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某抽水蓄能電站高壓管道設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

文檔作者：馮　華文檔來(lái)源：中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月06日
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上一篇：某水電站勵(lì)磁系統(tǒng)的改造與優(yōu)化

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文章編號(hào):1006—2610(2016)06—0036—04
某抽水蓄能電站高壓管道設(shè)計(jì)問(wèn)題探討
馮　華
(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安　710065)
摘　要:某抽水蓄能電站高壓管道具有內(nèi)水壓力和外水壓力均較高的特點(diǎn),文章針對(duì)該電站招標(biāo)階段高壓管道設(shè)
計(jì)情況進(jìn)行了詳細(xì)地分析和總結(jié),并針對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題結(jié)合已建抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了深入剖析,
提出解決方法。結(jié)合該抽水蓄能電站高壓管道的設(shè)計(jì),提出若干建議以供類(lèi)似工程借鑒。
關(guān)鍵詞:抽水蓄能電站;高壓管道;排水廊道;外水壓力;折減;地勘洞
中圖分類(lèi)號(hào):TV743;TV732. 4　　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　　　　DOI:10. 3969/ j. issn. 1006-2610. 2016. 06. 009
Study on Design of High-pressure Pipeline for Pumped Storage Power Plant
FENG Hua
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an　710065,China)
Abstract:The high-pressure pipeline of one pumped storage power plant features both high external and internal hydraulic pressure. In the
paper, design of the high-pressure pipeline of the power plant at tendering stage is analyzed and summarized in detail. Issues encountered in
the design are deeply analyzed based on the design experience on the built pumped storage power plant. Solution is proposed. In combination
of the design of the high-pressure pipeline of the power plant, suggestions are provided for reference by the similar projects.
Key words: pumped storage power plant; high-pressure pipeline; drainage gallery; external hydraulic pressure; deduction; exploration adit
　　收稿日期:2016-09-29
　　作者簡(jiǎn)介:馮華(1982- ),男,陜西省延安市人,工程師,從事水
工結(jié)構(gòu)工作.
1　高壓管道布置概況
某抽水蓄能電站高壓管道采用1 洞2 機(jī)的布置
方式,由高壓主管、岔管和高壓支管組成,除上平段
采用鋼筋混凝土襯砌外,其余洞段均設(shè)置壓力鋼管。
每條高壓主管立面上采用雙斜井布置,設(shè)有上平段、
上斜井段、中平段、下斜井段和下平段。下平段后接
高壓岔管,岔管采用對(duì)稱(chēng)“Y”形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔
管,岔管后為高壓支管,高壓支管斜向進(jìn)入廠(chǎng)房,與
廠(chǎng)房軸線(xiàn)夾角為70°。
該抽蓄高壓管道段地下水位較高,天然地下水
水頭約為25 ~315 m。地下水主要以圍巖裂隙滲水
為主,該工程高壓管道設(shè)置2 套排水系統(tǒng),即鋼管貼
壁直接排水系統(tǒng)和高壓管道排水廊道的間接排水系
統(tǒng)。貼壁排水系統(tǒng)是在鋼管壁上沿洞軸線(xiàn)方向布置
排水角鋼和環(huán)向槽鋼,并通過(guò)槽鋼下的排水鋼管將
外水引至高壓管道排水廊道,最終匯入地下廠(chǎng)房集
水井。間接排水系統(tǒng)是在立面上布置3 層水平排水
廊道,將高壓主管“切割”為4 段,分別將高壓管道
周?chē)膰鷰r滲水收集到排水廊道中,從而降低外水
壓力。
2　高壓管道布置問(wèn)題探討
2. 1　排水廊道布置難點(diǎn)分析
受地形地質(zhì)條件、施工場(chǎng)地和對(duì)內(nèi)對(duì)外交通布
置的限制,該抽蓄電站地下廠(chǎng)房采用尾部式布置,高
壓管道及地下廠(chǎng)房均離下水庫(kù)較近;建筑物所處圍
巖以硬質(zhì)花崗巖為主,洞周?chē)鷰r石在爆破開(kāi)挖后易
產(chǎn)生裂隙,形成地下水滲流通道。因此,運(yùn)行期地下
水位保持高位運(yùn)行的可能性較大。這將使如何解決
好高壓管道排水問(wèn)題成為該工程高壓管道布置的重
點(diǎn)和難點(diǎn)。
(1) 上層排水廊道
抽水蓄能電站一般會(huì)在高壓管道中平段設(shè)置高
36 馮華. 某抽水蓄能電站高壓管道設(shè)計(jì)問(wèn)題探討 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
壓管道的第1 層排水廊道(上層排水廊道),廊道中
滲水通過(guò)中平施工支洞排出洞外。該電站因?yàn)榈匦?
條件限制,中平施工支洞為順坡,即“內(nèi)低外高”,無(wú)
法將洞內(nèi)滲水排出,因此在上層排水廊道的末端設(shè)
置一直徑1. 4 m 的排水豎井,將滲水引至高壓管道
第2 層排水廊道(中層排水廊道)。排水豎井的高
度近150 m,對(duì)施工期定位以及運(yùn)行期的豎井底部
防護(hù)都提出了較高要求。此外,由于豎井檢修難度
較高,頂部須布置間距較密的鋼格柵,防止雜物及巖
塊進(jìn)入豎井。
(2) 中層排水廊道
該電站利用地下廠(chǎng)房地勘洞做為第2 層排水廊
道(中層排水廊道),但受前期布置調(diào)整的影響,地
下廠(chǎng)房地勘洞洞口低于下水庫(kù)正常蓄水位,施工后
期將對(duì)地勘洞進(jìn)行封堵,因此無(wú)法將圍巖滲水利用
地勘洞排出洞外。由于中層排水廊道距離第3 層排
水廊道(下層排水廊道)的垂直高度只有50 m,故采
用排水孔將上層排水廊道滲水引至下層排水廊道。
(3) 下層排水廊道
高壓管道下層排水廊道與地下廠(chǎng)房上層排水洞
高程相近,通過(guò)一定坡度的水平排水洞將2 部分排
水系統(tǒng)連接。
整個(gè)高壓管道的排水系統(tǒng)滲水最終通過(guò)地下廠(chǎng)
房的排水系統(tǒng)匯入地下廠(chǎng)房集水井,由此給地下廠(chǎng)
房的排水造成一定壓力。該電站在自流排水洞的過(guò)
流能力設(shè)計(jì)中,通過(guò)詳細(xì)的輸水發(fā)電系統(tǒng)圍巖滲流
計(jì)算,并充分考慮下水庫(kù)蓄水后對(duì)整個(gè)滲流場(chǎng)的影
響作用,保證所有滲水在機(jī)組檢修等不利工況下順
利排出洞外。
2. 2　高壓管道檢修通道布置分析
由于高壓管道管線(xiàn)長(zhǎng)、高差大,該電站在高壓管
道中平段利用中平施工支洞設(shè)置檢修通道,檢修通
道與1 號(hào)和2 號(hào)高壓管道在平面上呈“干”字形布
置。如按照常規(guī)布置,檢修2 號(hào)高壓管道只需放空
2 號(hào)高壓管道即可,但檢修1 號(hào)高壓管道時(shí),2 號(hào)高
壓管道必須同時(shí)放空,且2 號(hào)高壓管道需設(shè)置2 個(gè)
檢修進(jìn)人門(mén),對(duì)管道壓力鋼管穩(wěn)定十分不利。為解
決問(wèn)題,該電站將2 號(hào)高壓管道與檢修通道相接部
分的壓力鋼管設(shè)計(jì)成明管,明管和圍巖之間留1. 2
m 的檢修通道,需要檢修1 號(hào)高壓管道時(shí),檢修人員
只需利用2 號(hào)高壓管道的檢修通道,翻過(guò)2 號(hào)壓力
鋼管,即可進(jìn)入1 號(hào)高壓管道的檢修通道,從而避免
了同時(shí)停機(jī)、放空高壓管道的低效率檢修方式。
此種布置的優(yōu)勢(shì)在于高壓管道檢修的靈活性,
但對(duì)壓力鋼管的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。首先,該
電站高壓管道的最大內(nèi)水壓力達(dá)到了8 MPa[1] ,中
平段的內(nèi)壓基本達(dá)到了4. 8 MPa,壓力鋼管按照明
管設(shè)計(jì),需要使用800 MPa 級(jí)鋼板;其次,由于2 號(hào)
高壓管道留了檢修通道,管道軸線(xiàn)方向兩側(cè)巖體受
到臨空面以及爆破松動(dòng)的影響,壓力鋼管不能再按
照鋼管和圍巖共同受力來(lái)設(shè)計(jì),同時(shí)考慮到壓力鋼
管管節(jié)壁厚過(guò)渡的構(gòu)造要求,受影響的壓力鋼管長(zhǎng)
度接近60 m,增加了工程造價(jià);最后,壓力鋼管明管
相比埋管而言,在安全性上有一定的差別,所以對(duì)鋼
管的焊接施工以及外包混凝土裂縫控制設(shè)計(jì)方面提
出了較高的要求。
3　壓力鋼管設(shè)計(jì)問(wèn)題探討
3. 1　內(nèi)水壓力分級(jí)計(jì)算
抽水蓄能電站水頭一般都比較高,在壓力鋼管
結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),必須進(jìn)行分級(jí)計(jì)算,分級(jí)原則控制在每
級(jí)100 m 左右,既要做到滿(mǎn)足壓力鋼管管材種類(lèi)不
易過(guò)多、管壁厚度不易頻繁變化等要求,更重要的是
保證壓力鋼管結(jié)構(gòu)安全。該電站兩級(jí)斜井的高差基
本都在250 m 左右,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照每級(jí)斜井的中部
為計(jì)算分界線(xiàn),中部以上按照分界線(xiàn)內(nèi)水壓力計(jì)算,
分界線(xiàn)以下按照斜井與平段相接部分的內(nèi)壓控制;
中平段按照中平末端內(nèi)水壓力計(jì)算;下平段按照最
大內(nèi)水壓力計(jì)算。這樣,內(nèi)水壓力大致可以分為6
個(gè)等級(jí)。
3. 2　外水壓力折減原則
該電站地下水位較高,高壓管道3 層排水廊道
將高壓管道“分成”4 級(jí)。上層排水廊道以上部分外
水壓力按照常規(guī)電站計(jì)算原則取用即可,主要考慮
圍巖完整性及裂隙發(fā)育程度,完整性越高、裂隙越不
發(fā)育,則折減系數(shù)越小。
上層排水廊道至中層排水廊道之間的高壓管道
外水壓力計(jì)算取值可分2 部分,上層排水廊道以上
部分外水壓力從設(shè)置排水廊道目的的角度出發(fā)應(yīng)該
不用再考慮,但從安全運(yùn)行以及排水孔失效等因素
出發(fā),可按照工程重要程度以及圍巖裂隙發(fā)育程度
等情況綜合確定一個(gè)“安全性”折減系數(shù),該電站根
據(jù)電站自身情況,取用0. 3。排水廊道以下部位的
高壓管道,雖然兩側(cè)有自排水廊道底板向下的排水
西北水電·2016 年·第6 期 37
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
孔圍繞,但由于是倒“U”形布置,且考慮到圍巖滲水
收集不如排水廊道頂部向上的排水孔自流收集滲水
效果好,故自排水廊道向下至高壓管道計(jì)算位置的
外水壓力不考慮折減。
中層排水廊道和下層排水廊道之間的高壓管
道,以及下層排水廊道以下的高壓管道,均按照相同
的原則,即計(jì)算點(diǎn)以上最近一層排水廊道以上外水
壓力按照一定“安全性”折減系數(shù)折減,排水廊道至
計(jì)算點(diǎn)之間的外水壓力按照排水廊道和計(jì)算點(diǎn)間的
實(shí)際高度差計(jì)算,兩部分外水壓力相加即為最終高
壓管道的外水壓力。
3. 3　排水措施失效驗(yàn)算
雖然該電站為保證高壓管道運(yùn)行期不受外水壓
力的影響,不但設(shè)置了3 層排水廊道,還沿壓力鋼管
外壁設(shè)置了排水角鋼及排水鋼管,可以說(shuō)從工程設(shè)
計(jì)的角度出發(fā),能夠保證高壓管道的安全運(yùn)行;但
是,從抽水蓄能電站高壓管道的重要程度、造價(jià)占比
高、檢修難度高等方面考慮,中國(guó)抽水蓄能電站高壓
管道外水壓力設(shè)計(jì)目前形成了一個(gè)較為統(tǒng)一的原
則[2-4] ———“抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于1”原則,即
假定地下水位線(xiàn)抬升至地表,所有排水措施失效,高
壓管道壓力鋼管的抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于等于
1。由于抽水蓄能電站內(nèi)水壓力較高,管壁厚度和選
用鋼材的抗力限值也會(huì)隨發(fā)電工況下水流方向變
厚、變大,與之對(duì)應(yīng)的是外水壓力也逐漸變大,但加
勁環(huán)之間的管壁抗外壓安全系數(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,故
“抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于1”原則其實(shí)主要是針對(duì)
加勁環(huán)的。由于加勁環(huán)過(guò)密會(huì)影響回填混凝土澆筑
密實(shí)度,而加勁環(huán)的高度過(guò)高會(huì)影響焊接施工的操
作空間,因此加勁環(huán)的設(shè)計(jì)就成為決定是否滿(mǎn)足
“抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)大于1”原則的關(guān)鍵。
3. 4　圍巖彈性抗力系數(shù)選取方法
壓力鋼管地下埋管計(jì)算時(shí),根據(jù)《水電站壓力
鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[5] 的相關(guān)計(jì)算公式,需要選取圍巖
彈性抗力系數(shù)作為計(jì)算參數(shù),但在施工圖設(shè)計(jì)階段
以前,地質(zhì)專(zhuān)業(yè)只能根據(jù)圍巖類(lèi)別提供一個(gè)范圍,由
于圍巖彈性抗力系數(shù)對(duì)鋼管計(jì)算結(jié)果影響較大,如
何在這個(gè)范圍內(nèi)選取參數(shù),則顯得尤為重要。判斷
圍巖覆蓋厚度和鋼管內(nèi)承壓時(shí),均會(huì)用到彈性抗力
系數(shù),但兩者的取法卻是恰恰相反,判斷圍巖覆蓋厚
度時(shí)要取彈性抗力系數(shù)最大可能值,判斷鋼管內(nèi)承
壓時(shí),要取彈性抗力系數(shù)較小值。圍巖抗力系數(shù)最
大可能值可選用提供范圍的上限值,抗力系數(shù)越大,
作為判斷地下埋管的圍巖覆蓋層厚度要求越高,對(duì)
于鋼管的計(jì)算結(jié)果是偏安全的。
圍巖抗力系數(shù)較小值的選用直接影響壓力鋼管
承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例,而地質(zhì)專(zhuān)業(yè)給出的圍巖類(lèi)別
一般也是介于2 個(gè)類(lèi)別之間(例如Ⅱ ~ Ⅲ圍巖類(lèi)),
而彈性抗力系數(shù)針對(duì)圍巖類(lèi)別也是一個(gè)范圍,這就
對(duì)抗力系數(shù)的選取造成一定難度。為簡(jiǎn)化選取方
法,對(duì)于Ⅱ ~ Ⅲ類(lèi)圍巖,該電站?、蝾?lèi)圍巖最大值、
Ⅲ類(lèi)圍巖最小值之和的0. 4 倍,稍低于中間值;對(duì)于
以Ⅲ類(lèi)圍巖為主,少量Ⅱ類(lèi)圍巖時(shí),?、箢?lèi)圍巖的最
大、最小值之和的0. 4 倍,稍低于Ⅲ類(lèi)圍巖中間值,
不考慮Ⅱ類(lèi)圍巖影響;對(duì)于此Ⅱ類(lèi)圍巖為主,局部為
Ⅲ類(lèi)圍巖時(shí),?、箢?lèi)圍巖的最大、最小值之和的0. 55
倍,稍高于Ⅲ類(lèi)圍巖的中間值,此種工況由于Ⅲ類(lèi)圍
巖占比不詳,故可按照Ⅲ類(lèi)圍巖的中間偏高值取用。
3. 5　壓力鋼管管材選取方法
由于抽水蓄能電站水頭高,則壓力鋼管鋼材種
類(lèi)一般會(huì)涉及到500、600 和800 MPa 級(jí)鋼材[6-7] 。
壓力鋼管管材選取應(yīng)遵循以下3 個(gè)原則。
(1) 在保證壓力鋼管管壁厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的
同時(shí),盡可能減少不同管壁厚度的種類(lèi)。
(2) 在壓力鋼管設(shè)計(jì)中,可選用結(jié)構(gòu)鋼,也可以
選用壓力容器鋼,但對(duì)受力狀況比較復(fù)雜、巖體承載
能力較差的情況,建議采用壓力容器鋼。
(3) 為降低鋼管焊接難度,保證焊接質(zhì)量,同時(shí)
盡量避免低合金鋼焊后消應(yīng)處理工藝,在鋼管管材選
取上宜遵循以下原則:500 MPa 級(jí)低合金鋼鋼板厚度
不宜超過(guò)38 mm,如超過(guò)則需跳檔至600 MPa 級(jí)高強(qiáng)
度調(diào)制鋼;600 MPa 級(jí)高強(qiáng)度調(diào)制鋼鋼板厚度不宜超
過(guò)48 mm,如超過(guò)則需向上跳檔一級(jí),以此類(lèi)推,但各
高強(qiáng)度調(diào)制鋼鋼板[8] 厚度不宜超過(guò)50 mm。
該電站在壓力鋼管管材選擇上結(jié)合電站自身特
點(diǎn),并遵循上述3 個(gè)選擇原則,選用鋼材如下:500
MPa 級(jí)鋼板厚度在26 ~34 mm;600 MPa 級(jí)鋼板厚度
在38 ~50 mm;800 MPa 級(jí)鋼板厚度在54 ~60 mm。
3. 6　加勁環(huán)布置及選材方法
加勁環(huán)的布置可有效增加主管的抗外壓能力,
加勁環(huán)的布置原則是盡量使加勁環(huán)的高度降低、間
距避免過(guò)密。抽水蓄能電站一般內(nèi)水壓力和外水壓
38 馮華. 某抽水蓄能電站高壓管道設(shè)計(jì)問(wèn)題探討 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
力都較大,尤其是尾部式地下廠(chǎng)房,外水壓力問(wèn)題尤
其突出。抽水蓄能電站壓力鋼管(地下埋管情況)
的結(jié)構(gòu)計(jì)算按照壓力控制可分為2 種情況:外壓控
制和內(nèi)壓控制。當(dāng)為外壓控制時(shí),可通過(guò)調(diào)整主管
管壁厚度、加勁環(huán)間距、高度、壁厚等參數(shù),找出合理
的參數(shù),既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求,又能節(jié)省鋼材用量[9] ;
內(nèi)壓控制時(shí),由于抽水蓄能電站內(nèi)水壓力大,由內(nèi)水
壓力計(jì)算所得的管壁較厚,管壁本身的抗外壓能力
較強(qiáng),因此抗外壓計(jì)算一般就集中在加勁環(huán)自身的
抗外壓穩(wěn)定上。按照加勁環(huán)臨界外壓的計(jì)算公
式[1] 可知,管材的屈服強(qiáng)度與加勁環(huán)的3 個(gè)參數(shù)
(間距、高度、壁厚)共同影響計(jì)算結(jié)果[10-12] ,管材屈
服強(qiáng)度只是4 個(gè)指標(biāo)中的一個(gè),故加勁環(huán)的選材上
就有了一個(gè)原則,即選擇與主管最低級(jí)別相同的管
材,如加勁環(huán)的參數(shù)無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí),可選擇高一級(jí)
別的管材,以此類(lèi)推。該電站絕大部分管段的加勁
環(huán)都選用的是500 MPa 級(jí)低合金鋼鋼板,只有外壓
較大的一部分管段選用了600 MPa 級(jí)鋼板。
3. 7　地下廠(chǎng)房地勘洞布置
地下廠(chǎng)房地勘洞作為探明地下洞群圍巖狀況的
重要建筑物,在完成前期勘探的重要使命后,運(yùn)行期
應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮其重要作用,真正做到“永臨結(jié)合”。因
為地勘洞的位置特殊,距離地下廠(chǎng)房和高壓管道的
距離都較為適中,可以將其用作兩建筑物的重要輔
助洞室。該電站雖然無(wú)法利用其作為中層排水洞的
排水通道,但可將它用做中層排水洞的施工支洞,同
時(shí)擔(dān)負(fù)起排風(fēng)排煙洞運(yùn)行期檢修通道的重要職責(zé)。
因此,在前期樞紐布置中,地勘洞應(yīng)按照等同永久建
筑物的地位參與到樞紐格局布置比選中。
3. 8　高壓管道中層施工支洞布置
抽水蓄能電站水頭較高,裝機(jī)100 萬(wàn)kW 左右
的電站高壓管道的立面高差基本在400 ~ 500 m 左
右,而目前無(wú)論豎井還是斜井的施工工藝,250 m 左
右的高度是比較成熟的,因此設(shè)置高壓管道中平段
及中平段施工支洞就成為常規(guī)布置。如前所述,如
高壓管道中層施工支洞布置成“內(nèi)高外低”,則結(jié)合
上層排水廊道布置,可將圍巖滲水直接排出洞外,從
而減輕其他排水廊道或地下廠(chǎng)房排水壓力。這就要
求在樞紐布置方案比選時(shí),深入研究施工支洞的布
置方案,選出最優(yōu)方案。
3. 9　地下廠(chǎng)房位置選取
常規(guī)水電站地下廠(chǎng)房位置選取的2 個(gè)重要指標(biāo)
是圍巖地應(yīng)力方向及圍巖構(gòu)造面的走向,但對(duì)于抽
水蓄能電站,則應(yīng)同時(shí)考慮因下水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)地
下水位抬高的因素,因此,尾部式地下廠(chǎng)房的布置型
式給高壓管道的布置帶來(lái)了諸多“麻煩”,不但要充
分考慮外水壓力對(duì)壓力鋼管穩(wěn)定的影響,同時(shí)還得
兼顧各種輔助建筑物為降低壓力管道外壓而進(jìn)行的
各種布置優(yōu)化。因此,在條件等同甚至差距不是很
大的前提下,地下廠(chǎng)房布置型式應(yīng)盡量選用首部式
或中部式布置型式。
4　結(jié)　語(yǔ)
鑒于高壓管道在抽水蓄能電站樞紐建筑物中的
重要地位,尤其針對(duì)重要抽水蓄能電站、采用尾部式
地下廠(chǎng)房的抽水蓄能電站,筆者認(rèn)為電站高壓管道
應(yīng)參照地下廠(chǎng)房永久洞室排水設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì),
即高壓管道系統(tǒng)布置排水孔并采用分部和集中引排
水的措施將圍巖滲水收集、排出,以提高壓力鋼管管
壁抗外壓安全系數(shù)。
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西北水電·2016 年·第6 期 39
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