山东文登抽水蓄能电站高压管道衬砌型式选择

杜贤军，王文芳，梁健龙

1 前言

常见的水工隧洞衬砌型式包括钢筋混凝土衬砌、钢板衬砌等，混凝土衬砌是低压隧洞常用的衬砌型式，根据实际工程经验的不断积累和认知的提高，在地质情况良好的高压隧洞区域，混凝土衬砌在高水头、大直径隧洞电站得到了较多的应用。我国以广蓄、天荒坪、宝泉等为代表的一批抽水蓄能电站高压管道及岔管采用了钢筋混凝土衬砌型式，但在实际运行过程中高压管道或多或少出现事故，特别是水头在600m级以上电站高压管道事故频发，不得不进行停机维修，降低了蓄能电站备用功能和经济效益。这些说明高水头高压管道采用混凝土衬砌是存在技术风险的。故在高水头高压管道型式比选时，要在“安全第一”和“资产全寿命周期管理”总体最优的指导思想下，选择合适的衬砌型式，以保证蓄能电站在电网中的安保作用。

文登抽水蓄能电站在可研设计阶段，根据已掌握的地质资料初步判断，高压管道基本具备采用混凝土衬砌的围岩地质条件，对比国内外已建电站运行管理经验，进行了高压管道及岔管衬砌型式比选，从长远利益考虑，降低高压管道运行期的风险，最终确定采用钢板衬砌型式。

2 工程概况

文登抽水蓄能电站位于山东省胶东地区威海市文登区界石镇晒字乡境内，东距文登区公路里程约35km，南距309国道16km，对外交通方便。电站装机容量1800MW，电站布置6台单机容量为300MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机组。电站额定水头471m，年发电量26.28亿kW·h，年抽水用电量35.04亿kW·h，年发电利用小时数为1460h，电站综合效率系数为0.75。

文登抽水蓄能电站枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房、开关站及出线场等部分组成。上水库位于昆仑山泰礴顶东南侧支沟首部，下水库位于西母猪河支流（楚岘河），水道系统沿六渡寺沟和苇夼沟之间的山体内布置，地下厂房位于水道系统中部。上、下水库间水平距离约2850m，水头差约490m，距高比为5.8。水道系统总长约3071m，其中引水系统长1376m，尾水系统长1695m。高压管道由高压主管、高压岔管和高压支管组成。立面上采用双斜井布置，设有上平段、上斜段、中平段、下斜段和下平段，斜井角度为55°。高压岔管距厂房上游边墙60～120m，岔管处最大静水头约为590m，最大设计水头约735m，岔管上覆岩体厚493～506m。

3 压力管道地质条件

水道系统沿线山脊高程150.00～660.00m，引水隧洞轴线穿过上水库右岸单薄分水岭，地面高程635.00～658.00m，地面坡度小于30°，沿线上覆岩体厚为25～100m。其中高压管道沿线地形呈马鞍形，高差变化较大，地面高程460.00～666.00m，上覆岩体厚度由80m增至500m。管道基本沿山脊布置，两侧均发育有冲沟。

水道系统沿线基岩主要为石英二长岩和部分二长花岗岩，局部发育有少量煌斑岩、石英岩等岩脉。石英二长岩在水道系统沿线均有分布，二长花岗岩则主要分布在高压管道岔管及厂房附近。水道系统隧洞由于埋深较大，围岩以微风化～新鲜岩体为主。高压管道围岩以Ⅱ类为主，高压岔管及厂房部位围岩基本为Ⅰ类。天然地下水位高于洞室，岩体呈弱～微透水性，洞内以渗水、滴水为主。

4 混凝土衬砌风险性分析

根据《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195—2004）及国内外工程设计经验，高压隧洞采用钢筋混凝土衬砌时，应满足以下几个方面的要求。

（1）高压隧洞上覆岩体最小厚度应足以抵抗内水压力，洞身部位岩体最小覆盖厚度按洞内静水压力小于洞顶以上岩体重力的要求确定，即满足挪威准则的要求。

（2）围岩中的最小主应力应大于内水压力，保证在运行水头下不会产生水力劈裂，以免引起严重渗漏。

（3）高压隧洞围岩属弱至微透水性，渗透梯度满足渗透稳定要求，以保证围岩具有足够的抗渗性。岔管区域内地质构造简单，岩体没有剪应力集中区，没有较大的断层和其他十分发育的节理密集带通过。岔管应置于相对不透水岩层，减少灌浆处理工程量。

4.1 挪威准则

4.1.1 文登高压管道最小岩体覆盖厚度

由厂顶探平洞揭示，文登岔管区域岩石新鲜、完整，没有倾向河谷的顺坡向不利构造面。由挪威准则计算高压管道沿线内水压力与最小覆盖厚度、最小应力比较见表1，围岩最小覆盖厚度及地形线关系如图1所示。

由图1可知，水道系统沿线隧洞上覆岩体厚度满足采用混凝土衬砌的最小厚度要求。

4.1.2 工程对比分析

为对比分析文登电站高压管道覆盖厚度与水头的关系，收集了国内外数个采用混凝土衬砌的抽水蓄能电站有关资料。

图2为国内外抽水蓄能电站混凝土衬砌高压管道最大静水头与覆盖厚度比值。由图2可以看出：

（1）最大静水头400m以下的电站最小埋深与最大静水头的比值均大于0.6，渗漏事故极少。

（2）随着最大静水头的增加，最小埋深与最大静水头的比值没有增加，最大静水头400m以上的水电站最小埋深与最大静水头的比值均在0.8以内。即当最大静水头超过400m之后，最小埋深没有明显增加，相对于最大静水头的安全裕度减小，出现事故的风险大大增加。500～600m以上水头这些水电站大部分都出现了不同程度的渗漏。而文登电站最大静水头590m，与最小覆盖厚度比值为0.73，与已建的广蓄及宝泉水电站相近，存在渗漏事故的隐患。

4.2 区域地应力分析

4.2.1 文登高压管道地应力测试及回归成果

可研阶段在高压管道岔管部位进行了地应力测试，布置的两个钻孔所在高程的应力值范围为：最大水平主应力为11.44～19.51MPa，最小水平主应力为7.10～13.01MPa，垂直主应力为10.66～12.39MPa。

根据单孔实测地应力值对地应力进行了回归分析，高压岔管区域的最大主应力范围在15.20～18.50MPa之间，而最小主应力范围在8.70～11.50MPa之间，按岔管高程部位实测结果F=σ₃/（γ_wH）=7.1/590/0.01=1.2，勉强满足要求。

4.2.2 工程对比分析

图3为国内外一些高压管道采用混凝土衬砌的工程的最小地应力与最大静水头比值统计，也即最小地应力准则中安全系数F的实际值与最大静水头的关系。

由图3中可以看出，美国巴斯康蒂抽水蓄能电站钢筋混凝土高压岔管F=0.83，美国赫尔姆斯抽水蓄能电站钢筋混凝土高压岔管F=0.93，两者F均小于1.0，说明最小主应力均小于最大静水头，且均出现了渗漏事故。国内抽水蓄能电站钢筋混凝土高压岔管最大静水头多数小于400m、F≥1.2，因此，电站安全裕度大，运行良好。只有广蓄、天荒坪、惠州三个电站钢筋混凝土高压管道出现了渗漏事故，而它们的共同特点是F＞1.0，但F≤1.2，且最大静水头都大于600m。由此可知高压管道最大静水头大于600m后，最小地应力相对于最大静水头的安全裕度大大减小，出现水力劈裂，引起严重渗漏的风险大大增加。而文登电站最大静水头590m，实际测得的最小地应力与最大静水头比值接近1.2，安全余度不大，与已建的天荒坪及宝泉电站相近，存在渗漏事故的隐患。

4.3 围岩的完整性及抗渗性

4.3.1 文登高压管道围岩的完整性及抗渗性

岔管区域岩性为二长花岗岩，均为新鲜岩体，未见有断层及贯穿型裂隙发育，为整体块状结构，洞室围岩地应力为以水平应力为主的中等应力区，围岩强度应力比（S_m=K_vR_b/σ₁）在8以上，具有良好的整体稳定性。

高压管道在高水头内水压力作用下，围岩的渗透性及渗透稳定性是高压管道衬砌方式选择的重要条件。高压压水试验在岔管及厂房附近的PD₁₁、PD₁探洞内进行，以测定岩体在高水头内压作用下的渗透特性、渗透稳定性及结构面的张开压力等。

由实验可知，完整岩体在最大压力9MPa下基本上不透水，发育隐裂隙的岩体当压力达到8.5MPa时透水量略有增大，对于贯穿型闭合裂隙，当压力达到6MPa时透水量开始增大，随着压力的增加流量会逐渐增大，发育张性裂隙（含裂隙型断层）的岩体，在很小的水压力作用下（小于3MPa）流量明显较大。

4.3.2 工程对比分析

为对比分析文登高压管道围岩的完整性及抗渗稳定性，收集了国内其他几个工程高压管道压水试验的成果，见表2。

由表2可见，最小埋深400～500m的工程，完整岩体临界压力为7.5～10MPa；闭合裂隙发育岩体，临界压力为6～7MPa；张性裂隙发育（含断层）岩体，临界压力为3～4MPa。而部分孔段受裂隙或断层影响，测试的最小水平主应力值较低，部分低于6MPa，这部分岩体在持续高水头作用下有可能发生渗透破坏。文登压水试验贯穿性闭合裂隙压力为6MPa，接近最大静水头，在高内水压力长时间作用下，围岩易引起岩石劈开，产生渗漏，存在风险。

4.3.3 文登高压管道混凝土衬砌渗漏量估算

采用潘家铮主编的《水工隧洞和调压室》中推荐的衬砌裂缝进行渗水量估算，高压管道年渗漏量约为242万m³。渗漏量较大，水电站运营损失较大。

4.4 混凝土衬砌可行性判断初步结论

综上从地形地质条件，高压管道覆盖层厚度挪威准则、围岩最小地应力准则和抗渗稳定性准则等方面进行初步判断，该工程高压管道基本满足混凝土衬砌的条件，技术上是基本可行的。但从国内外工程实例来看，600m级高压管道混凝土衬砌存在较大技术风险，均出现不同程度的事故，给电站运营造成了巨大的损失，因此应当高度重视600m级高压管道的技术风险问题。

4.5 技术风险分析

文登电站最大静水头为590m，其水头与国内广州、天荒坪、惠州、宝泉四个抽水蓄能电站相近，但上述电站在钢筋混凝土高压管道中都不同程度出现了事故，事故处理费时费钱，施工难度也大（尤其是长斜井段），还造成电站较长时间停止运行，经济损失大，也增加电网调度的困难。我国采用压力钢管的十三陵、张河湾、西龙池抽水蓄能电站，压力钢管均未见异常，其中西龙池高压管道最大静水头769.5m，国内第一。

文登高压管道混凝土衬砌的技术风险具体表现在：①该工程地质缺陷是不可避免存在的，有些地质缺陷甚至在施工期也难以发现，这样就会成为安全隐患，有可能对工程运行期安全产生不利影响；②高压管道段张性裂隙及断层部位在高水头内水压力下透水量较大，易造成渗透破坏；③高压管道事故处理费时费钱，施工难度也大（尤其是斜井段），灌浆效果也难以保证；④高压管道事故处理还造成电站较长时间停止运行，经济损失大，也增加电网调度的困难，这和蓄能电站在电网中应当承担的保安电源的作用也不相符。

4.6 衬砌型式方案比较

对混凝土、钢板衬砌和部分钢板衬砌三个方案进行综合比较。三个方案厂房均位于水道系统中部，为满足抗劈裂要求，混凝土衬砌方案采用一管三机的供水方式，钢衬方案和部分钢板衬砌方案为调度方便、运行安全采用一管两机的供水方式。

三个方案水道布置大体一致，混凝土衬砌方案高压隧洞立面采用52°上斜井、下竖井的布置方式，高压隧洞主洞总长1121.9m，岔管采用钢筋混凝土衬砌“卜”形岔管，引水支管长160m，采用钢板衬砌，部分尾水支管采用钢板衬砌，其余部分水道结构均为混凝土衬砌。钢衬方案自上平段30m后开始采用钢板衬砌，高压管道由高压主管、高压岔管和高压支管组成，钢衬段长1129.78m，立面上采用双斜井布置，高压岔管距厂房上游边墙60m，采用对称Y形内加强月牙肋型钢岔管；部分钢衬方案钢衬起始点位置位于中平段f_11-23断层上游60m处，高压主管钢衬段长778.3m，其余与钢衬方案布置相同。

三方案工程静态投资分别为混凝土方案58.2亿元、钢板衬砌方案62.4亿元、部分钢板衬砌方案61.5亿元。

5 结论

目前地质斟探资料表明文登高压管道围岩条件较好，覆盖层厚度、围岩最小地应力和抗渗性都基本满足混凝土衬砌要求，但考虑到当前600m级混凝土衬砌高压管道的风险较大，一旦出现事故，处理费时费钱，施工难度大，而且影响水电站运行，易对水电站运营造成巨大的损失。而对于部分钢衬方案来说，也曾有水电站出现上斜段渗漏的情况，该水电站上斜段有f_2-33、f_10-49、f_11-26等断层穿过，采用混凝土衬砌也存在安全隐患。而钢衬方案虽然投资较高，但从长远效益看，可以降低高压管道运行期的风险，减小维修频次，运行管理简化，一劳永逸地解决水电站运行期的安全问题，体现了“安全第一”和“资产全寿命周期管理”总体最优的指导思想，对蓄能电站来说也更能有效地发挥在电网中的安保作用。

综合技术经济比较，推荐高压管道及岔管采用运行期技术风险较小的钢衬方案。

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