CN2465022Y - 双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道 - Google Patents

双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道 Download PDF

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本实用新型涉及一种双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道,该管道是在防渗钢板两侧分别设有外层混凝土和内层混凝土;本实用新型与围岩一起承担三种荷载和满足一种要求,本实用新型的防渗效果好、抗外压能力高、防腐性能好。

Description

双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道
本实用新型涉及一种水利水电建筑结构，是一种能适应高内水压和高外水压的埋藏式高压输水管。
水电站发电引水钢管按结构型式可分为明管、地下埋管、坝内埋管、坝后背管等。现有水电站地下输水管道，一般包括钢筋混凝土衬砌的隧洞段和地下埋藏式钢管段，前者按《水工隧洞设计规范》进行设计，后者按《水电站压力钢管设计规范》进行设计。国内部分水电站压力钢管的最大参数如表1—1所示。表中数据显示，HD值最大者为地下埋管。我国台湾及国外抽水蓄能电站的HD值已达到(4000～5000)m2，见表1—2。随着大容量抽水蓄能电站的发展，地下埋管的发展潜力最大。
表1—1    围内部分已建水电站压力钢管最大参数
结构型式 管径D(m) 设计作用水头H(m)     HD(m2)
明    管 8.0(龚嘴)     1180(天湖)     2100(羊卓雍湖)
地下埋管 9.0(二滩)     888(天荒坪)     2842(天荒坪)
坝内埋管 10.5(岩滩)     171.4(龙羊峡)     1286(龙羊峡)
坝后埋管 11.2(五强溪)     162.0(东江)     1216(李家峡)
注：在建的三峡工程坝后背管D＝12.4，H＝139m，HD＝1724m2
表1—2    台湾及国外抽水蓄能电站地下埋管实例
工程名称     D(m)     H(m)     HD(m2) 钢材型号   壁厚(mm)
明潭(台)     6.8     695     4726  HT80     75
天山(日)     5.5     831.3     4572  SM58Q     30.5
切拉(保)     3.8     1065     4047  HT80     44
随着HD值的提高，地下输水管道也遇到了一些急待解决的问题。对压力隧洞而言，其防渗问题很难解决。在高水头内压作用下，混凝土衬砌必然开裂而产生内水外渗，致使衬砌外水压大大提高，并可能高于地下水位外水压力。当内水放空速度过快，衬砌裂缝闭合，渗出的高压水来不及向洞内反渗消压，极有可能形成对衬砌非常不利的高外水压力，使混凝土衬砌遭到破坏。同时，内水外渗还可能造成围岩抗剪指标降低、软化及边坡失稳等一系列问题。在这种情况下，为了防止隧洞衬砌混凝土开裂，于是对混凝土衬砌施加预压应力，使隧洞充水时衬砌环向出现压应力或拉应力小于混凝土允许拉应力。常用的方法有两种，一种是对围岩按特定要求进行高压灌浆，使衬砌处于受压状态，浆液凝固后，衬砌仍能保存一定的压应力，这种方法称为高压灌浆式预应力衬砌。广州抽水蓄能电站引进美国哈扎公司的设计方法，该设计理论的关键是使钢筋混凝土衬砌和周围2—8倍管道直径范围内的围岩联合受力，在围岩中采用预应力灌浆技术使混凝土衬砌达到限裂的要求。为了验证哈扎公司设计理论和确保工程安全，广蓄曾耗资数百万元，对原型钢筋混凝土压力管道和分岔管进行了试验。现场试验表明：围岩上采用高压灌浆技术，并不能在衬砌上产生均匀的预压应力，甚至有的衬砌部位根本就测不出预应力。可见高压灌浆式预应力衬砌的理论和实践并不完全吻合。其设计理论和施工技术均需要完善，目前还仅仅是一种工程经验。天荒坪抽水蓄能电站也采用了预应力灌浆技术，对围岩采用了高压固结灌浆，灌浆压力高达9MPa。这种灌浆技术难度大，成本高，工期也很长。
施加预应力的别一种方法，是机械式张拉预应力锚索，使其对衬砌产生预压应力，目前均采用后张法施工，称为后张法预应力衬砌，又可分为无粘结后张法和有粘结后张法。前者在小浪底工程排砂洞中采用，后者则在隔河岩水电站中采用，均需在衬砌内预留孔道，有粘结后张法锚索张拉后还要进行灌浆。预应力锚索施工工艺相当复杂，造价昂贵，在张拉过程中还发生过混凝土压裂的问题。
可见，制约有压隧洞发展的关键因素便是渗漏问题，而其实质便是混凝土材料的抗拉强度较低，开裂后不能满足防渗要求。而有些隧洞为了防止出现过大外压，设置内外水相通的排水孔，但渗水量难以控制，且外压削减也不可靠。若设置只能由外向内排水的单向排水孔，可缓解此问题，但此装置性能不稳定，检修更换困难，所以没有得到推广。
对于地下埋管段，虽然防渗问题解决了，但钢管抗外压问题却十分突出，美国哈扎公司设计的巴斯康蒂抽水蓄能电站就因截渗和排水体系设计不当而发生了钢管失稳的严重事故。所以按抗外压控制所设计的钢管管壁很厚，需采用影响混凝土浇筑质量，增大开挖洞径的加劲环。或者为降低外水压，而需要设置复杂的截渗和排水体系，增加了施工难度，检修也比较困难。在地下埋管结构计算中厂前等特殊部位和管段，由于不计Ko值或取很小的Ko值，所以常需要采用高强钢材，且管壁很厚才能满足计算要求(见表1—2)，相应又提高了对焊接工艺的要求。地下工程实践表明，围岩抗力较高，围岩分担了大部分内压，日本实测围岩分担内压比率为50—80％，而实测钢管应力很低，显然钢管作用未能充分发挥，其主要作用是防渗。
综上所述，对现有地下埋管的结构型式进行彻底改造，充分发挥钢材、混凝土和围岩的长处，而避免其短处，才能适应高水头，大直径地下压力管道的要求。
本实用新型的目的是为了提供一种防渗效果好、抗外压能力高、防腐性能好的双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道。
本实用新型的目的可通过如下措施来实现：本实用新型的管道由三种材料组成，并与围岩一起承担三种荷载和满足一种要求。
围岩主要承担内水压力；外层混凝土主要承担山岩压力；钢板主要起防渗作用；内层钢筋混凝土主要承担外水压力。可先预制由钢板和内层混凝土组成的预制管，推入洞内，再浇筑外层混凝土。
本实用新型相比现有技术具有如下优点：
1、本实用新型可避免采用复杂的高压灌浆措施或预应力张拉措施，避免采用厚钢板和高强钢材，简化了洞内施工，可加快工期，保证安全以及降低工程投资。
2、本实用新型将钢板置于两层混凝土承压层之间，其外层混凝土可承受山岩压力，内层混凝土可起承受外水压力和保护钢板作用，钢板可起防渗作用；因而本实用新型充分发挥了各层的作用，其防渗效果好、抗压能力高。
本实用新型的具体结构可由下述结构示意图给出：
图1是本实用新型的结构示意图
1—围岩    2—外层混凝土    3—防渗钢板    4—内层混凝土
本实用新型还将结合附图实施例作进一步详述：
参照图1，一种双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道是在防渗钢板3两侧分别设有外层混凝土2和内层混凝土4。在该管道的外层混凝土设在围岩1内。
围岩1主要承担内水压力；外层混凝土2主要承担山岩压力；钢板3主要起防渗作用；内层钢筋混凝土4主要承担外水压力。可先预制由钢板3和内层混凝土4组成的预制管，推入围岩1洞内，再浇筑外层混凝土2。

Claims (1)

1、一种双层混凝土钢板防渗地下高压输水管道，其特征在于在防渗钢板(3)两侧分别设有外层混凝土(2)和内层混凝土(4)。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1317522C (zh) * 2005-06-23 2007-05-23 西安理工大学 一种scs组合式水电站压力埋管的设计方法
CN102536268A (zh) * 2012-03-22 2012-07-04 长沙理工大学 埋藏式高压水道或隧洞防渗衬砌结构
CN102661154A (zh) * 2012-05-14 2012-09-12 云南农业大学 地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土及其施工方法

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