洞松水電站引水隧洞結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 吉 李 楠

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 成都 610072)

1 工程概況

洞松水電站位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，為碩曲河鄉(xiāng)城段水電梯級(jí)規(guī)劃“一庫五級(jí)”開發(fā)方案中的第四級(jí)電站，總裝機(jī)容量為180MW，電站采用引水式發(fā)電。引水隧洞布置在碩曲河右岸，為有壓洞，引水線路全長(zhǎng)17862.31m，其中引水暗涵長(zhǎng)39m，引水隧洞長(zhǎng)17823.31m，平面上設(shè)置8個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑為50m，底板縱坡i=0.365%。

2 引水隧洞工程地質(zhì)條件

圍巖分類綜合考慮到巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面特征及其與洞軸線的組合關(guān)系、地下水影響和地應(yīng)力等因素，采用《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中圍巖工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—99)對(duì)洞身圍巖進(jìn)行詳細(xì)分類［1］［2］。根據(jù)引水隧洞的巖性和結(jié)構(gòu)面組合特征，圍巖分類原則如下:中厚層狀新鮮變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖和灰?guī)r為Ⅲ類;薄層狀結(jié)構(gòu)的巖體及弱風(fēng)化中厚層狀巖體為Ⅳ1類;極薄層狀及碎裂相嵌結(jié)構(gòu)巖體為Ⅳ2類;散體結(jié)構(gòu)巖體為Ⅴ類。圍巖類別統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 圍巖類別統(tǒng)計(jì)

3 可研階段引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引水隧洞沿線承受的內(nèi)水壓力為0.25～1.15MPa，考慮到隧洞圍巖受鄉(xiāng)城斷裂(F50)和索讓斷裂(F48)兩斷層的影響，完整性較差，大部分洞線與巖層走向交角較小，自身穩(wěn)定性較差，圍巖類別較低，以Ⅳ1、Ⅳ2類為主，次為Ⅴ類、少量Ⅲ類，其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖占95.89%，碩曲河右岸岸坡未見地下水出露，隧洞長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)內(nèi)水外滲后將改變?cè)瓉淼乃牡刭|(zhì)條件，可能引起岸坡垮塌等次生地質(zhì)災(zāi)害，故隧洞采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

3.1 洞形比選

按照水頭損失相等的原則，擬定圓形與平底馬蹄形兩種過流斷面進(jìn)行比選。

3.1.1 圓形

圓形斷面直徑為6.6m。Ⅲ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度40cm，Ⅳ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，Ⅴ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度80cm。為方便施工，隧洞開挖斷面采用平底馬蹄形，襯砌時(shí)超挖的底板邊側(cè)腳部分采用C25混凝土進(jìn)行回填。

3.1.2 平底馬蹄形

平底馬蹄形斷面底寬4.5m，高6.363m。Ⅲ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度40cm，Ⅳ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，Ⅴ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度80cm。

3.1.3 洞形選擇

采用圓形斷面較平底馬蹄形斷面從主體建筑工程投資上節(jié)省1732萬元，但為方便施工，考慮隧洞斷面為平底馬蹄形，斷面底寬4.5m，高6.363m。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引水隧洞采用C25鋼筋混凝土襯砌，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2002)建議的邊值法計(jì)算［3］，同時(shí)按限裂設(shè)計(jì)，其裂縫寬度要求小于0.25mm。

經(jīng)計(jì)算，襯砌結(jié)構(gòu)受運(yùn)行情況控制。Ⅲ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度40cm，Ⅳ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，Ⅴ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度80cm。同時(shí)對(duì)Ⅳ、Ⅴ類圍巖全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿，每排8孔，排距3m，孔深6m。隧洞沿線洞頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

4 引水隧洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)型式擬定

原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，馬蹄形斷面配筋較大，鋼筋間距較密，施工期混凝土澆筑質(zhì)量保證上有較大困難，運(yùn)行期結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)較差。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，有壓隧洞采用圓形斷面，配筋較馬蹄形斷面相對(duì)減小，鋼筋間距相對(duì)增大。為此，對(duì)平底馬蹄形與圓形斷面在相同結(jié)構(gòu)厚度的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用平底馬蹄形與內(nèi)徑6.28m的圓形斷面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

4.2.1 荷載組合

作用于隧洞襯砌的荷載及其組合如下:

a.運(yùn)行情況:均勻內(nèi)水壓力+無壓滿水重+襯砌自重

b.施工情況:襯砌自重+圍巖壓力+灌漿壓力

c.檢修情況:外水壓力+襯砌自重

4.2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

a.內(nèi)水壓力

選正常水位確定的內(nèi)水壓力與三臺(tái)機(jī)組同時(shí)丟棄負(fù)荷時(shí)形成的水擊壓力兩者的最大值。

b.山巖壓力

運(yùn)行及檢修期考慮經(jīng)前期臨時(shí)支護(hù)后，圍巖變形趨于穩(wěn)定，按不計(jì)圍巖壓力考慮;

施工期薄層狀及破裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力按下列公式計(jì)算:

垂直方向:qv=(0.2～0.3)γrE

水平方向:qh=(0.2～0.3)γrH

式中

qv——垂直均布圍巖壓力，kN/m2;

qh——水平均布圍巖壓力，kN/m2;

γr——巖體重量，kN/m3;

B——隧洞開挖寬度，m;

H——隧洞開挖高度，m。

c.外水壓力

按照下式進(jìn)行估算:pe=βeγwHe

式中 pe——作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力，

kN/m2;

βe——外水壓力折減系數(shù);

γw——水的重量，kN/m3;

He——地下水位線至隧洞中心的作用水頭，m。

d.圍巖物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

圍巖物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)取值見表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)取值

4.2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

引水隧洞結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土襯砌，按限裂設(shè)計(jì)，其裂縫寬度小于0.25mm，

計(jì)算方案:內(nèi)水壓力選取水庫正常水位確定的內(nèi)水壓力與三臺(tái)機(jī)組同時(shí)丟棄負(fù)荷時(shí)形成的水擊壓力兩者的最大值，不考慮山巖壓力，分別對(duì)馬蹄形斷面、圓形斷面采用邊值法、有限元法進(jìn)行配筋計(jì)算。

4.2.4 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3、表4。

表3 馬蹄形斷面邊值法和有限元法配筋成果(內(nèi)層鋼筋)對(duì)比

表4 圓形斷面邊值法和有限元法配筋成果(內(nèi)層鋼筋)對(duì)比

續(xù)表

a.在隧洞后段，平底馬蹄形邊墻與底板交角處因應(yīng)力較大需采用加強(qiáng)筋，同時(shí)每延米混凝土環(huán)向受力鋼筋直徑大、根數(shù)多、間距較密，造成混凝土澆筑時(shí)，施工難度大，保證施工質(zhì)量困難。

b.邊值法假定混凝土襯砌是一個(gè)完整的厚壁圓筒，筒壁可以承擔(dān)拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土襯砌承受的水頭大于50～60m時(shí)，襯砌內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力，都大于混凝土拉應(yīng)力的允許值;內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變，也都大于混凝土極限拉伸值;導(dǎo)致襯砌開裂。襯砌開裂以后，厚壁圓筒已經(jīng)變成幾個(gè)弧形“瓦片”，其結(jié)構(gòu)與受力條件，當(dāng)然不能稱為“厚壁圓筒”，但邊值法在配筋計(jì)算中，仍按混凝土襯砌未開裂，按“厚壁圓筒”計(jì)算出的成果去配筋，其結(jié)果必然是配筋量很大。

c.有限元法計(jì)算結(jié)果雖然較邊值法更能切合實(shí)際，但沒有模擬洞線與巖層走向交角的關(guān)系以及原始地應(yīng)力等參數(shù)，與圍巖實(shí)際地質(zhì)條件有一定差別。通過與其他類似工程的對(duì)比分析，有限元法計(jì)算的邊界條件和結(jié)果與實(shí)際情況較為相符，可作為設(shè)計(jì)依據(jù)，在進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌配筋時(shí)，考慮到有限元法的不足，為確保工程安全，在其計(jì)算成果的基礎(chǔ)上根據(jù)分段的內(nèi)水壓力大小需上浮一定的配筋量。

d.考慮到圓形斷面在相同襯砌混凝土厚度的條件下，因整體受力條件較好，可以減少鋼筋用量，投資較省，更能確保施工質(zhì)量和運(yùn)行期工程安全。通過進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作，提出平底馬蹄形優(yōu)化成圓形斷面的研究工作。

4.3 優(yōu)化結(jié)果

引水隧洞優(yōu)化前全段采用平底馬蹄形與優(yōu)化后前段(隧0+039～隧4+500)采用平底馬蹄形、后段(隧4+500～隧17+862.31)采用圓形方案的工程量及投資估算比較見表5。

表5 工程量及投資估算比較

從上表可以看出，在未計(jì)入施工臨時(shí)工程投資的條件下，優(yōu)化后的主體工程可節(jié)約投資1762萬元。

5 結(jié)論

a.引水隧洞(隧0+039～隧4+500)承受的內(nèi)水壓力小于50m，平底馬蹄形襯砌混凝土鋼筋配筋量本身就不大。洞形優(yōu)化成直徑為6.28m的圓形后，在襯砌混凝土厚度相同的條件下，鋼筋配筋量雖還可以適當(dāng)減小，但節(jié)約投資不明顯。

b.引水隧洞(隧4+500～隧17+862.31)承受的內(nèi)水壓力超過50m。洞形優(yōu)化成直徑為6.28m的圓形后，在襯砌混凝土厚度相同的條件下，鋼筋用量明顯減少，節(jié)省工程投資明顯。

c.引水隧洞采用圓形斷面較馬蹄形斷面配筋相對(duì)減小，鋼筋間距相對(duì)增大，更能保證施工期混凝土澆筑質(zhì)量，運(yùn)行期可更好地發(fā)揮襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)合承受內(nèi)水壓力作用，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)比較均勻，工作條件較好，對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性更強(qiáng)，更能保證工程運(yùn)行安全，工程投資也相對(duì)較省。

［1］SL 55—2005中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［2］GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］SL 279—2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.