一种高压输水隧洞复合衬砌结构

技术领域

本发明属于水利水电工程领域，涉及一种输水管道的衬砌结构，具体涉及一种高压输水隧洞复合衬砌结构。

背景技术

我国水能资源蕴藏量居世界第一，但是水能资源利用率不高，另外水资源分布极不均匀，呈现出南多北少、东多西少、夏多冬少。为了解决水能资源分布不均衡问题，我国建设了大量的压力输水工程和水电站。压力隧洞是输水工程和水电站中最常见的输水建筑物之一，压力隧洞一般在岩石或土体中开挖而成，衬砌结构型式常见包括：混凝土衬砌、钢衬混凝土复合衬砌。其中混凝土衬砌在输水隧洞中应用较多，钢衬混凝土复合衬砌在抽水蓄能电站中应用较多。在实际工程应用中，一方面需要降低内水外渗，从而降低水量损失以及对山体边坡稳定的影响，另外一方面，需要防止山体水透过围岩和混凝土衬砌，作用在钢衬上面，造成钢衬发生失稳导致屈曲破坏。国内外发生压力管道钢衬屈曲破坏的事件非常多，造成的经济损失非常严重。

传统压力隧洞衬砌屈曲失稳破坏过程如下：如图1所示为现有的导水隧洞内衬砌结构，一般是在隧洞围岩1内部浇筑或者喷射混凝土，或安装混凝土管片，形成混凝土层2，然后再在混凝土层2内部贴设薄壁钢管3，由于混凝土层2容易产生裂缝4，造成外水内渗，使得钢管3承受放空期的山体水高外水压力5、此外还要承受围岩变形荷载作用，使得薄壁钢管3在内水放空时，由于山体外水压作用可能导致薄壁钢管3发生屈曲变形破坏，如图2所示，这给抽水蓄能电站的建造以及安全运营造成了很大困扰。

因此，在设计导水钢管时，在考虑为了防止山体滑坡等灾害还需考虑避免内水外渗的结构型式的同时，还需考虑在放空时候的外水压作用下的破坏。为了提高导水隧洞抵抗外水压能力，一方面可以考虑通过加筋高度及间距影响设计增大承受外水压能力；另外一方面通过增加钢管厚度增大承受外压能力，但是相对于内压而言会产生过剩设计，不经济，产生浪费。

因此，需根据实际地质构造及结构力学机理，研发一种经济适用的、可承受高内外水压的、有效避免衬砌受拉开裂产生内水外渗的、适用于抽水蓄能电站的新型自适应导水隧洞衬砌结构型式。从而实现合理承受内外水压的结构设计，动态地将衬砌可承受的内外水压控制在允许范围内，消除放空时的高外水压导致内衬砌钢衬屈曲变形的可能，从根本上解决高内外水压隧洞衬砌结构运行的安全问题，为突破调水工程、水利水电工程行业技术瓶颈、推动行业健康快速发展提供科技支撑。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高压输水隧洞复合衬砌结构，该结构可以承受内外高水压，防止内水外渗以及外水内渗对衬砌结构的破坏，延长高压输水涵洞的使用时间，降低维护维修高压输水涵洞的时间成本和经济成本。

为了实现上述目的，本发明提供一种高压输水隧洞复合衬砌结构包括混凝土衬砌，以及第一防渗涂层和/或第二防渗涂层；

其中，该第一防渗涂层设置于混凝土衬砌的外部，该第二防渗涂层设置于混凝土衬砌的内部。

更进一步地，在该复合衬砌结构内部设置有一降糙层。

更进一步地，当所述高压输水隧洞复合衬砌结构为第一防渗涂层和混凝土衬砌时，进一步在该混凝土衬砌内部设置有一钢衬。

更进一步地，所述钢衬外侧设有复数个倒刺，该倒刺的形状为“L”型、“I”型、“Y”型或“T”型，该倒刺沿着钢衬外侧周向排列，两倒刺间距为50cm-100cm，每周倒刺之间的间距为50cm-100cm。

更进一步地，所述混凝土衬砌设置凸向内部且高度为5～10cm的峰。

更进一步地，在第一防渗层和高压输水隧洞的围岩之间设有一或多条排水通道。

优选地，所述第一防渗层为聚脲、聚氨酯、土工膜或橡胶；所述混凝土为素混凝土或混凝土管片；所述内衬混凝土为素混凝土或钢筋混凝土；所述第二防渗层为聚脲、聚氨酯、碳纤维加固聚脲复合体或碳纤维加固聚氨酯复合体；所述钢筒为：钢衬筒、加劲肋钢筒、PVC管或加筋环钢筒；所述降糙率层为氟碳或有机硅。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种高压输水隧洞复合衬砌结构，该结构通过设计可以承受内外高水压，防止内水外渗以及外水内渗对衬砌结构的破坏，延长高压输水涵洞的使用时间。

附图说明

图1为现有的导水隧洞内衬砌结构的结构示意图。

图2为现有的导水隧洞内衬砌结构受外水压力导致薄壁钢管屈曲变形的示意图。

图3为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第一优选实施例的结构示意图。

图4为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第二优选实施例的结构示意图。

图5为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第三优选实施例的结构示意图。

图6为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第四优选实施例的结构示意图。

图7为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第五优选实施例的结构示意图。

图8为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第六优选实施例的结构示意图。

图9为本发明提供的高压输水隧洞复合衬砌结构的第七优选实施例的结构示意图。

附图标记

1：隧洞围岩；2：混凝土层；3：薄壁钢管；4：裂缝；5：外水压力；6：混凝土衬砌；7：第一防渗涂层；8：第二防渗涂层；9：降糙层；10：钢衬；11：倒刺；12：峰；13：排水通道。

具体实施方式

下面将对本发明的实施例进行详细、完善的描述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一般围岩分类用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示，数字越小的围岩性质越好。Ⅰ类：岩石新鲜完整、构造影响轻微、节理裂隙不发育或稍发育，闭合且延伸不长，无或很少软弱结构面、断层带宽<0.1米，与洞向近正交、岩体呈整体或块状砌体结构。Ⅱ类：岩石新鲜或微风化，受构造影响一般。节理裂隙稍发育或发育。有少量软弱结构面、层间结合差。断层破碎带宽<0.5米、与洞向斜交或正交、岩体呈块状砌体或层状砌体结构。Ⅲ类：岩石微风化或弱风化，受地质构造影响裂隙发育、部分张开充泥。软弱结构面分布较多、断层破碎带<1米，与洞线斜交或平行、岩石呈碎石状镶嵌结构。Ⅳ类：与Ⅲ类同。断裂及软弱结构面较多，断层破碎带<2米，与洞平行，岩体呈碎石状镶嵌结构，局部呈碎石状压碎结构。Ⅴ类：散体：砂层滑坡堆积及碎、卵、砾质土。

以下实施例中所指适用部位指的是Ⅰ类围岩部位，外部围岩状况较好也指外部围岩为Ⅰ类围岩。

本发明提供一种高压输水隧洞复合衬砌结构，包括混凝土衬砌6，以及第一防渗涂层7和/或第二防渗涂层8；其中，该第一防渗涂层7设置于混凝土衬砌6的外部，该第二防渗涂层8设置于混凝土衬砌6的内部。

如图3为该高压输水隧洞复合衬砌结构的第一优选实施例，该复合衬砌结构同时具有第一防渗涂层7和第二防渗涂层8。此时，山体水(外水)被阻隔在第一防渗层7外，而第二防渗层8防止高压输水隧洞中的内水外渗。一般来说，在海拔较低的地方，海拔位置越低、水头越高的地方水压越大，本实施例适合铺设于高压输水隧洞的内水压较大的部位。

如图4为该高压输水隧洞复合衬砌结构的第二优选实施例，该复合衬砌结构仅具有第一防渗涂层7。此时，山体水(外水)被阻隔在第一防渗层7外，本实施例适合铺设于高压输水隧洞的内水压较小的部位。

如图5为该高压输水隧洞复合衬砌结构的第三优选实施例，该复合衬砌结构仅具有第二防渗涂层8。此时，第二防渗层8防止高压输水隧洞中的内充水时防止内水压力过大，撑破混凝土结构。本实施例适合铺设于外部围岩状况较好(如含水较少的Ⅰ类围岩)的部位。

此外，在该高压输水隧洞复合衬砌结构的内部还可铺设一降糙层9，如图6所示，为本发明的第四优选实施例，该第四优选实施例是在第一优选实施例的结构基础上在内部另设有一降糙层9。如果内水压较小的情况下也可以直接在第二优选实施例的混凝土衬砌6的内部设置该降糙层9。如果外部围岩状况较好的情况下，直接在第三优选实施例的内部另设该降糙层9。增加的降糙层可以降低水流与衬砌结构的摩擦，不降低水流速度，从而保障不影响发电。

如图7所示为本发明的高压输水隧洞复合衬砌结构的第五优选实施例，该实施例中复合衬砌结构为第一防渗涂层7和混凝土衬砌6，进一步在该混凝土衬砌6内部设置有一钢衬10。由于山体水被隔离在第一防渗涂层7外面，当内水放空时，外部山体水压作用不到内部钢衬10上，钢衬10不会产生屈曲，也就是说不用加厚内部钢衬10，比较经济性。此外，所述钢衬外侧还可设有复数个倒刺11，该倒刺的形状为“L”型、“I”型、“Y”型或“T”型，本实施例中为“L”型。该倒刺11沿着钢衬10外侧周向排列，两倒刺11间距为50cm-100cm，每周倒刺11之间的间距为50cm-100cm。在浇筑混凝土的时候，将倒刺结构嵌入在混凝土内部，当外部第一防渗涂层7有渗水的情况，则倒刺结构可拉住钢衬，防止其屈曲。由于钢衬自身的降糙作用就很好，因此在设置钢衬的复合衬砌结构中不需要再另行增加降糙层。

如图8所示为本发明的第六优选实施例，其中，混凝土衬砌6设置凸向内部且高度为5～10cm的峰12，而第一防渗涂层7也随混凝土衬砌6变化。峰12用于阻隔水流动，保障其他部位的结构安全。

如图9所示为本发明的第七优选实施例，其中，在第一防渗涂层7和高压输水隧洞的围岩1之间设有一或多条排水通道13。在本实施例中为3条排水通道。当山体水聚积在第一防渗涂层7上时，水通过排水通道13流走，不会长时间聚积在第一防渗涂层7上，减少了水对第一防渗涂层7的压力。

上述实施例中各层采用的原料均可选用市售商品，如所述第一防渗层为聚脲、聚氨酯、土工膜或橡胶；所述混凝土为素混凝土或混凝土管片；所述内衬混凝土为素混凝土或钢筋混凝土；所述第二防渗层为聚脲、聚氨酯、碳纤维加固聚脲复合体或碳纤维加固聚氨酯复合体；所述钢筒为：钢衬筒、加劲肋钢筒、PVC管或加筋环钢筒；所述降糙率层为氟碳或有机硅。

本发明中高压输水隧洞复合衬砌结构的施工方法以第一优选实施例为例：

1)通过TBM或者NATM爆破掘出隧洞，然后在隧洞围岩上打入锚杆加固围岩；

2)以喷涂或粘贴的形式铺设第一防渗涂层，如果第一防渗涂层材质为聚脲或聚氨酯采用喷涂的方式，如果第一防渗涂层材质为是土工膜或橡胶采用粘贴的方式；

3)然后浇筑或者喷射素混凝土，或安装混凝土管片，形成混凝土衬砌；

4)在混凝土衬砌内部以喷涂的形式铺设第二防渗涂层，如果第二防渗涂层材质为聚脲、聚氨酯、碳纤维加固聚脲复合体或碳纤维加固聚氨酯复合体。

如为第二优选实施例的施工方法则省略步骤4)；如为第三优选实施例的施工方法则省略步骤2)，直接将混凝土衬砌材料浇筑或喷射或安装到围岩上；如为第四优选实施例的施工方法则在步骤4)后增加喷涂降糙率层(如氟碳或有机硅)的步骤5)；如为第五优选实施例的施工方法则省略步骤4)和步骤5)，直接在步骤3)后接续步骤6)在混凝土衬砌内部设置有钢衬；如为第六优选实施例的施工方法则在步骤2)前在围岩锚入一圈棒子，使得在步骤2)喷涂或贴附第一防渗涂层时形成向内衬砌层凸起的峰；如为第七优选实施例的施工方法则为在步骤2)之前在围岩上预留一或多个排水通道。

从上述实施例可以看出，本发明提供的一种高压输水隧洞复合衬砌结构，该结构通过设计可以承受内外高水压，防止内水外渗以及外水内渗对衬砌结构的破坏，延长高压输水涵洞的使用时间，从而降低维护或维修高压输水涵洞的时间成本和经济成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。