一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构的制作方法

本实用新型属于水利水电领域，涉及一种输水隧洞衬砌结构，具体涉及一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构。

背景技术：

随着我国的经济社会发展，用电需求和用电峰谷差持续加强，用户对供电质量要求不断提高，随机性、间歇性新能源大规模开发以及事故备用及调相等需求加大，对水电站的发展提出了更高要求。近些年，抽水蓄能电站作为灵活性较高的发电站，既具备常规发电站的调峰、调相和备用的功能，同时又能把低成本的电能，转换为高收益的峰荷电能，从而达到能源的有效利用。

水力发电的机理是通过隧洞管道把大坝储水引导至发电机，如图1所示，将势能转化为动能再转化为电能，通常这种隧洞具有高内外水压的特点。特别是在抽水蓄能发电站工程中，运行水头已经从500m已发展至800m甚至更高，高内外水压导水隧洞作为抽水蓄能电站的关键性控制“咽喉”工程，其安全运行关乎整个工程建设乃至周边人民生命财产安全。导水隧洞一般是在隧洞内部贴设薄壁钢管，该钢管不仅需承受充水期的高内水压力、和放空期的山体水高外水压力、以及围岩变形荷载作用等。目前，传统薄壁钢管在内水放空时，由于山体外水压作用可能导致薄壁钢管发生屈曲变形破坏，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，在考虑内水压力的同时还需考虑在放空时候的外水压作用下的破坏，并且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。为了提高导水隧洞抵抗外水压能力的方法，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新型抽水蓄能电站导水隧洞的衬砌结构型式，实现合理承受内外水压的结构设计，将衬砌可能承受的过高内外水压严格控制在允许范围内，避免衬砌受拉开裂产生内水外渗的风险，同时消除放空期高外水压导致衬砌屈曲变形失稳的隐患，从根本上解决高内外水压隧洞衬砌结构运行的安全问题，为突破抽水蓄能电站行业技术瓶颈、推动行业健康快速发展提供科技支撑。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，该输水隧洞衬砌结构将衬砌可能承受的过高内外水压严格控制在允许范围内，避免衬砌受拉开裂产生内水外渗的风险，同时消除放空期高外水压导致衬砌屈曲变形失稳的隐患，从根本上解决高内外水压隧洞衬砌结构运行的安全问题。

本实用新型的另一目的在于提供一种上述可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构的施工方法。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，包括外衬砌层和内衬砌层，该内衬砌层由第一内衬、高强传力透水格栅和第二内衬构成；

其中，该外衬砌层设置于输水隧洞内壁；

该外衬砌层的内壁设置该第一内衬，并在该外衬砌层和该第一内衬之间灌浆，形成一灌浆层，该灌浆层与外衬砌层形成一体化外衬层；

在该第一内衬内壁设置该高强传力透水格栅；

在该高强传力透水格栅内壁设置第二内衬。

优选地，所述外衬砌层为混凝土或混凝土管片。

优选地，所述第一内衬为钢衬筒、加劲肋钢筒、pvc管、加筋环钢筒或碳纤维复合钢筒。

优选地，所述第二内衬为素混凝土、预应力混凝土、钢筋混凝土、或混凝土管片。

优选地，所述高强传力透水格栅为玻璃钢格栅、或高强钢塑土工格栅。

优选地，所述第二内衬穿设复数个水阀。

优选地，该第二内衬的内壁设有一降糙率涂层，在该第二内衬和该降糙率涂层穿设复数个水阀，该降糙率涂层为有机硅涂层或氟碳漆涂料。

优选地，所述第二内衬内壁设有一防渗涂层，所述防渗涂层为聚脲弹性体涂层。

本实用新型的特点在于：

本实用新型在第一内衬安装后，在外衬砌层与第一内衬之间灌浆，使得将外衬砌层与灌浆形成的灌浆层粘合为一体化衬砌，从而可以避免第一内衬与外衬之间产生空隙从而导致内衬砌移动。

当第二内衬为浇筑较好的混凝土结构时，表面光滑，无坑洼的情况，可以选择不涂覆降糙率涂层；当内衬砌层选用管片或喷射的混凝土时，由于表面光滑度不高，会有坑洼出现，比如管片接缝处，则需要涂覆降糙率涂层，以防高速水流下的冲蚀作用会破坏混凝土或者管片的结构。

现有技术为了解决由于高内外水压造成输水隧洞衬砌结构的屈曲变形破坏，在使用钢材料(钢管)作为内衬的情况下，需要将钢管壁厚度增加到40-80mm，其中40mm位于高程较高的部位(近蓄水大坝端，外水压较低)，80mm位于高程较低的部位(近发电机端，外水压较高)，使得钢材料可以承受高内外水压，但是当内外水压不平衡时，巨大的水压差仍然会造成钢材料的屈曲变形，进而影响内衬砌层混凝土结构的安全稳定。而本实用新型通过设置高强传力透水格栅将第二内衬的支撑作用传到钢管上，防止钢管屈曲变形，从而可以降低钢衬筒的厚度。

本实用新型还可以进一步在第二内衬砌层设置可双向通水的水阀，使得内外水压产生水压差时，可以让内部水通过水阀流入到高强传力透水格栅中或从高强传力透水格栅中流入到内衬砌层内，从而使得第二内衬内部水压和外部水压是几乎平衡的状态，能够避免较大压差破坏第二内衬的混凝土。

在本实用新型的结构中，因为混凝土通过高强传力格栅支撑着钢管，防止钢管产生变形屈曲。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，该输水隧洞衬砌结构将衬砌可能承受的高内外水压严格控制在允许范围内，避免衬砌受拉开裂产生内水外渗的风险，同时消除放空期高外水压导致衬砌屈曲变形失稳的隐患，从根本上解决高内外水压隧洞衬砌结构运行的安全问题。同时采用上述结构可以减少内衬钢管的厚度(40-80mm减少到10-40mm)，减少了钢材的用量，降低了原料成本，运输成本，同时降低了施工的难度。

附图说明

图1为现有通过隧洞管道把蓄水大坝储水引导至发电机的示意图。

图2为本实用新型提供的一优选实施例的可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构示意图。

图3为本实用新型提供的另一优选实施例的可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构示意图。

图4为本实用新型提供的第三优选实施例的可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构示意图。

图5为本实用新型提供的第四优选实施例的可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构示意图。

附图标记

1：外衬砌层；2：第一内衬；3：高强传力透水格栅；4：第二内衬；5：灌浆层；6：围岩；7：锚杆；8：水阀；9：降糙率涂层；10：防渗涂层。

具体实施方式

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

设置是指在如果是浇筑的混凝的情况下，可在浇筑之后通过工具打通混凝土，安装上水阀；预制是指如果内衬是在施工现场以外的工厂等地方预制而成，那可提前预留水阀。

tbm为全断面隧道掘进机，硬岩tbm是利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，通过旋转刀盘上的铲斗齿拾起石渣，落入主机皮带机上向后输送，再通过牵引矿渣车或隧洞连续皮带机运渣到洞外。

natm为新奥法的英文简称。新奥法是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起，作为主要支护手段的一种施工方法，经过一些国家的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。在地下工程中都离不开natm，新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

由于不同标号的混凝土的的抗压强度也不同，在工程上的适用范围也不相同，在水利工程中多使用标号在c25-c50的混凝土，但是标号不同混凝土也会影响工程造价。而为了输水隧洞衬砌结构安全，在选用混凝土时不同标号混凝土在衬砌施工上也会对衬砌结构产生影响，同时施工方法对于衬砌结构也会带来影响。

本实用新型所用原料都为市场化商品。

实施例1

本实施例提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，包括外衬砌层1、内衬砌层；

该内衬砌层由第一内衬2、高强传力透水格栅3和第二内衬4构成；

其中，该外衬砌层1设置于输水隧洞内壁；

该外衬砌层1的内壁设置该第一内衬2，并在该外衬砌层1和该第一内衬2之间灌浆，形成一灌浆层5，该灌浆层与外衬砌层形成一体化外衬层；

在该第一内衬2内壁设置该高强传力透水格栅3；

在该高强传力透水格栅3内壁设置第二内衬4。

在本实施例中外衬砌层使用喷射混凝土，第一内衬使用钢衬筒，高强传力透水格栅使用玻璃钢格栅，第二内衬使用预应力混凝土。

施工方法为：

1)通过tbm掘出隧洞，然后在隧洞围岩6上打入锚杆7加固围岩6；

在输水隧洞工程当中，常规需要施工前先对输水隧洞围岩打锚杆加固，然后再进行后续衬砌结构的施工。

2)在围岩上浇筑或者喷射混凝土，形成外衬砌层1；

3)安装第一内衬2，然后在该第一内衬2和该外衬砌层1之间进行灌浆，将外衬砌层1与灌浆层5粘合成一体化外衬砌；

4)在第一内衬2内壁上铺设高强传力透水格栅3；

5)在高强传力透水格栅3内壁铺设第二内衬4。

当第二内衬使用施工性特好的预应力混凝土的时候，可以实现良好的防屈曲变形和防渗的效果。

当采用本实施例的结构时，由第二内衬直接承受内水压，第一内衬不直接承受内水压，同时由于第一内衬被第二内衬通过高强传力透水格栅支撑着，此时第一内衬为钢衬筒时可以减小厚度，约为20mm-40mm。

实施例2

本实施例提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，包括外衬砌层1、内衬砌层；

该内衬砌层由第一内衬2、高强传力透水格栅3和第二内衬4构成；

其中，该外衬砌层1设置于输水隧洞内壁；

该外衬砌层1的内壁设置该第一内衬2，并在该外衬砌层1和该第一内衬2之间灌浆，形成一灌浆层5，该灌浆层与外衬砌层形成一体化外衬层；

在该第一内衬2内壁设置该高强传力透水格栅3；

在该高强传力透水格栅3内壁设置第二内衬4；

在该第二内衬4穿设复数个水阀8。

在本实施例中外衬砌层为贴设的管片，第一内衬为加筋钢筒环，高强传力透水格栅为玻璃钢格栅，第二内衬为钢筋混凝土。

施工方法为：

1)通过natm爆破掘出隧洞，然后在隧洞围岩6上打入锚杆7加固围岩6；

在输水隧洞工程当中，常规需要施工前先对输水隧洞围岩打锚杆加固，然后再进行后续衬砌结构的施工。

2)在围岩上浇筑或者喷射混凝土，形成外衬砌层1；

3)安装第一内衬2，然后在该第一内衬2和该外衬砌层1之间进行灌浆，将外衬砌层1与灌浆层5粘合成一体化外衬砌；

4)在第一内衬2内壁上铺设高强传力透水格栅3；

5)在高强传力透水格栅3内壁铺设第二内衬4；

6)在所述第二内衬4设置复数个水阀8

在本实施例中，当第一内衬为钢筒材质时，由于钢筒被第二内衬通过高强传力透水格栅支撑着，可以避免钢筒屈曲；同时，水在高强传力透水格栅和第二内衬内形成动态平衡，即：当第二内衬处于充水状态时，第二内衬内部的水流入透水格栅中，保护第二内衬不受内水压破坏；当第二内衬处于未充水状态时，高强传力透水格栅中的水流入内衬内，高强传力透水格栅中不必一直处于储水状态。这种设置使得当第二内衬为素混凝土等强度较低的材质时，可以通过水压平衡保护第二内衬。

水阀门数量根据实际的管道的受力情况进行设计，一般是在管道受拉应力较大的地方设置即内衬顶部和下部设置。

当采用本实施例的结构时，由于第二内衬两侧水压平衡，使得第二内衬安全性提高，而被第二内衬通过高强传力透水格栅支撑着的钢筒也可以减少厚度至10-30mm。

实施例3

本实施例提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，包括外衬砌层1、内衬砌层；

该内衬砌层由第一内衬2、高强传力透水格栅3和第二内衬4构成；

其中，该外衬砌层1设置于输水隧洞内壁；

该外衬砌层1的内壁设置该第一内衬2，并在该外衬砌层1和该第一内衬2之间灌浆，形成一灌浆层5，该灌浆层与外衬砌层形成一体化外衬层；

在该第一内衬2内壁设置该高强传力透水格栅3；

在该高强传力透水格栅3内壁设置第二内衬4。

该第二内衬的内壁设有一降糙率涂层9，在该第二内衬4和该降糙率涂层9穿设复数个水阀8

在本实施例中外衬砌层为喷射的混凝土，第一内衬砌层为加劲肋钢筒，高强传力透水格栅为高强钢塑土工格栅，第二内衬为素混凝土，降糙率涂层为有机硅涂层。

施工方法为：

1)通过natm爆破掘出隧洞，然后在隧洞围岩6上打入锚杆7加固围岩6；

在输水隧洞工程当中，常规需要施工前先对输水隧洞围岩打锚杆加固，然后再进行后续衬砌结构的施工。

2)在围岩上浇筑或者喷射混凝土，形成外衬砌层1；

3)安装第一内衬2，然后在该第一内衬2和该外衬砌层1之间进行灌浆，将外衬砌层1与灌浆层5粘合成一体化外衬砌；

4)在第一内衬2内壁上铺设高强传力透水格栅3；

5)在高强传力透水格栅3内壁铺设第二内衬4；

6)在该内衬砌层的内壁涂覆一降糙率涂层9，然后在所述第二内衬砌层和该降糙率涂层预制复数个水阀8。

本实施例比实施例2增加一降糙率涂层，以解决由于采用喷射混凝土或铺设混凝土管片施工时第二内衬内壁不光滑的问题。内壁不光滑会使水流受阻，而受阻处水流压力增大，对于第二内衬产生冲刷破坏。影响整个衬砌结构的安全。同时与实施例2相同，本实施例在第一内衬为钢筒时可以将钢筒厚度减少至10-30mm。

实施例4

本实施例提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，包括外衬砌层1、内衬砌层；

该内衬砌层由第一内衬2、高强传力透水格栅3和第二内衬4构成；

其中，该外衬砌层1设置于输水隧洞内壁；

该外衬砌层1的内壁设置该第一内衬2，并在该外衬砌层1和该第一内衬2之间灌浆，形成一灌浆层5，该灌浆层与外衬砌层形成一体化外衬层；

在该第一内衬2内壁设置该高强传力透水格栅3；

在该高强传力透水格栅3内壁设置第二内衬4。

在该第二内衬4内壁设有一防渗涂层10。

在本实施例中所述外衬砌层为喷射的混凝土，第一内衬砌层为钢衬筒，高强传力透水格栅为玻璃钢格栅，第二内衬为预应力混凝土，防渗涂层为聚脲弹性体涂层。

施工方法为：

1)通过natm爆破掘出隧洞，然后在隧洞围岩6上打入锚杆7加固围岩6；

在输水隧洞工程当中，常规需要施工前先对输水隧洞围岩打锚杆加固，然后再进行后续衬砌结构的施工。

2)在围岩上浇筑或者喷射混凝土，形成外衬砌层1；

3)安装第一内衬2，然后在该第一内衬2和该外衬砌层1之间进行灌浆，将外衬砌层1与灌浆层5粘合成一体化外衬砌；

4)在第一内衬2内壁上铺设高强传力透水格栅3；

5)在高强传力透水格栅3内壁铺设第二内衬4；

6)在第二内衬内壁涂覆一防渗层。

当采用本实施例的结构时，由第二内衬直接承受内水压，不设置水阀，第一内衬不直接承受内水压，同时由于钢筒被第二内衬通过高强传力透水格栅支撑着，此时第一内衬为钢衬筒时可以减小厚度，约为1mm-20mm。

从上述实施例可以看出，本实用新型提供一种可承受高内外水压的输水隧洞衬砌结构，该输水隧洞衬砌结构将衬砌可能承受的过高内外水压严格控制在允许范围内，避免衬砌受拉开裂产生内水外渗的风险，同时消除放空期高外水压导致衬砌屈曲变形失稳的隐患，从根本上解决高内外水压隧洞衬砌结构运行的安全问题。