白鹤滩水电站压力管道衬砌型式选择
杨飞，吕慷，吴旭敏，陈益民，倪绍虎
中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014
白鹤滩水电站压力管道区域发育层间层内错动带，地质条件复杂，下平段最大动水压力超过300m，衬砌型式选择是压力管道设计的关键内容之一。本文在充分认识地质条件的基础上对压力管道的渗透稳定条件进行分析，并通过三维渗流场数值计算分析进行验证，最终确定压力管道的衬砌型式。
1 概述
1.1 工程概况
白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游距乌东德坝址约182km，下游距溪洛渡水电站约195km，控制流域面积43.03万km2，占金沙江以上流域面积的91.0%。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，电站正常蓄水位为825m，水库总库容206.02亿m3。
白鹤滩水电站工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程834m，最大坝高289m，坝身布置有6孔泄洪表孔和7个泄洪深孔；泄洪洞共3条，均布置在左岸；地下厂房采用首部开发方案布置，总装机容量16000MW，左右岸地下厂房各布置8台单机容量1000MW的水轮发电机组。引水系统和尾水系统分别采用单机单洞和两机一洞的布置形式，左岸3条尾水隧洞结合导流洞布置，右岸2条尾水隧洞结合导流洞布置。
1.2 压力管道布置
左、右岸压力管道均采用单机单洞竖井式布置，每岸各布置8条，由上平段、上弯段、竖井段、下弯段和下平段组成。左岸压力管道总长395～407m，右岸压力管道总长386～518m。根据经济洞径分析成果并结合工程类比分析，选择压力管道钢筋混凝土衬砌洞径为11m，相应流速约为5.8m/s，钢板衬砌洞径为10.2m，相应流速约为6.7m/s。
左、右岸压力管道承受最大动水头超过300m，其中上平段由于内水水头相对较低，结合地质条件和工程经验，采用钢筋混凝土衬砌以及混凝土置换和灌浆等措施，可满足防渗要求；下平段考虑厂区洞室开挖卸荷影响，结合工程类比分析，近厂段构造钢衬长度按0.3倍静水头考虑，即下弯段起始端至厂房之间压力管道采用钢板衬砌；竖井内水水头较高，钢筋混凝土衬砌开裂难以避免，考虑到竖井距离厂房洞群较近，内水外渗对电站运行的影响较大，因而竖井段成为压力管道衬砌型式选择的主要研究对象。
2 基本地质条件
左岸压力管道上覆岩体厚95～340m，穿过
岩流层，岩性主要为隐（微）晶玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、斜斑玄武岩等，其中，
层底部为第三类柱状节理玄武岩，
层主要为第一类柱状节理玄武岩，
层主要为第二类柱状节理玄武岩。左岸压力管道区域主要发育F17断层及C3、C3-1及C2层间错动带，其中C2层间错动带为泥夹岩屑型，性状较差。
层、
层层内错动带发育。
右岸压力管道上覆岩体厚度110～580m，穿过
岩流层，岩性主要为隐（微）晶玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、斜斑玄武岩等，其中，
层底部为厚30～40m的第二类柱状节理玄武岩，
层底部为第三类柱状节理玄武岩，
层主要为第一类柱状节理玄武岩。右岸压力管道区域发育F15、F16等断层及发育C5、C4及C3层间错动带，其中C4层间错动带为泥夹岩屑型，性状较差。
左、右岸压力管道均位于地下水位以下，岩体渗透性受岩性、构造等因素控制，尤以缓倾角的层间、层内错动带影响最大，岩体透水性较小，以微～弱透水性为主。
左、右岸压力管道地应力量值中等，其中左岸最大主应力17～24MPa，右岸最大主应力22～28MPa。
3 衬砌型式影响因素分析
3.1 控制性因素分析
采用钢筋混凝土衬砌的压力引水隧洞必须满足透水衬砌设置的“三大准则”，即挪威准则、最小地应力准则和渗透稳定准则。若压力隧洞不满足其中的任何一个准则，则须采用钢板衬砌。
左岸压力管道埋深95～340m，挪威准则安全系数2.2～3.1，最小主应力为3～8MPa，最小地应力准则安全系数3.1～3.3。右岸压力管道埋深110～580m，挪威准则安全系数2.5～5.4，最小主应力为3.5～12MPa，最小地应力准则安全系数3.8～4.6。左右岸压力管道布置均满足挪威准则和最小地应力准则，因此，围岩渗透稳定性是决定衬砌型式的关键因素。
3.2 渗透稳定条件分析
厂区岩体总体透水性微弱，渗流场特性受构造（主要是层间错动带）控制。厂区代表性岩体及层间错动带、断层等渗透系数见表1，钻孔压水试验成果见图1和图2。
表1 岩体及层间错动带、断层渗透系数 单位：cm·s-1
续表
注 Kh为平行层面方向渗透系数；KV为垂直层面方向渗透系数。
图1 ZK82压水试验相对稳定水位与钻孔钻进深度关系图
图2 ZK75压水试验相对稳定水位与钻孔钻进深度关系图
表1说明层间错动带顺层向的渗透系数大于各类岩体及断层渗透系数，对渗流场起到控制性作用。图1和图2可以看出当钻孔穿过层间错动带时，水位会出现急剧下降，层间错动带在垂直方向上的作用体现为相对隔水层，地下水位呈现较明显的分层分布现象。受层间（层内）错动带影响，厂区裂隙渗流场呈现出明显的不均匀性和各向异性。
现场针对层间错动带C2、C4及C5的渗透变形试验成果同样表明各层间错动带的临界水力坡降均较低，渗透系数较大，透水性较好，层间错动带在高内水压力下发生渗透失稳或大量渗流的风险较大，同时易受地下水的侵蚀而导水性增强，若与压力管道贯穿或距离较近，内水外渗易形成集中渗漏通道。
3.3 潜在渗漏风险分析
通过以上渗透稳定条件的分析可以看出，压力管道内水外渗存在潜在的渗透稳定问题，其典型模式及路径如下。
（1）由于压力管道靠近帷幕，在高压内水外渗作用下，帷幕的长期有效性难以保证，存在失效的可能。若帷幕出现局部失效，可能导致厂房的渗漏量增加，甚至影响厂房的安全运行。
（2）由于层间错动带（如C2）性状差，允许渗透梯度小，层间错动带穿过或靠近压力管道部位，易被击穿而发生渗透失稳，或者由于错动带充填物被带走形成集中渗漏通道，造成渗漏量随时间不断加大。
（3）潜在的渗漏路径有两个：检修放空管道与相邻运行管道之间，以及运行压力管道与厂区洞室群之间。
4 衬砌型式比选
4.1 方案拟定
根据围岩渗透稳定条件分析，针对压力管道内水外渗存在的潜在渗漏风险，拟定了两种工程处理措施。
4.1.1 钢筋混凝土衬砌强化方案（方案1）
压力管道除下弯段及下平段采用钢板衬砌外，其余均采用钢筋混凝土衬砌，仅针对存在潜在渗漏风险的洞段进行强化处理，局部扩挖后回填置换混凝土，后期进行高压固结灌浆处理。以左岸为例，钢筋混凝土衬砌强化方案压力管道纵剖面布置见图3。
4.1.2 钢板衬砌方案（方案2）
压力管道上平段采用钢筋混凝土衬砌，自上弯段起始端至下平段进厂段全部采用钢板衬砌，厂区帷幕及排水廊道分别布置在压力管道竖井上、下游侧。以左岸为例，钢板衬砌方案压力管道布置见图4。
4.2 渗透稳定计算分析
根据基本条件对两方案进行三维渗流场数值计算分析，左右岸防渗帷幕线各典型断面上防渗帷幕与层间错动带交叉点的渗透梯度值及防渗帷幕的最大渗透梯度值见表2和表3，左右岸典型剖面上防渗帷幕的渗透梯度分布曲线见图5和图6。
表2 左岸厂区防渗帷幕与层间错动带交叉处的渗透梯度值
注 C2位于主帷幕下部，与主帷幕没有交叉点；C3和主帷幕交叉点在地下水位线以上。
表3 右岸厂区防渗帷幕与层间错动带交叉处的渗透梯度值
注 C2位于主帷幕下部，与主帷幕没有交叉点；0表示交叉点位于地下水位线以上。
图3 左岸钢筋混凝土衬砌强化方案压力管道纵剖面布置图
图4 左岸钢板衬砌方案压力管道纵剖面布置图
图5 左岸断面4防渗帷幕渗透梯度分布曲线图
由表2、表3和图5、图6可以看出，左右岸竖井钢衬方案防渗帷幕渗透梯度较钢筋混凝土衬砌强化方案均有不同程度降低，右岸防渗帷幕渗透梯度值最大减小30%以上，而左岸各剖面防渗帷幕渗透梯度值普遍减小50%以上。左岸C2层间错动带斜切厂房洞群，且距离竖井下部较近，由于其性状差，且竖井下部水头较高，混凝土衬砌开裂难以避免，同时防渗帷幕存在局部失效的可能性，钢筋混凝土衬砌强化方案存在高压水经陡倾结构面绕渗后沿C2层间错动带发生渗透失稳的风险，并且一旦发生渗透失稳则直接危及地下厂房洞室群正常运行；右岸C4、C5层间错动带在竖井中上部出露，承受内水水头90～180m，虽然C4、C5层间错动带承受内水压力不及左岸C2层间错动带高，但采用混凝土置换、灌浆结合截渗洞等工程措施后仍存在一定渗透失稳风险。而钢板衬砌方案则能够有效控制压力管道内水外渗，明显降低高压水沿层间错动带发生渗透失稳的风险，运行安全性大大增加。考虑到白鹤滩工程规模巨大，为最大限度地避免压力管道内水外渗对电站安全稳定运行带来的风险，推荐左、右岸压力管道竖井均采用钢板衬砌方案。
图6 右岸断面4防渗帷幕渗透梯度分布曲线图
5 结语
本文主要针对白鹤滩水电站压力管道的衬砌型式选择进行研究，主要结论如下。
（1）左右岸压力管道布置均满足挪威准则和最小地应力准则，渗透稳定准则是影响白鹤滩水电站压力管道衬砌型式选择的控制性因素。
（2）层间错动带顺层向的渗透系数大于各类岩体及断层渗透系数，对渗流场起到控制性作用。
（3）三维渗流场数值计算分析表明左右岸竖井钢衬方案防渗帷幕渗透梯度较钢筋混凝土衬砌强化方案均有不同程度降低，右岸防渗帷幕渗透梯度值最大减小30%以上，而左岸各剖面防渗帷幕渗透梯度值普遍减小50%以上。
（4）钢板衬砌方案能够有效控制压力管道内水外渗，明显降低高压水沿层间错动带发生渗透失稳的风险，运行安全性大大增加。考虑到白鹤滩工程规模巨大，为最大限度地避免压力管道内水外渗对电站安全稳定运行带来的风险，推荐左右岸压力管道竖井均采用钢板衬砌方案。