高重視高水頭鋼筋混凝土壓力管道風(fēng)險(xiǎn)簡(jiǎn)化PPT課件

1、提綱提綱（一）鋼筋混凝土高壓管道事故情況簡(jiǎn)介（二）高水頭鋼筋混凝土高壓管道風(fēng)險(xiǎn)分析（三）鋼筋混凝土高壓管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的討論 （四） 需澄清的幾個(gè)概念第1頁/共34頁(一)鋼筋混凝土高壓管道事故情況簡(jiǎn)介1 GZ抽水蓄能電站排水廊道上游邊墻裂隙噴水,滲水量32L/s廣蓄二期岔、支管、廠房系統(tǒng)沿南北向勘探支洞剖面第2頁/共34頁2 THP抽水蓄能電站初期初期充水充水滲漏集中在PD15探洞下平段6#施工支洞斜段中部7#施工支洞的堵頭運(yùn)行期運(yùn)行期鋼支管頂部A1廊道排水孔突發(fā)涌水7#施工支洞下岔2#堵頭頂部突發(fā)涌水6#施工支洞涌水第3頁/共34頁3 HZ抽水蓄能電站最大滲漏量 230L/s (724萬m3/

2、a), PD01探洞 f304 斷層出現(xiàn)涌水第4頁/共34頁4 BQ抽水蓄能電站滲漏量 310 L/s(978萬m3/a) 集中在上斜段上下古風(fēng)化殼，及石英砂巖第5頁/共34頁1號(hào)高壓管道首次充水時(shí)滲漏量與水位關(guān)系圖第6頁/共34頁5 美國(guó)赫爾姆斯抽水蓄能電站壓力隧洞典型剖面圖通過斷層進(jìn)入地下廠房的滲漏量穩(wěn)定在 129L/s(407萬m3/a)第7頁/共34頁6 美國(guó)巴斯康蒂抽水蓄能電站初期最大滲漏量486 L/s(1530萬m3/a) 13.5 m長(zhǎng)鋼管屈曲破壞第8頁/共34頁巴斯康蒂抽水蓄能電站高壓鋼管排水廊道布置圖第9頁/共34頁7 法國(guó)蒙特齊克抽水蓄能電站運(yùn)行一年后，斷層張裂，地下廠房

3、交通洞等處出現(xiàn)大量滲漏第10頁/共34頁(二) 高水頭鋼筋混凝土高壓管道風(fēng)險(xiǎn)分析 600m以上高水頭鋼筋混凝土壓力管道風(fēng)險(xiǎn)增加第11頁/共34頁第12頁/共34頁高壓管道高壓壓水試驗(yàn)臨界壓力表1234電站電站最小埋深最小埋深臨界壓力臨界壓力臨界壓力臨界壓力比值比值臨界壓力臨界壓力比值比值臨界壓力臨界壓力比值比值設(shè)計(jì)最小設(shè)計(jì)最小地應(yīng)力地應(yīng)力m m(MPa(MPa）(MPa(MPa）(%)(%)(MPa(MPa）(%)(%)(MPa(MPa）(%)(%)(MPa(MPa）完整巖體完整巖體發(fā)育隱裂隙的巖體發(fā)育隱裂隙的巖體貫穿型閉合裂隙貫穿型閉合裂隙發(fā)育張性裂隙（含裂隙型斷發(fā)育張性裂隙（含裂隙型斷層）

4、層）文登文登4204209 98.58.594946 6673 3338.78.7完整巖體完整巖體有微小閉合裂隙發(fā)育巖體有微小閉合裂隙發(fā)育巖體張性裂隙發(fā)育巖體張性裂隙發(fā)育巖體板橋峪板橋峪460460101012126 69 960753.93.9396 6天荒坪天荒坪33033010.210.29.29.26.26.27.67.68.28.2裂隙巖體裂隙巖體斷層巖體斷層巖體黑糜峰黑糜峰2152154.54.52 22.52.54.474.47RQDRQD值均達(dá)值均達(dá)90%90%以上以上巖脈與圍巖多呈裂隙式接觸，巖脈與圍巖多呈裂隙式接觸，巖脈與圍巖多呈裂隙式接觸，巖脈與圍巖多呈裂隙式接觸，RQD

5、=53%,30%RQD=53%,30%仙居仙居4604607.57.56 680804.54.5603 3407.257.25巖石較完整的部位巖石較完整的部位, ,原生裂原生裂隙膠結(jié)良好隙膠結(jié)良好, ,裂隙閉合緊密裂隙閉合緊密裂隙較發(fā)育或斷層部位裂隙較發(fā)育或斷層部位, ,處處于張裂狀態(tài)于張裂狀態(tài)回龍回龍2402406 62 23 3一般一般泰安泰安2602603 34 45.025.02第13頁/共34頁綜合考慮工程投資與補(bǔ)修費(fèi)用綜合考慮工程投資與補(bǔ)修費(fèi)用 巴斯康蒂 1985年用半年時(shí)間進(jìn)行了大量高壓固結(jié)灌漿，共鉆孔萬個(gè)，總長(zhǎng)萬m，灌入水泥2550 m3。第二年又化大量時(shí)間增加開挖約490 m

6、的排水廊道，及萬 m的排水孔。 蒙特齊克 化學(xué)灌漿處理，停機(jī)達(dá)5個(gè)月。 THP 前后三次放空處理，造成全廠停機(jī)累計(jì)約2月余，經(jīng)濟(jì)損失巨大。 HZ 共停機(jī)2月10天。僅f304斷層就灌注1816 t水泥。 BQ 初擬處理方案工期就長(zhǎng)達(dá)12年，費(fèi)用估計(jì)需幾千萬，甚至上億元。第14頁/共34頁灌漿的可靠性和耐久性灌漿的可靠性和耐久性 DL/T5195-2004規(guī)定 “上述規(guī)定不能滿足時(shí),應(yīng)采取工程措施?！?？ SL279-2002 考慮到、類圍巖洞段即使采用高代價(jià)的工程處理措施，也可能由于施工原因留有隱患，故規(guī)定“、類圍巖中不得布置鋼筋混凝土岔管”。 BQ上、下古風(fēng)化殼這樣的類圍巖用灌漿處理費(fèi)時(shí)費(fèi)錢

7、費(fèi)力，效果還難以保證。第15頁/共34頁灌漿的可靠性和耐久性 巴斯康蒂 高壓固結(jié)灌漿萬m，萬 m排水孔，7年之后，滲漏量下降不足1/3。 GZ 5年后，外水內(nèi)滲現(xiàn)象明顯比第一次放空檢查時(shí)嚴(yán)重，化學(xué)灌漿遭到了破壞。 THP 3 年運(yùn)行， f810斷層又被擊穿， BQ 上、下古風(fēng)化殼，8m深固結(jié)灌漿，深2636m帷幕灌漿，僅帷幕灌漿就耗用水泥115t。但充水后滲漏量仍很大，水泥灌漿減少滲漏量的效果不明顯。第16頁/共34頁(三)鋼筋混凝土高壓的討論1水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范 DL/T 5195-2004SL 279-2002 挪威準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)挪威準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 岔洞應(yīng)設(shè)置在岔洞應(yīng)設(shè)置在、類不透類不透水或

8、微透水的巖體中水或微透水的巖體中 (水力梯度小于允許值水力梯度小于允許值) 岔洞最小初始地應(yīng)力應(yīng)大于岔洞最小初始地應(yīng)力應(yīng)大于洞內(nèi)的靜水壓力，并宜進(jìn)行洞內(nèi)的靜水壓力，并宜進(jìn)行水力致裂試驗(yàn)水力致裂試驗(yàn) 挪威準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)挪威準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 當(dāng)圍巖較完整無不利結(jié)構(gòu)面，當(dāng)圍巖較完整無不利結(jié)構(gòu)面，可按不小于倍內(nèi)水壓力水頭可按不小于倍內(nèi)水壓力水頭控制控制 岔管宜布置在岔管宜布置在、類圍巖類圍巖地段。地段。類圍巖地段需經(jīng)論類圍巖地段需經(jīng)論證后方可布置鋼筋混凝土岔證后方可布置鋼筋混凝土岔管。管。、類圍巖地段不得類圍巖地段不得布置鋼筋混凝土岔管。布置鋼筋混凝土岔管。 岔管必須滿足最小覆蓋厚度、岔管必須滿足最小覆

9、蓋厚度、水力劈裂、滲透穩(wěn)定的要求。水力劈裂、滲透穩(wěn)定的要求。施工中應(yīng)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)驗(yàn)施工中應(yīng)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)驗(yàn)第17頁/共34頁(1)抗抬準(zhǔn)則_挪威準(zhǔn)則的工程檢驗(yàn) 奧地利Fisher工程(47A)，位于沉積巖和粗玄巖中，最大靜水頭360m，覆蓋比。第18頁/共34頁(RCRMcos)為巖柱重量在垂直于坡面方向的分力。當(dāng)坡度較大，例如=40左右， 3/ (RCRMcos)接近，反映出初始地應(yīng)力為自重應(yīng)力場(chǎng)坡度較陡時(shí)，垂直于坡面方向的應(yīng)力往往即最小主應(yīng)力。地表坡度較緩時(shí)(RCRMcos)為垂直應(yīng)力v，最小主應(yīng)力為水平應(yīng)力,自重應(yīng)力場(chǎng)時(shí)： 3 =h=(/(1-) v =(0.250.33) v 第19頁/

10、共34頁挪威準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)系數(shù)較合適3/(RCRM的工程較多，在滿足挪威準(zhǔn)則條件下，即(RCRMcos)/( w hs)=1時(shí)，必須有的富裕度，才剛剛能滿足3= w hs的最小主應(yīng)力條件第20頁/共34頁 最小主應(yīng)力準(zhǔn)則最小主應(yīng)力準(zhǔn)則源于水力劈裂準(zhǔn)則水力劈裂準(zhǔn)則： n whs因?yàn)榱严懂a(chǎn)狀是隨機(jī)的,不可能獲得高壓水道全線、產(chǎn)狀各不相同的全部節(jié)理裂隙的 n值，水力劈裂準(zhǔn)則在實(shí)際中無法操作。 最小主應(yīng)力準(zhǔn)則： 3 F1whs 第21頁/共34頁7)安全系數(shù)討論 F1時(shí)，出現(xiàn)水力劈裂，引起嚴(yán)重滲漏的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。從安全出發(fā)，F(xiàn)1較適宜 最小主應(yīng)力準(zhǔn)則中涉及的因素較多，不確定性較大。 F1取值也要考慮最小主應(yīng)

11、力如何確定。 高水頭鋼筋混凝土壓力管道進(jìn)行巖體高壓滲透試驗(yàn)，可直接測(cè)定鉆孔中裂隙張開所需內(nèi)水壓力，較直觀地判斷是否滿足水力劈裂準(zhǔn)則第22頁/共34頁第23頁/共34頁(3)圍巖滲透準(zhǔn)則 1)滲透性要求透水率q -滲漏量 影響到電站的效率 -影響有限 寶泉電站滲漏量高達(dá)310L/s，能源轉(zhuǎn)化效率降低僅0.3%0.5% 山體滑坡：奧地利Fisher、加拿大Whatshan等工程 補(bǔ)水：北方干旱地區(qū)，補(bǔ)水往往成為控制性因素 呼和浩特抽水蓄能電站下庫(kù)控制流域面積633km2，年均徑流量2120萬m3，扣除下游供水需要，年均可供電站補(bǔ)水量只有556萬m3。采用鋼筋混凝土壓力管道，電站年蒸發(fā)滲漏損失高達(dá)8

12、30萬m3，補(bǔ)水量難以滿足要求。最終選定壓力鋼管 大量滲水涌入廠房：挪威Daja工程第24頁/共34頁2)滲透穩(wěn)定性-不確定性 在高壓(例如600m以上)滲流水的長(zhǎng)期作用下，如何才能滿足“圍巖裂隙、節(jié)理或巖脈中的充填物不被沖蝕，在滲流水作用下不產(chǎn)生溶出性侵蝕”的要求？ “水力梯度小于允許值”，此允許值為多少？ 為避免滲透破壞，都以圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定滲透水力梯度作為控制標(biāo)準(zhǔn)，第25頁/共34頁 高壓壓水試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)孔和測(cè)試孔之間的巖體產(chǎn)生水力劈裂，導(dǎo)致滲透壓根據(jù)試驗(yàn)孔和測(cè)試孔之間的巖體產(chǎn)生水力劈裂，導(dǎo)致滲透壓力孔內(nèi)流量和壓力突然加大的現(xiàn)象來判斷滲透破壞時(shí)的水力力孔內(nèi)流量和壓力突然加大的現(xiàn)象來判斷滲透破

13、壞時(shí)的水力梯度梯度 THP 1 # 孔孔2034.6m 段巖體的平均極限水力坡降為段巖體的平均極限水力坡降為 26 4150m 段的極限水力坡降段的極限水力坡降為為 32 建議：水力梯度建議：水力梯度 1520 HMF 滲透破壞水力坡滲透破壞水力坡降達(dá)降達(dá) 109第26頁/共34頁總結(jié)工程滲透破壞實(shí)例l GZ 排水廊道壁巖體出現(xiàn)射水現(xiàn)象，臨界水力梯度約為 l HZ f304斷層嚴(yán)重?fù)p漏，水力梯度小于 建議：水力梯度 810 l THP 1#管初次充水PD15探洞內(nèi)沿煌斑巖脈X512滲漏水呈噴射狀,水力坡降約 l 巴斯康蒂 兩洞間水頭差僅43m，沿一組垂直管道軸線的張性節(jié)理滲漏，按主管計(jì)，水力坡

14、降為。按支管計(jì)，水力坡降 第27頁/共34頁上述兩種觀點(diǎn)似乎有差異，其實(shí)并不矛盾 只是分別代表不同的巖體條件初步建議：水力梯度 1520水力梯度 810水力梯度 35 甚至更小完整巖石節(jié)理裂隙閉合的巖體張性節(jié)理裂隙密集帶和斷層破碎帶第28頁/共34頁 (4) 圍巖條件 圍巖滲漏準(zhǔn)則是保證不發(fā)生滲透失穩(wěn)，最小主應(yīng)力準(zhǔn)則就是保證不發(fā)生水力劈裂 上述條件僅是采用鋼筋混凝土襯砌的必要條件， 非充分條件內(nèi)水壓力遠(yuǎn)小于最小地應(yīng)力(滿足最小主應(yīng)力準(zhǔn)則)就開始滲漏 BQ 水位剛淹沒下古風(fēng)化殼滲漏量就開始增加 巴斯康蒂 水頭差僅43m時(shí)，鄰管就出現(xiàn)滲水第29頁/共34頁SL279-2002高壓鋼筋混凝土岔管宜布

15、置在： 、類圍巖地段 類圍巖地段需經(jīng)論證后方可布置 、類圍巖地段不得布置鋼筋混凝土岔管條文說明 、類圍巖洞段 即使采用高代價(jià)的工程處理措施，也可能由于施工原因留有隱患，故不得布置鋼筋混凝土岔管第30頁/共34頁(四) 需澄清的幾個(gè)概念 鋼筋混凝土岔管后緊接著鋼支管， 需兼顧鋼筋混凝土岔管防滲 和降低鋼支管外水壓力的需要 GZ 為了減少鋼支管的外水壓力，將鋼支管上方的排水廊道高程由303m降低至240m (設(shè)計(jì)外水壓力由362m降低至225m) ， 忽略了岔管至排水廊道的距離相應(yīng)減小，因水力梯度過大，導(dǎo)致巖體水力劈裂 (1)防滲與降低外水壓力需統(tǒng)籌兼顧第31頁/共34頁巴斯康蒂抽水蓄能電站HZ抽水蓄能電站抽水蓄能電站 開始只考慮鋼筋混凝土岔開始只考慮鋼筋混凝土岔管防滲，進(jìn)行大量固結(jié)灌漿，管防滲，進(jìn)行大量固結(jié)灌漿，而忘記了鋼支管外水壓力的而忘記了鋼支管外水壓力的增加增加 又補(bǔ)加排水廊道和排水孔，又補(bǔ)加排水廊道和排水孔，甚至打水平排水孔至岔管頂甚至打水平排水孔至岔管頂上，控制了外水壓力，又增上，控制了外水壓力，又增加了滲漏量，及滲透破壞的加了滲漏量，及滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn) 必須必須統(tǒng)籌兼顧統(tǒng)籌兼顧 f304斷層的嚴(yán)重滲漏，就與斷層的嚴(yán)