地下埋管是我国大、中型水电站建设中应用最广泛的一种引水管道形式,国外装机容量在1000MW以上的水电站中采用地下埋管的占45%左右,原因是与明敷钢管相比地下埋管有一些突出的优点,这些优点主要表现在以下3个方面：①布置灵活方便。地下埋管由于位于山体内部管线,位置选择较自由,与地面管线相比一般可显著缩短长度。对水电站管道而言,大多数情况下地下地质条件要优于地表并容易选择出地质条件好的线路。在不易修建明敷钢管的地方一般均可以布置地下埋管。通常情况下,地下厂房一般都全部或部分地采用地下埋管形式。另外,由于岩石力学和地下工程设计及施工技术水平的快速提高,修建压力竖井和斜井的技术业已成熟,在有些国家地下埋管的施工条件和费用已开始优于地面管道。②钢管与围岩共同承担内水压力从而可减小钢衬厚度。围岩分担内水压力的比例取决于岩石的性质。岩石坚硬、较完整时围岩可承担较大的内水压力(甚至可承担全部内水压力),钢板只起防渗作用。特大容量、高水头管道其HD值很大,采用明管技术难于实现,地下埋管就可以使问题迎刃而解。当埋管上覆岩石较薄(＜3D)、岩石质量不好时,设计中往往会不考虑岩石的承载能力而仅提高钢衬的允许应力。地下埋管的允许应力见表4-5。③运行安全。地下埋管的运行不受外界条件影响、维护简单、围岩的极限承载能力一般很高,另外,钢材又有良好的塑性,故管道的超载能力很大。当然,地下埋管也有一些缺点(比如构造比较复杂、施工安装工序多、工艺要求较高、施工条件较差、会增加造价等),另外,由于地下埋管所承受的外压力较大,故其外压稳定问题比较突出。由于围岩承担了一部分荷载,故地下埋管管壁较薄从而节省了钢材,但放空检修、施工期的灌浆压力以及水库蓄水后地下水(外水压力)等很容易造成地下埋管的外压失稳破坏。实践证明,国内、外地下埋管破坏多数为外压失稳破坏。

地下埋管一般多采用联合供水方式(但若管道较短、引用流量较大、机组台数较多、分期施工间隔较长或工程地质条件不易开挖,对大断面洞井经技术经济比较后也可采用两根或更多的管道,用分组供水或单元供水方式向机组输水。相邻两管道之间应有足够的间距以保证其岩体的强度并防止出现失稳情况)。为保证地下埋管施工运行安全,地下管道应布置在坚固完整、地下水位低的岩层中,对拟定管线区域的地质构造(岩石走向、节理裂隙)应进行认真研究以防塌方和岩石脱落,地下施工要考虑出碴和浇筑混凝土的工作环境要求,管道与水平面夹角不宜小于40°。为保证上覆岩层的稳定应留有足够的岩石厚度。洞井的布置方式通常有竖井、斜井和平洞3种,具体实施时应根据工程布置、施工条件、施工机械和施工方法选用。

地下埋管是钢衬、回填混凝土、岩体共同受力的组合结构,其施工程序包括洞井开挖、钢衬安装、混凝土回填和灌浆4个工序。

(1)洞井开挖　洞井开挖应尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖方式以保持其圆形孔口并使洞壁尽量平整且减少爆破松动影响。另外,还要合理选择施工支洞的高程和位置以方便出碴、运输钢衬以及混凝土浇筑(并应考虑将其作为永久排水洞和观测洞)。钢管管壁与围岩间的净空间尺寸应根据施工方法和结构布置(比如开挖、回填、焊接等施工方法以及有无锚固加劲环等)确定,需要在管壁外侧进行焊接的其预留空间为两侧和顶部至少0.5m、底部至少0.6m、加劲环距岩壁至少0.3m。应尽量减少现场管外焊接工作并减小加劲环高度以减少岩石开挖和混凝土回填方量。(www.daowen.com)

(2)钢衬安装　钢衬一般为在工厂制成的一定长度管节,施工中将其运输到洞内用预埋锚件固定,在校正圆度、压缝整平后即可进行焊接。

(3)混凝土回填　钢衬与围岩间回填的混凝土仅起传递径向内压力的作用(而不必承受环向拉力)故其强度等级不必太高(但也不宜低于C15)。混凝土回填的重要关注点是应采用合适的原材料和级配,合理的输送、浇筑和振捣工艺以保证回填混凝土的密实、均匀以及围岩与钢衬的紧密贴合。平管的底部以及止水环和加劲环附近应加强振捣(严禁出现疏松区和空洞区)。混凝土回填的缺陷对钢衬外压稳定非常不利,采用预埋骨料压浆混凝土和微膨胀水泥等常会取得较好效果。

(4)灌浆　地下埋管灌浆分为回填灌浆、接缝灌浆和固结灌浆3类。我国钢管设计规范规定对平洞、斜井应作顶拱回填灌浆(灌浆压力应不小于0.2MPa但也不得大于钢管抗外压临界压力);钢管与混凝土衬圈之间如果存在超过设计允许的缝隙时,应进行接缝灌浆(接缝灌浆宜在气温最低的季节施工以减少缝隙值,其灌浆压力不宜大于0.2MPa并应保证钢管在灌浆过程中的变形不超过设计允许值);基岩固结灌浆可视围岩情况、内水压力、设计假定、开挖爆破方式等情况确定(其灌浆压力不宜小于0.5MPa)。灌浆过程中应严密监视及防范钢管失稳等事故(必要时可采取临时支护措施),灌浆后的全部灌浆孔必须严密封闭以防运行时内水外渗造成事故。