压力为0.40～0.92MPa，钢板采用Q345R。受地下厂房开挖爆破影响，靠近厂房上游边墙的部分管段按明管设计，其余管段按埋管设计。钢板厚度计算除满足结构所需的厚度外，另计入锈蚀、磨损及管壁厚度误差等2mm。经计算，钢板板厚为20～28mm。

钢衬段经抗外压稳定计算，每隔1.0～1.2m设一加劲环，加劲环高300mm，板厚20mm。钢衬段起点设两道断面为40mm×30mm的止水环，钢管外预留80cm的操作空间，并回填C20微膨胀混凝土。

3 地下厂区三维渗流计算成果

3.1 计算目的及内容

地下洞室位于深部岩体中，竖向和水平向埋深都很大，天然岩体中存在裂隙、节理、泥化夹层和断层等软弱结构面。地下厂房的过量渗漏影响厂房的正常运行。由于洞室群的开挖形成了新的自由面，为地下水渗流提供了新的通道，将会使地下水渗流发生变化，需研究地下厂房运行期，随上下游水位、地下水位、地下厂房排水量的变化情况，以选择合理的防渗帷幕及排水系统方案。

针对黄金坪地下厂房的水文地质条件、选取合理的水文地质分区及其相关参数，主要结构面和主要裂隙组的几何参数、渗透特性及连通延伸特性、节理裂隙发育分区及渗透特性，确定地下厂房天然水文地质环境及其渗流参数，构造计算模型及合理边界条件进行地下厂房运行期的渗控系统分析研究。

3.2 计算模型

由于地下厂房模型非常复杂，因此，先在较容易实现建模的ABAQUS软件环境下建立地下厂房系统计算模型，再将模型导入ADINA软件中，并对模型进行部分修改，如设置排水廊道，灌浆帷幕，排水孔等，并给洞室及压力管道施加衬砌和相应的边界条件，即可进行模型计算。

模型中对部分断层进行简化，仅考虑较大的三条断层。模型计算范围选取为：模型的上游断面取至调压室的上游边墙以上50m，下游断面取至距尾闸室下游边墙的以下145.4m处，向左取至距厂房左边墙100m处，向右取至距副厂房右边墙114.55m处，向下取至高程1300.00m处，向上取至高程1500.00m处，建立的模型侧视透视图如图1所示。

坐标原点在主厂房前壁正下方的模型底面左岸边界处，竖直向上为z轴正方向，向上游方向为x轴正方向，平行于厂房轴线方向为y轴，从左岸到右岸为正方向。

3.3 计算工况

为了确定进入地下厂房的流量是否符合设计要求，对计算模型采用以下4种方案进行计算分析。

（1）未设置帷幕且正常运行时的渗流分析。

（2）设置帷幕且正常运行时的渗流分析。

（3）未设置帷幕且最高涌浪水位运行时的渗流分析。

（4）设置帷幕且最高涌浪水位运行时的渗流分析。

3.4 计算结果

根据计算结果，选取不同工况不同部位的压力水头图，如图2～图5所示（由于篇幅有限，仅选取部分结果）。

方案1：地下水位位于主厂房上游拱肩附近。排水廊道及其排水孔起到了很好的排水作用，但是第一层排水廊道的高程较高，排水效果不是很好，第一层排水廊道上的排水孔幕效果也不显著，排水孔的长度可以大大缩短；而进入第一层排水廊道的水流量与第二三层相比，则相差了一个数量级；相对第一层排水廊道上的排水孔幕，第二三层廊道上的排水孔幕排水效果很显著，主厂房周围的排水孔幕起到了很好的排水作用。

方案2：进入厂房的总流量均有所减小，但是减小的幅度很有限。

方案3：和方案1相比进厂总流量有所增加，但是没超过400m³/h，符合设计要求。

方案4：与方案2相比，规律相似，浸润线的位置增高，进入厂区总流量有所增大。与方案3相比，进入厂区总流量减小。

不同方案进入厂区总流量见表1。

4种方案进入厂区总流量均小于400m³/h，满足设计要求。

4 技施阶段压力管道结构设计

技施阶段，根据上述计算成果及参考其他工程，对黄金坪电站压力管道进行优化设计，厂房防渗系统不设置帷幕，将钢衬起点移至斜井段（管）0+082.143，并设置3排阻水帷幕。为了更好地阻止地下水渗入厂房，在压力管道的（管）0+109.433～0+119.433段进行扩挖，在此布设3排深入基岩8.0m的帷幕灌浆孔，进行帷幕灌浆。

钢板厚度计算除满足结构所需的厚度外，另计入锈蚀、磨损及管壁厚度误差等2mm。经计算，钢板采用Q345R，板厚28～30mm。钢衬段经抗外压稳定计算，每隔2.0m设一加劲环，加劲环高300mm，板厚24mm。

5 方案对比结果

招标设计和技施设计中压力管道钢管和钢筋工程量对比见表2。

由对比结果可以看出，通过设计优化，技施阶段较招标阶段钢材工程量节省约43%，钢筋工程量增加了19.8%，总体上节省了工程投资。

6 结语

（1）黄金坪水电站大厂房压力管道采用埋藏式、单机单管供水的布置型式。招标阶段，除压力管道上平段前20m为钢筋混凝土衬砌段外，其余洞段全部采用钢板衬砌。技施阶段，对钢板衬砌进行优化设计。

（2）通过对厂区三维渗流计算结果，并结合其他工程经验，结果表明，在厂区未设置防渗帷幕的情况下，排水廊道排水孔幕效果明显，对降低入厂区渗流量有较大的作用，厂区的总体渗流量满足设计要求。防渗和排水设计仅选用衬砌、设排水孔、排水廊道等措施可以满足设计要求。

（3）考虑建模及计算能力大小的因素，有限元计算渗流场简化较多，加之地下断层裂隙发育，未进行全面模拟，有限元计算出的渗流场会与实际情况有出入。一旦运行期入厂渗流量过大，可以在排水廊道内进行补充防渗帷幕灌浆工作。

参考文献

［1］中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.大渡河黄金坪水电站引水发电建筑物土建招标设计报告［R］.成都：成都勘测设计研究院，2011.

［2］费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［3］马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［4］DL/T 5195—2004.水工隧洞设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2004.

［5］DL/T 5141—2001.水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2002.