四川錦屏二級水電站高壓管道運行初期安全評價

李天述

摘 要：有壓式引水發電站的壓力輸水管道的結構安全狀況極為重要，在電站運行前需對其結構安全狀況進行評價。本文重點分析了錦屏二級水電站高壓管道在充排水試驗和運行初期的圍巖變形、錨桿應力、壓力鋼管應力及圍巖滲透壓力的變化情況。結果表明，錦屏二級水電站高壓管道施工質量優良，運行狀況良好，工程安全狀態正常。

關鍵詞：高壓管道；運行初期；安全評價1 工程概況

為保證充水后高壓管道的抗壓穩定和改善地下廠房的運行環境，高壓管道襯砌形式采用全洞段鋼襯（除上平段外），鋼襯后進行高壓固結灌漿。在高壓管道末端（距廠房上游側邊墻2.38m處）采用600MPa級強鋼板，其余洞段采用16MnR的500MPa級壓力容器鋼；高壓管道鋼襯后最大直徑6.5m，最小直徑6.05m。

2 工程地質條件

錦屏二級水電站高壓管道地質構造單一，位于褶皺一翼，為單斜地層，無區域性斷裂或次一級的大斷層（Ⅰ類結構面）通過；f7斷層規模相對較大，為Ⅱ類結構面，性狀較差，在引水隧洞上游調壓室前段通過；其余為小型斷層及破碎帶，多為Ⅲ級結構面。裂隙較發育～發育，局部密集，以“N10°E～N10°W NW～NE∠75°～85°，層面裂隙，面平直，平行發育，間距20～40cm，充填鈣膜”和“N50°～70°E NW∠80°～85°，平行發育，間距10～20cm，局部擠壓，夾擠壓片巖和泥質”為主，裂隙多充填鈣質，少量充填鐵錳質、泥質。4號～8號高壓管道沿線巖溶發育規模相對較大，主要分布在豎井40～83m段，巖溶形態主要為溶蝕裂隙、溶蝕寬縫和垂直溶蝕管道；1號～3號高壓管道巖溶洞穴相對不發育，以溶蝕裂隙為主。巖溶洞穴周邊巖體破碎～較破碎，圍巖穩定性較差，易坍塌。

錦屏二級水電站高壓管道圍巖為T2y5灰黑色中厚層細晶大理巖、灰白色粗晶（臭）大理巖及花斑狀大理巖，呈微風化～新鮮狀；巖體較完整～完整，局部較破碎，圍巖以Ⅲ、Ⅱ類為主，圍巖穩定～基本穩定；局部巖溶集中發育，洞段及存在裂隙不利組合的洞段為Ⅳ類，局部圍巖穩定性較差～差。

3 安全監測布置及設計控制指標

3.1安全監測布置

錦屏二級水電站高壓管道安全監測包括圍巖變形、圍巖承載能力、襯砌及支護結構受力情況、圍巖滲透壓力監測等。采用在高壓管道上平段、豎井段、下平段各選取若干斷面布置多點位移計監測圍巖變形情況，布置錨桿應力計監測支護錨桿受力情況，布置滲壓計監測圍巖滲透壓力情況；在圍巖與混凝土襯砌接縫處布置測縫計，監測圍巖與襯砌混凝土接縫變化情況；在鋼管與混凝土襯砌接縫處布置鋼管縫隙計，監測鋼管與襯砌混凝土接縫變化情況；在豎井及下平鋼襯段布置鋼板應力計監測鋼管受力情況。

錦屏二級水電站高壓管道監測儀器分別布置在1號、2號、3號、5號和7號管道內，共安裝多點位移計42套/131支、錨桿應力計48組/48支、鋼板應力計36支、滲壓計87支、測縫計58支、鋼管縫隙計38支、測壓管39個。

3.2 設計控制指標

錦屏二級水電站高壓管道在充排水試驗及機組運行期間，壓力管道內水壓力對高壓管道的穩定性影響極為重要，應加強監測。在各種工況下高壓管道末端（蝸殼首部）內水壓力控制值見表1。

根據《水工建筑物荷載設計規范》（DL5077-1997）有關水錘壓力沿管道分布的要求，高壓管道內水壓力在考慮靜水壓力和水擊壓力作用分項系數后確定，靜水壓力和水錘壓力的作用分項系數分別為1.0和1.1。高壓管道鋼襯段內水壓力設計值見表2。

4 充排水試驗及運行初期監測成果分析

4.1 1號高壓管道

（1）1號高壓管道水充滿時，內水壓力達到2.40～3.23MPa，鋼管膨脹，鋼管環向拉應力增大，最大變化量182.52MPa（1400m高程）；表層圍巖發生徑向壓縮變形，最大變化量-0.77mm；錨桿拉應力減小，最大變化量-72.15MPa。水排空后，內水壓力降為0MPa，鋼管收縮，鋼管環向拉應力減小，最大變化量-160.54MPa；表層圍巖發生徑向松弛變形，最大變化量0.43mm；錨桿拉應力增大，最大變化量49.60MPa。高壓鋼管、表層圍巖及支護錨桿表現出同步的彈性變形特征，符合變化規律，變化量未超過材料強度極限，結構應力狀態均在正常范圍內。

圍巖滲透壓力，充排水試驗期間，受1號調壓室內水外滲影響，高壓管道上平段滲壓計測值與調壓室豎井水位呈正相關系，即水位升高，滲壓計測值增大；水位降低，滲壓計測值減小。隨著充排水過程的結束，高壓管道上平段滲壓計測值基本恢復到充水前的狀態。在充水、排水過程中，上平段圍巖滲透壓力最大變化量分別為89.05kPa、-100.61kPa，豎井段最大變化量分別為20.54kPa、-20.79kPa，下平段最大變化量分別為-28.00kPa、-46.89kPa。

（2）1號機組運行初期，1號高壓管道圍巖變形最大變化量0.67mm，錨桿應力最大變化量-5.91MPa，鋼管應力最大變化量-13.29MPa，接縫開合度最大變化量-0.04mm，上平段圍巖滲透壓力最大變化量-63.13kPa。監測成果表明1號高壓管道工程安全狀態基本正常。

4.2 2號高壓管道

2號高壓管道圍巖變形、錨桿應力及混凝土與圍巖接縫開合度在充排水試驗與機組運行初期變化均較小。上平段圍巖滲透壓力在充排水前后變化明顯，最大變化量539.70kPa，符合變化規律。監測成果表明2號高壓管道工程安全狀態基本正常。

4.3 3號高壓管道

（1）3號高壓管道在充水過程中，鋼管應力最大變化量-0.65MPa，圍巖變形最大變化量-0.36mm，錨桿應力最大變化量1.10MPa，混凝土與圍巖接縫開合度最大變化量-0.19mm。水排空后，鋼管應力最大變化量0.84MPa，圍巖變形最大變化量0.19mm，錨桿應力最大變化量-22.61MPa，混凝土與圍巖接縫開合度最大變化量0.10mm。3號高壓管道滲壓計均布置在鋼襯段圍巖部位，圍巖的滲透壓力在充排水前后基本無變化。

（2）3號機組運行初期，3號高壓管道圍巖變形最大變化量0.13mm，錨桿應力最大變化量9.61MPa，鋼管應力最大變化量11.65MPa，接縫開合度最大變化量0.11mm，圍巖滲透壓力基本無變化。監測成果表明3號高壓管道工程安全狀態基本正常。

4.4 5號高壓管道

（1）5號高壓管道在充水過程中，圍巖變形最大變化量-2.05mm（0+246斷面），錨桿應力最大變化量-164.48MPa（0+246斷面），混凝土與圍巖接縫開合度最大變化量-0.12mm。水排空后，圍巖變形最大變化量1.43mm，錨桿應力最大變化量119.50MPa，混凝土與圍巖接縫開合度最大變化量0.11mm。5號高壓管道滲壓計均布置在鋼襯段圍巖部位，圍巖的滲透壓力在充排水前后基本無變化。

（2）5號機組運行初期，5號高壓管道圍巖變形最大變化量-0.12mm，錨桿應力最大變化量-15.95MPa，接縫開合度最大變化量-0.03mm，圍巖滲透壓力基本無變化。監測成果表明5號高壓管道工程安全狀態基本正常。

4.5 7號高壓管道

7號高壓管道在充水過程中，鋼管應力最大變化量67.37MPa（1400m高程），圍巖變形最大變化量-0.27mm，錨桿應力最大變化量-7.70MPa，混凝土與圍巖接縫開合度最大變化量-0.23mm，圍巖滲透壓力最大變化量139.69kPa（上平段部位）。水排空后，鋼管應力最大變化量-8.17MPa，圍巖變形最大變化量0.17mm，錨桿應力最大變化量3.25MPa，混凝土與圍巖接縫開合度最大變化量0.21mm，圍巖滲透壓力最大變化量-146.30kPa（上平段部位）。

5 異常問題處置措施

5號高壓管道在充排水過程中，下平段0+246斷面水充滿時，內水壓力達到3.20MPa，鋼管膨脹，表層圍巖發生徑向壓縮變形，最大變化量-2.05mm，平均變化量-0.98mm；錨桿拉應力減小，最大變化量-164.48MPa，平均變化量-129.41MPa。水排空后，內水壓力降為0MPa，鋼管收縮，表層圍巖發生徑向松弛變形，最大變化量1.43mm，平均變化量0.67mm；錨桿拉應力增大，最大變化量119.50MPa，平均變化量96.59MPa。針對這一異常問題，業主組織相關單位召開專題會議，分析原因。該斷面圍巖變形、錨桿應力變化較大的原因，主要是由于5號高壓管道K0+220～K0+250段處于f38、f64、f66小斷層帶，斷層帶寬約10～50cm，局部圍巖為Ⅳ類，巖體較破碎，且裂隙發育，壓力鋼管安裝后經過固結灌漿與周邊巖體緊密結合，當壓力管道內水壓力增加鋼管膨脹直接將應力傳遞至周邊圍巖，致使周邊圍巖變形及支護錨桿應力相繼發生變化。

為進一步了解該部位圍巖變形情況，設計在該斷面新增了1套三點式位移計，用于進一步監測該部位圍巖的變形情況。新增的多點位移計安裝后運行正常，且測值變化較小；該斷面其余監測儀器在機組運行期間，儀器測值變化均較小，表明該斷面圍巖及鋼襯支護結構處于基本穩定狀態。

6 初步結論

錦屏二級水電站高壓管道在充排水試驗過程中，部分監測儀器測值隨著壓力管道內水壓力的變化而變化，但其變化表現的特征符合壓力管道內水壓力變化所引起的變化規律，且變化量未超過材料強度極限，結構應力狀態均在正常范圍內。

錦屏二級水電站高壓管道經過充排水試驗后進入機組發電運行期。通過機組運行期的監測成果顯示，高壓管道的圍巖狀態、系統錨桿及壓力鋼管等支護結構的應力狀態、襯砌混凝土與圍巖的接縫開合度狀態基本穩定，圍巖滲透壓力狀態基本正常；表明高壓管道施工質量優良，運行狀況良好，工程安全狀態正常。