白河發(fā)電隧洞結(jié)構(gòu)安全分析

張立濤

(北京市密云水庫管理處，北京 101512)

1 基本情況

密云水庫白河發(fā)電隧洞，尾部與白河電廠連接，任務(wù)是向下游輸水、發(fā)電。隧洞為圓形壓力隧洞，洞身為圓形鋼筋混凝土，內(nèi)直徑6m，全長421.36m。襯砌厚度0.6m，發(fā)電最大引用流量Q=229m3/s，不發(fā)電最大引用流量Q=380m3/s。

運(yùn)行幾年后，在樁號(hào)0+100～0+120附近正長斑巖層的上游洞外地下水位與庫水位相差很少，而下游地下水位則驟降至洞底以下;樁號(hào)0+100以后很大一段范圍內(nèi)外水壓力比原設(shè)計(jì)的低。雖然后來對(duì)隧洞進(jìn)行了回填灌漿和固結(jié)灌漿，自經(jīng)過1994年最高庫水位運(yùn)行后，對(duì)洞身襯砌進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)洞身存在一些環(huán)向裂縫，長度均小于1m，寬度均小于1mm。

2 白河電站洞身段工程地質(zhì)條件

白河發(fā)電隧洞由于地層倒轉(zhuǎn)折裂，使得大部分洞壁巖層受到劇烈擾動(dòng)，巖石普遍不完整，且斷裂，裂隙大多夾有1～10cm的潮濕黏土顆粒，極易崩解。巖層傾向上游，傾角60～80°，局部直立，與洞軸線成60～70°夾角。巖層構(gòu)造變動(dòng)現(xiàn)象可概括為填充構(gòu)造裂隙發(fā)育，小型(寬度多不大于1m)斷層頗多，最大頻率1條/m，因此，在洞頂往往形成三角形或扇形不穩(wěn)定巖塊。

3 電站引水隧洞襯砌設(shè)計(jì)和施工配筋校核

a.荷載情況:荷載主要包括均勻內(nèi)水壓力、不均勻內(nèi)水壓力、外水壓力、山巖壓力、襯砌自重等，如下圖所示。

隧洞內(nèi)外水壓力線圖

b.根據(jù)內(nèi)力組合，對(duì)配筋數(shù)量和抗裂安全進(jìn)行計(jì)算并匯制成表，如下表所示。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)在隧洞襯砌施工中，0+104～0+130、0+147～0+159、0+207～0+237三段存在襯砌配筋量低于設(shè)計(jì)量，導(dǎo)致洞身混凝土開裂，致使洞身漏水，發(fā)生鋼筋銹蝕，進(jìn)而降低鋼筋強(qiáng)度，影響結(jié)構(gòu)耐久性，因此，需要加固。

白河發(fā)電隧洞配筋與安全系數(shù)表

4 調(diào)壓井處最高涌浪高度校核

設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、外水壓力與實(shí)際工況存在一定區(qū)別，且電站發(fā)電機(jī)導(dǎo)葉有效關(guān)門時(shí)間比原設(shè)計(jì)短。原設(shè)計(jì)水輪機(jī)過水部件按照水擊水頭80.5m計(jì)算時(shí)，部件處水位折合高程為172.5m，水擊出現(xiàn)的涌浪在調(diào)壓井處高程為164.2m，水擊反流引起的水頭損失為8.3m。因此，需要重新核算水力過渡過程。經(jīng)過計(jì)算，正常蓄水位為157.5m時(shí)，機(jī)組部件處最大水擊壓力及靜水頭之和為89.42m，折合水位高程為181.42m，故在調(diào)壓井處因水擊引起的涌浪高程h=181.42m(水擊回流引起的水頭損失)。

當(dāng)原設(shè)計(jì)庫水位為157.5m時(shí)，水輪機(jī)部件最大靜水頭壓力為60m，水擊水頭為20.5m，在調(diào)壓井處引起涌浪高度為11m;當(dāng)發(fā)電機(jī)導(dǎo)葉有效關(guān)門時(shí)間比原設(shè)計(jì)短時(shí)，反流速度大于原設(shè)計(jì)，引起的水頭為12.3m，因此，在調(diào)壓井處水擊回流引起的水頭損失為181.42m-12.3m=169.12m，而設(shè)計(jì)調(diào)壓井頂高程為170.5m，故應(yīng)引起足夠重視。

5 隧洞的灌漿加固分析

隧洞灌漿設(shè)計(jì)采用回填灌漿和固結(jié)灌漿兩種形式相結(jié)合。兩種形式斷面之間的距離均為5m，回填灌漿在每個(gè)斷面拱頂設(shè)置3孔，深入巖石0.2m，固結(jié)灌漿在每個(gè)斷面上均勻布置6孔，深入巖石4m。兩種灌漿斷面間距2.5m(屬于交替布置)，在回填灌漿完成7天后進(jìn)行固結(jié)灌漿施工。從施工記錄看，不管是回填灌漿還是固結(jié)灌漿，施工質(zhì)量均符合規(guī)范要求，襯砌鋼筋混凝土與4m厚的巖壁黏結(jié)成為一個(gè)整體，大大提高了隧洞安全系數(shù)。

6 隧洞安全系數(shù)核算

施工中實(shí)際測得的巖石堅(jiān)固系數(shù) f=1、2、3、4，由于巖石很松散，近似看作f=tgφ(φ為內(nèi)摩角)，取f=1，則洞頂自然成拱時(shí)的塌落高度為3m，洞襯砌厚0.6m和固結(jié)灌漿厚4m之和為4.6m。

洞身灌漿后，隧洞受力模式按照洞內(nèi)充水時(shí)沿著襯砌混凝土環(huán)向受拉進(jìn)行計(jì)算。庫水位取157.5m，洞內(nèi)水壓力最大為54.62m。取1m段洞體作受力分析:將洞體沿著軸線處切開。

混凝土受拉力為F=PR(式中:F為拉力t，P為內(nèi)水壓強(qiáng)最大為56.12t/m2，R為半徑3m)

鋼筋為Ⅱ級(jí)螺紋鋼，彈性強(qiáng)度2.85t/cm2，隧洞襯砌配筋為雙層鋼筋，內(nèi)外層鋼筋數(shù)量型號(hào)相同，沿著洞軸線1m長度上單層配筋面積分別為:27.14cm2、29.45cm2、22.62cm2、30.79cm2、15.7cm2、40.27cm2、24.54cm2、19cm2、36.95cm2;0+159 ～0+207 段鋼筋面積15.7cm2，雙層鋼筋斷面面積為31.4cm2，鋼筋抗拉力為 F0=2P0S(式中:F0為拉力 t，P0彈性強(qiáng)度為2.85t/cm2，S為鋼筋斷面面積)，則鋼筋的抗拉力為F0=31.40×2.85×2=179t，C20混凝土的抗拉力為60t/m2，洞襯砌厚0.6m，混凝土抗拉力 F1為0.6×60=36t，F(xiàn)=48.8t/m2×3m=146.4t，安全系數(shù) K=(F0+F1)/F=215/146.4=1.47;在0+407～0+417段，F(xiàn)=56.12×3=168.36t，鋼筋抗拉力為 36.95×2×2.85×2=420t，混凝土抗拉力為36t，抗拉安全系數(shù)K=456/168.36=2.7。由于灌漿加固，在混凝土受拉開裂時(shí)，灌漿的巖石對(duì)混凝土洞壁產(chǎn)生了被動(dòng)側(cè)壓力，限制了開裂。因此，綜合考慮安全系數(shù)K大于1.7，洞身襯砌安全。

7 裂縫分析

洞身襯砌混凝土屬于大體積混凝土，查閱施工資料，在隧洞襯砌完成后不久，洞內(nèi)溫度突然降到零度左右。內(nèi)部水化熱在一定時(shí)期內(nèi)存在，內(nèi)外存在溫度梯度差，導(dǎo)致混凝土沿著長度方向進(jìn)行收縮，產(chǎn)生開裂;而施工縫處若處理不當(dāng)，就會(huì)使新舊混凝土結(jié)合處出現(xiàn)冷槎，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。因此，只要對(duì)裂縫進(jìn)行密封處理，防止鋼筋發(fā)生銹蝕，就不會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體安全。

8 結(jié)語

a.白河發(fā)電隧洞雖然在設(shè)計(jì)及施工上存在一定缺陷，但對(duì)洞體進(jìn)行了回填灌漿和固結(jié)灌漿，改變了洞體受力模式，由環(huán)向受壓加彎曲的模式變?yōu)榄h(huán)向受壓，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)大大提高。

b.混凝土洞身開裂，只要對(duì)環(huán)向縫密封，保證鋼筋不被銹蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響不大。

c.高水位157.5m時(shí)的發(fā)電情況，建議再次充分論證調(diào)壓井處的水擊涌浪高度?！?/p>

1 林繼鏞.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

2 密云水庫管理處.密云水庫建庫50周年論文匯編［G］.2010.

3 清華大學(xué).密云水庫安全檢查報(bào)告［R］.1996.