某水電樞紐工程引水隧洞塌方處理有限元法計算分析

韓 松，劉 佳，郭建業(yè)，謝振峰

（1. 豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132108；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

某水電樞紐工程引水隧洞塌方處理有限元法計算分析

韓 松1，劉 佳1，郭建業(yè)2，謝振峰2

（1. 豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132108；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

該工程引水隧洞為有壓洞，具有洞徑大、內(nèi)水水頭高及塌方范圍大等特點，因此，其處理方案的結(jié)構(gòu)設計和計算是個關(guān)鍵問題。 本文通過對塌方段處理方案的全面計算分析，最終確定了堆渣體灌漿處理厚度和襯砌的結(jié)構(gòu)配筋，該方案已在工程中成功實施，為確保電站效益的持續(xù)發(fā)揮起到了極其重要的作用。

引水隧洞；塌方處理；有限元法計算

1 工程概況

樞紐主要建筑物由擋水壩、岸坡式溢洪道、引水隧洞、發(fā)電廠房及開關(guān)站等組成，為二等大（2）型工程，地震基本烈度為Ⅵ度。引水隧洞全長約 7 km，建筑物級別為 3 級。

2 隧洞塌方段情況簡介

該隧洞在施工過程中產(chǎn)生局部塌方，塌方段長度 13.5m，塌方空腔最大高度約 40m，隧洞中心線垂直向上最大高度約 31.5m，塌方最大寬度約 25m，塌方堆渣體上部凈空最高約 12m。從縱剖面上看，塌腔中心線偏向洞軸線右側(cè)，兩者夾角約 16°，從最大塌方橫剖面上看，塌方偏向洞中心線右側(cè)（面向上游），基本位于左頂拱至右腰線之間 90°的范圍內(nèi)。根據(jù)實測的塌方空腔形狀和塌方空腔估算，塌方量4300m3左右。

3 塌方段工程地質(zhì)條件

圍巖為二疊系下統(tǒng)吳家坪組（P2w）下部和二疊系上統(tǒng)茅口組（P1m）的上部地層。

吳家坪組（P2w）巖性含燧石結(jié)核灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，深灰色，細～微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造； 底部發(fā)育有透鏡狀厚度 0～3.0m，由破碎黑色泥灰?guī)r、頁巖夾中薄層碳質(zhì)頁巖構(gòu)成的軟巖夾層，屬軟質(zhì)巖，其中炭質(zhì)頁巖巖塊投入水中僅幾分鐘就崩解為細顆粒狀和粉土的混合物，圍巖類別為Ⅳ類，自穩(wěn)能力差。

茅口組（P1m）含瀝青質(zhì)燧石結(jié)核灰?guī)r偶夾炭質(zhì)頁巖和泥灰?guī)r：深灰色，細～微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。中厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、含瀝青質(zhì)燧石結(jié)核灰?guī)r均為硬質(zhì)巖，巖石呈微風化狀態(tài)，圍巖自穩(wěn)能力強；洞壁干燥為主，局部潮濕，圍巖類別為Ⅱ類。

隧洞塌方段附近在兩側(cè)邊墻各見有節(jié)理，走向為 N50°～60°E，傾向 NW 和 SE，傾角 85°左右，斷續(xù)長度約 50.0m，寬度 0～2mm，方解石充填，節(jié)理面起伏光滑，節(jié)理間距 5～22m，節(jié)理切割層理，腰線以上存在不利圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合。

吳 家 坪組（P2w）底 部 發(fā)育的 透 鏡 狀厚 度 0 ～3.0 m（由破碎黑色泥灰?guī)r、頁巖夾中薄層碳質(zhì)頁巖構(gòu)成的軟巖夾層），自身為工程地質(zhì)缺陷，炭質(zhì)頁巖巖層受洞內(nèi)水的浸蝕不斷的軟化變形，崩解的細顆粒狀和粉土的混合物沿破裂的噴射混凝裂縫溢出形成小塌腔，小塌腔與不利圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合聯(lián)合作用不斷擴大塌腔釀成較大規(guī)模塌方。

4 塌方處理設計計算

4.1 處理方案擬定

由于塌方段圍巖破碎，塌腔上部情況無法探明，若盲目處理會導致圍巖繼續(xù)失穩(wěn)，造成二次塌方，根據(jù)以往類似處理經(jīng)驗，結(jié)合塌方體實際情況，決定對該塌方段采取管棚、超前小導管注漿配合工字鋼架支撐，對塌方地段灌注水泥液漿的處理方法通過，管棚以上堆渣不再進行清理。

根據(jù)塌方段的施工方案，結(jié)合引水隧洞實際受力情況，擬定了鋼筋混凝土襯砌方案進行處理。

根據(jù)實測的塌方空腔形狀，空腔上大下小，體積約 4300m3，空腔若全部采用混凝土回填處理的話，回填量大、投資高、施工困難，因此設計對該方案進行了大量計算和設計優(yōu)化。由于堆渣體厚度較大，對頂拱以上一定厚度范圍內(nèi)的堆渣體進行固結(jié)灌漿處理，使其灌后達到一定的強度，根據(jù)洞子實際受力，采用有限元法對灌漿處理厚度進行敏感性分析，最終在滿足設計安全可靠要求的前提下優(yōu)選出該參數(shù)。同時根據(jù)固結(jié)灌漿后的堆渣體所能達到的彈性模量計算襯砌所需要的合理配筋。

4.2 有限元法結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)正常蓄水位與下游調(diào)壓井最高涌浪高程，以及引水洞總長計算出隧洞塌方段中心線處內(nèi)水壓力為 100.1m。根據(jù)地質(zhì)縱剖面圖地下水位線顯示，外水壓力約 120m。

隧洞襯砌后設計洞徑 6.0m，施工臨時管棚在洞中心線4m以外布設，鋼筋混凝土襯砌厚度采用 1.0m。

由于此處理方式下塌方段隧洞已非埋藏洞或明洞，結(jié)構(gòu)屬于非桿件體系，因此采用了平面有限元法選擇最不利塌方斷面進行分析計算。按照正常運行及檢修兩種工況，根據(jù)隧洞最小內(nèi)徑、襯砌厚度、實際受力等按照有限元法進行結(jié)構(gòu)及配筋驗算?；炷痢r石、灌漿后堆渣體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 各材料物理力學參數(shù)

經(jīng)計算分析，結(jié)構(gòu)安全由正常運行工況控制，以此工況下灌漿堆渣體頂部水平向應力具有不小于 0.1MPa 的壓應力為控制條件，對堆渣體固結(jié)灌漿處理厚度進行敏感性分析，計算結(jié)果表明，最小處理厚度介于 16~18m 之間，按大值 18m 計。

根據(jù)計算結(jié)果，由于灌漿堆渣體和巖石模量相差較大，襯砌受力非常不均勻，其最大拉應力位于巖石和灌漿體交界處（軟硬介質(zhì)交界部位），最大拉應力約 2.7MPa，超過混凝土抗拉強度標準值且均勻貫穿襯砌整個厚度。

提取襯砌典型部位應力進行積分合成內(nèi)力，根據(jù) SL191-2008《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》非桿件體系配筋計算原則，按照承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)分別進行配筋量計算。計算結(jié)果表明，襯砌最終配筋由正常使用極限狀態(tài)控制（裂縫控制驗算）。

正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)裂縫控制驗算，可通過限制鋼筋應力間接控制裂縫寬度。標準組合下的受拉鋼筋應力 σsk符合規(guī)定 ：σsk≤αsfyk。其中：σsk為在標準組合下受拉鋼筋應力；fyk為鋼筋強度標準值；αs為考慮環(huán)境影響的鋼筋應力限制系數(shù)。

配筋量計算公式為：

式中：Tk——為標準組合下有鋼筋承擔的拉力；As——需要的鋼筋截面面積。

計算結(jié)果：頂拱 12857mm2，右邊拱 6848mm2，底拱 5528mm2，左邊拱 6867mm2。每米長度配筋 20 根 φ30，由于襯砌厚度內(nèi)全斷面受拉，為軸心受拉構(gòu)件，配筋襯砌內(nèi)外圈均分，均為 10 根，間距10cm，鋼筋凈距 7cm。

4.3 質(zhì)量檢查要求

待鋼筋混凝土襯砌施工完畢之后必須對堆渣進行固結(jié)灌漿，綜合考慮固結(jié)后堆渣單位彈抗與襯砌配筋關(guān)系、堆渣固結(jié)灌漿的施工難度、固結(jié)灌漿效果以及灌漿效果檢測等因素，確定堆渣固結(jié)灌漿的最終效果采用固結(jié)后堆渣的單位彈抗 K0來衡量，并且要求 K0不小于 0.8GPa/m。但考慮到后期彈抗的檢測方法非常繁瑣且比較昂貴，根據(jù)圍巖類別與彈抗和波速的對應關(guān)系，后期可以通過物探聲波檢測、鉆孔壓水試驗來間接評價灌漿效果，要求固結(jié)后堆渣的檢測波速 v 不小于 3000 m/s，同時要求其壓水試驗透水率不大于 0.05L/ (min·m·m）。

為了保證固結(jié)灌漿效果，建議事先進行現(xiàn)場灌漿試驗，推薦合理的灌漿程序、灌漿方法、灌漿工藝、合宜的灌漿材料、漿液配比及灌漿參數(shù)。

5 結(jié)語

該工程隧洞受力條件及處理方案，對其進行了有限元法結(jié)構(gòu)計算，最終確定了堆渣體灌漿處理厚度和襯砌的結(jié)構(gòu)配筋。該工程現(xiàn)已發(fā)電一年有余，經(jīng)隧洞放空檢查，塌方處理段無任何異?，F(xiàn)象。說明設計方案和計算方法合理，同時積累了隧洞塌方處理及設計計算的相關(guān)經(jīng)驗，并為類似工程的處理提供了借鑒。

［1］張全喜，崔桂華.吉林省老龍口水利樞紐工程引水洞施工中塌 方 處 理方案 探 析［J］. 吉 林水利 ，2007，10（305）：59-62.

［2］李志斌.小灣水電站下游圍堰可控性灌漿施工技術(shù)［J］.四川水力發(fā)電，2011，10（1）：80-82.

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