广州抽水蓄能电站二期工程钢筋混凝土岔管高压渗水的处理及有关问题探讨

第１９卷第６期　２（）（）６年６月　广东电力　ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ　ＥＬＥ（　１ＲＩＣ　ＰｏＷＥＲ　ＶＯ１．１９　ＮＯ　６　Ｊｕｎ．２｛）０６　文章编号：１ｆＪｆＪ７—２９０Ｘ（２｛）｛３６）（　（）（Ｊ３９一（Ｈ　广州抽水蓄能电站二期工程钢筋混凝土岔管高压　渗水的处理及有关问题探讨　刘学山　（广东蓄能发电有限公司，广州５１０６３０）　摘要：广州抽水蓄能电站二期工程（以下简称为广蓄二期）于１９９８年建成，在上游水道首次充水时，位于上游　水道系统的钢筋混凝土岔管上方的排水探洞出现了的高压渗水，最大渗水量达３１．７８　Ｌ／ｓ。水道放空后，采用高　压化学灌浆和回填高压铜筋混凝土岔管上方的排水探洞，对高压渗水进行了成功处理，目前电站已安全运行了　约７年，高岔区的总渗水量一直稳定在２．３　Ｌ／ｓ。　关键词：广蓄二期；钢筋混凝土岔管；限裂设计；最小主应力；追踪劈裂；临界水力梯度　中图分类号：ＴＶ７４３　文献标识码：Ｂ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ＨＰ　ｌｅａｋａｇｅ　ｉｎ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｎｉｆｏｌｄ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｐｈａｓｅ—Ｈ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ　ＬＩＵ　Ｘｕｅ—ｓｈａｎ　（Ｏｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｃｏ．。Ｌｔｄ．．Ｏｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６３｛）．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ—ｓｔａｇｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｉｎ　１　９９８．Ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｗａｔｅｒ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｔｕｎｎｅ１．ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｏｃａｔｅｄ　ａｂｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｎｉｆｏｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｙｓｔｅｍ・ｍａｘｉｍａｌ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｒｅａｃｈｉｎｇ　３　１．７８　Ｌ／ｓ．Ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｗａｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＨＰ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｆｔｅｒ　ｅｍｐｔｙｉｎｇ．Ｎｏｗ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓａｆｅｌｙ　ｆｏｒ　ａｂｏｕｔ　ｓｅｖｅｎ　ｙｅａｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｒａｔｅ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｍａｎｉｆｏｌｄ　ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ　ａｔ　２．３　Ｌ／ｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｈａｓｅ一Ⅱｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｎｉｆｏｌｄ；ｃｒａｃｋ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｍｉｎｉｍａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｓｔｒｅｓｓ；ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｌｅａｖａｇｅ；ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　广州抽水蓄能电站二期（以下简称为广蓄二期）　装机容量为４×３００　ＭＷ，采用一洞四机布置。上　库正常蓄水位标高８１６．８　ｍ，下库正常蓄水位标高　２８７．４　ｍ，上、下库水头差为５３０　Ｉｒｌ。上游水道由　及相应的排水孔组成，见图２。　上游水道系统于１９９８年首次充水至上库水位　且稳压约１６　ｈ后，在高岔上方、距高岔垂直距离　约３５　ｍ的南支洞０＋１２５　ｍ桩号和东支洞０＋６６　ｍ　桩号附近（图１、图２）的洞壁上，出现了喷射状高　压渗水，直到充水结束后的第４天才趋于稳定。此　上库进一出水口、上平洞、上游调压井、上斜井、　中平洞、下斜井、下平洞、高压钢筋混凝土岔管　（以下简称高岔）、引水钢支管构成。高岔中心线高　程为２０５　ｍ，最大静水头将近６１０　ｍ，主岔管的四　个岔支管口连接四条长约１５０　ｍ的引水钢支管，　进入地下厂房后连到四台机组的蜗壳，见图１。地　时渗水最严重的部位集中在南支洞的０＋１２５　ｍ桩　号和０＋９０　ｍ至０＋９６　ｍ桩号段，总渗水量达到　３１．７８　Ｌ／ｓ。　稳压１３　ｄ后，排空上游水道进行全面检查发　下厂房的排水系统由厂房四周的上、下层排水廊道　和高岔区上方２４０　ｍ高程勘探平洞、１号排水洞以　收稿日期：２００６—０２一（）７　现：高岔混凝土衬体有４２条裂缝、均有外水返渗，　以８号引支弯管段和７号岔主管段最为严重。其中　有２０条裂缝是充水前就存在的，充水后裂缝宽度　维普资讯 http://www.cqvip.com

广东电力　第１９卷　图１　２４０　ｍ高程排水探洞平切示意图　高压钢筋混凝｛：岔管　图２二期南支洞纵剖面示意图　明显加宽；另外２２条是充水后产生的。　分析认为，高岔衬体开裂是南、东支洞大量渗水　的主要原因。决定进行两方面的处理：一方面对高岔　进行系统高压化学灌浆，在南支洞内对重点怀疑的地　段和Ｐ４渗压计孑Ｌ进行磨细水泥灌浆和化学灌浆；另　一方面，对１号排水廊道以南的地质探洞进行混凝土　回填，见图２。处理工作结束后，上游水道已安全运　行近７年，高岔区的总渗水量一直稳定在２．３　Ｌ／ｓ，　区内的渗压计读数也保持了良好的稳定状态。　二期高岔在首次充水后，为何会出现如此规模　的裂缝和渗漏？已实施的处理措施能否保证高岔的　长期安全运行？这是本文想讨论的重点。　１衬体开裂和渗漏的形成　１．１一、二期高岔均采用“限裂设计理论”设计，　充水后。衬体开裂的规模完全不一样　二期高岔是在一期高岔的基础上进行优化设计　的。两条岔管均采用“限裂设计理论”，几何尺寸、　布置方式基本一致。　一期高岔衬体裂缝宽度小于０．２　ｍｍ。在一期　水道放空后进行对比检查，发现充水前、后衬体的　裂缝没有明显变化，渗水裂缝极少。　二期高岔充水前衬砌有２（）条细微裂缝，形状　不规则，宽度小于０．１　ｍｍ。在二期水道放空后进　行对比检查，裂缝增至４２条，裂缝宽度一般为　０．５～１　ｍｍ，个别裂缝宽达２　ｍｍ，水道放空后大　部分裂缝都呈张开状况，有外水返渗，７号岔到８　号引支弯管段的裂缝，渗水呈喷射状。由此可见，　二期高岔衬砌开裂的规模大于一期。　１．２　ＮＷ向微张构造是高岔内水外渗的主要排泄　通道　二期高岔区围岩属微风化至新鲜中粗粒黑云母　花岗岩，单轴饱和抗压强度高，质量好。但高岔区　发育一组北西（ＮＷ）向微张性节理，由于几乎不含　蚀变岩，透水性较好，８号引支弯管段开挖成洞　后，有些岩石节理面长年有渗水。水道充水时，　南、东支洞及１号排水洞西端渗水的裂隙均为Ｎｗ　向构造；１号排水洞东段也有Ｎｗ向构造发育，向　高岔部位伸延时已避开岔管（图１），充水至今并无　任何渗漏。由此可见，Ｎｗ向微张构造是岔管内水　外渗的排泄通道。　但原状的未扰动的Ｎｗ向微张构造在充水之　前，仍然是一种不甚通畅的排泄通道，需要有足够　的渗水压力将它追踪劈裂、冲淘清洗，才会变成通　畅的排泄通道。劈裂这组构造所需的渗透压力取决　于这组构造的特征，并不一定符合“最小主应力准　则”。　１．３劈裂ＮＷ向构造所需渗透压力小于最小主　Ｊ壶力　二期高岔区的地应力以自重应力为主，最小主　应力为６．８　ＭＰａ。地应力值主要是采用水力劈裂法　求得，劈裂围岩所需的渗透压力应小于最小主应力　值。因为，一方面用水力劈裂法测地应力时，一般　都选在完整的岩体试段，以排除节理裂隙ｘ，ｔＮ试结　果的干扰，实际上对有节理裂隙的岩体进行劈裂，　所需的渗透压力小于地应力测试时劈裂完整岩体的　劈裂应力；另一方面高岔的ＮＷ向构造是微张透　水构造，不是单独的一条，而是相互平行的一组构　造，其中一条或某几条ＮＷ向构造发生劈裂时，　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　刘学山：广州抽水蓄能电站二期Ｔ程钢筋混凝土岔管高　渗水的处理及有关问题探讨　未被劈裂的其它张性ＮＷ向裂缝将被　压缩，并不受最小主应力的控制。Ｌ六Ｊ　此，相对而言，劈裂成组产出的张性　构造的渗透压力又低于劈裂单条产　的张性构造所需的压力。　从上述分析可以看出，劈裂高岔　区的Ｎｗ向构造所需的渗透压力应小　ｊ　于最小主应力值，这种劈裂压力主要　受构造所在区岩体特性的影响，如张　性裂隙的发育频率、宽度以及岩石的　物理力学特性指标。　时间　图３上游水道充水过程曲线　１　Ｌ游水道水位；２一渗Ｊ＿匠计Ｐ４的渎数；３一渗压计Ｐ５的读数　４～渗雁汁Ｐｆｌ的凄数：５渗压计　的读数　局部劈裂并不可怕，可怕的是构　造被追踪劈裂、并一直劈通。限裂设计的假设条件　之一是内水压力小于最小主应力，按照“最小主应　供了足够的势能将ＮＷ向张性构造追踪劈裂，使　得ＮＷ向张性构造成为通畅的排泄通道。　力准则”，在内水压力作用下不会形成较深的劈裂。　但在６．１　ＭＰａ的水压力作用下，二期高岔的这组　ＮＷ向张性构造完全有可能形成较深的劈裂，如果　此时的渗水压力具备一种足够的能量将它追踪劈　裂、冲淘清洗，它就会成为通畅的渗水道。　衡量这种追踪劈裂能力大小的指标是渗压强　在类似广蓄二期岔管这种有成组张性构造发育　的高压水道设计方面，水力梯度控制在多大为宜，　目前尚无固定公式可循，只能通过构造分析和现场　试验来确定。但从上述分析可以看出，二期岔管最　大水力梯度至少应小于临界水力梯度１３．３，并且　还应留有足够的安全余度。如果安全系数按１．５～　度．即作用在单位长度岩体上的渗透压力。当渗流　场已经存在时，渗压强度的大小取决于内水压力、　渗流水力损失和水力梯度；而当内水压力一定时，　对于特定的裂隙，由于开度一定，流速　一定。　２一）考虑，水力梯度采用６．６～８．８较为合适。　２处理措施　２．１　高岔内进行化学灌浆，尽可能堵塞渗水通道，　增加渗流阻力，加固围岩松动圉　渗流水力损失（与ｖ！成正比）也就是一个常数。因　此，控制上述追踪劈裂能力大小的关键指标是水力　梯度，梯度越大则追踪劈裂能力越强。　１．４过大的水力梯度是导致高岔出现大量渗漏的　根本原因　在高岔内，利用原来的水泥灌浆孔进行高压化　学灌浆。化学灌浆材料为改性环氧高分子材料，灌　浆压力５　ＭＰａ，总灌浆孔９８个，总耗浆２４．４　ｔ，　平均单耗５０　ｋｇ／ｍ，最大单孔耗浆量２．４　ｔ。大面　积化学灌浆既可以修复衬体的裂缝，又可以尽可能　渗压计Ｐ４和Ｐ５埋设在高岔附近，渗压计　埋设在ＮＷ向构造Ｆ４０断层上（图１）。首次充水过　多地封堵衬体后围岩中被高压水劈裂和冲蚀出的透　水通道、增大渗流阻力，同时还起到了加固围岩松　程中，当水道水位接近标高７（）（）ｍ（内水压力近５．（）　ＭＰａ）时，渗压计Ｐ４，Ｐ５和Ｐ６的读数出现拐点，　压力直线上升，见图３。说明此时ＮＷ向构造已发　生较深的劈裂，即追踪劈裂，使之产生追踪劈裂的　“临界内水压力”，约为５．０　ＭＰａ，相应的水力梯度　动圈、提高围岩抗力的作用。　２．２回填高岔上方排水探洞，降低水力梯度，将　渗水封闭在山体内　二期高岔出现大量渗漏的根本原因是高岔至上　方排水探洞之问的水力梯度过大。要想从根本上解　决裂缝和渗漏问题，确保在日后的运行中衬砌不再　产生新的裂缝，则必须降低排水探洞至高岔之间岩　体的水力梯度。将位于１号排水廊道以南的所有排　水探洞（见图１、图２）用混凝土进行回填封堵、预　埋管回填灌浆。同时，为了在水道排空时能迅速释　为１３．３，定义为“临界水力梯度”。　一期高岔至一期排水洞的水力梯度为５．２２，　充水后排水洞渗水量很小；二期引支钢管长度为　１５０　ｍ，厂房至高岔之问的水力梯度为４．１，充水　后厂房边墙渗水量很小。二期高岔至上方排水探洞　之间的水力梯度为１６．４３，是一期的３．０倍，它提　维普资讯 http://www.cqvip.com

广东电力　第１９卷　放外水压力，对三条支洞中曾经出现大量渗漏的地　质构造部位埋设排水管，引至堵头部位。这三条排　水管只有在上游水道排水放空时才处于打开状态。　积封堵了约３／４以外，还将渗出高岔的水体封闭在　山体内，同时还降低了高岔至排水洞岩体的水力梯　度，增强了衬砌外围岩抗水力劈裂的能力。　３．３高岔的长期安全运行有保障　另外，１号排水廊道西端上游洞壁也曾　现过喷　水，因此用３０　ｃｍ厚的钢筋混凝土墙辅以锚杆支护　覆盖，之后进行水泥和化学灌浆。　从渗漏量来讲，打开三条支洞排水管时，高岔　总渗水量稳定在６．８　Ｌ／ｓ；关闭三条支洞排水管　时，总渗水量仅２．３　Ｌ／ｓ，并且很稳定。从渗压计　来讲，所有渗压计压力均已稳定，Ｆ４０断层的Ｐ６　渗压计水头大幅下降后也已处于稳定状态。从水力　梯度看，高岔至排水洞的水力梯度小于临界水力梯　度，安全系数为１．３。　以上分析可以看出，高岔区围岩没有继续开　裂，相反，已劈裂的裂缝在平压后也已回弹变小，　水道系统长期安全运行是可以保证的。建议在正常　运行期关闭三条排水管的阀门，只有在水道排空之　前才打开，提前释放外水压力。　上述处理之后，１号排水廊道成了岔管最近的　排水廊道，其最大水力梯度为１０．６，小于临界水　力梯度１３．３，安全系数为１．３。在三条排水管处于　关闭状态时，高岔区总渗漏量最高升到２．８　Ｌ／ｓ，　然后缓慢回落，最终至２．３　Ｌ／ｓ稳定。　３几点想说明的问题　３．１高岔裂缝的性质　按限裂设计理论，衬砌允许开裂，内水压力主　要由围岩承担，内水外渗主要通过对围岩进行灌浆　解决。衬砌本身的作用是降低糙率，与围岩共同承　担外水压力，以及起到“灌浆盖板”的作用。因　此，高岔衬砌开裂，并不是坏事，它能释放外水压　力，只要不导致衬砌失稳就能接受。高岔成功与否　的关键是衬砌外的围岩。　４结论　广蓄二期钢筋混凝土岔管开裂和大量高压内水　外渗的根本原因是高岔至上方排水探洞的水力梯度　过大；水道放空后，对高岔进行高压化学灌浆和回　填高岔上方排水探洞的处理措施是有效的、必要　的；处理后的钢筋混凝土岔管的长期安全运行是有　保障的。　致谢：笔者在处理广蓄二期水道钢筋混凝土岔管的　高压渗水问题以及在本文编写过程中，得到了中国　工程院罗绍基院士、中国水电科学研究院张有天教　授、享受国务院津贴的专家叶冀升教授级高级工程　师、中南勘测设计研究院关沛文教授级高级工程师　等专家的指导，在此表示感谢。　作者简介：刘学山（１９６４一），男，湖南岳阳人．工程地质高级工　程师．工学学士．目前负责广东惠州抽水蓄能电站工程建设技术　管理工作．（电子信箱）ｌｉｕｘｕｅｓｈａｎ＠ｇｄ－ｇｐｓｃ．ｃｏｍ。　由于二期高岔至上方排水探洞水力梯度过大，　围岩无法承受过大的渗透压力，导致了沿ＮＷ向　构造的追踪劈裂和大量内水外渗，高压内水外渗，　除了冲蚀构造充填物外，还进一步扩宽衬体的裂　缝，形成恶性循环。　３．２两种处理措施都是必要的　在高岔内采用化学灌浆，与水泥灌浆的本质区　别在于化学浆体的扩散性渗透性能好，化学灌浆固　化后成为一种准弹性材料，耐劈裂强度高、粘附力　大，化学灌浆能修复已开裂的衬砌和加固围岩松动　圈，封堵在首次充水时被高压水劈裂的渗水通道，　最大限度地阻止高压内水外渗。　封堵岔管上方的排水探洞，除了把渗流出口面　（上接第４页）　Ｅ２３李维波．毛承雄．李启炎．等神光Ⅲ强激光能源模块测量线　圈研究【Ｊ］中国电机丁程学报．２００３．２３（５）：５３—５７　Ｅ４］钟麟．王峰．ＭＡＴＬＡＢ仿真技术与应用教程［Ｍ］北京：国　防＿［业　版社．２（）０４　Ｅ３３　ＬＩ　Ｗｅｉ－ｂｏ．ＭＡＯ　Ｃｈｅｎｇ—ｘｉｏｎｇ．ＬＵ　Ｊｉ－ｍｉｎｇ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｐｕｌｓｅｄ　ｈｅａｖｙ　作者简介：倪忠林（１９５６一），男。江苏南京人．电气助理工程师．　主要从事输变电Ｚ－程和高电压技术Ｚ－作；刘艳村（１９７４一）．女－　ｃｕｒｒｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．２００５．５４（１）：２８４—２８８　河南信阳人，电气工程师．工学博士．从事电能质量管理和电力　设备运行监督维护Ｚ－作．（电子信箱）ｙａｎｃｕｎ—ｌｉｕ＠１６３　ｃｏｍ。