淺析水擊壓力對浩口水電站引水隧洞結構襯砌計算的影響

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(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶，401120)

1 工程概況

浩口水電站工程位于重慶市武隆縣南部，重慶市彭水縣和貴州省道真縣交界處，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程。本電站在系統(tǒng)中汛期擔負峰荷，枯水期進行日調節(jié)運行，電站總裝機135MW，水庫正常高水位352.00m，總庫容8962萬m3。壩址位于烏江南岸芙蓉江下游武隆縣浩口鄉(xiāng)浩口村附近的河段上，控制集水面積7400km2。樞紐工程距下游江口電站約23km，距武隆縣城32km。浩口水電站工程等別為Ⅲ等中型工程，其永久性水工主要建筑物(大壩、引水系統(tǒng)、廠房)級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。浩口水電站樞紐主要由重力壩、壩頂溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、岸邊廠房等建筑物組成。引水系統(tǒng)由進水口和引水隧洞組成，引水隧洞位于左岸河道山體內，由兩條平行的有壓隧洞組成，洞軸線間距20.0m，隧洞斷面為圓形，內徑7.5m。

2 地質情況

引水隧洞自進口沿線穿越地層依次為三疊系下統(tǒng)茅口組第三段(P1m3)和第二段(P1m2)中厚-厚層狀灰?guī)r、茅口組第一段(P1m1)薄-中厚層狀眼球狀灰?guī)r、棲霞組第三段(P1q3)有機質灰?guī)r、泥質生物碎屑灰?guī)r和棲霞組第二段(P1q2)中厚層狀含燧石結核有機質灰?guī)r、棲霞組第一段(P1q1)灰色中厚-厚層狀灰?guī)r、有機質灰?guī)r以及梁山組(P1l)鋁土巖和志留系中統(tǒng)韓家店組(S2h)泥巖、頁巖。

P1m3、P1m2、P1q3、P1q1地層巖石為中硬巖，P1m1地層為較軟巖，P1l和S2h地層為軟巖。隧洞埋深一般80m～150m，最大埋深約225m；圍巖屬弱～微新巖體，彈抗系數(shù)取值：Ⅱ類圍巖5900MN/m2、Ⅲ類圍巖2900MN/m2、Ⅳ類圍巖1000MN/m2。

3 引水隧洞結構布置

1#、2#引水隧洞平行布置，洞軸線間距20.0m，均由上平段、落管段、下平段三部分組成。1#引水隧洞長298.85m，上平段長216.20m，隧洞中心線高程336.25m；落管段長59.52m；下平段長23.13m，隧洞中心線高程297.05m。2#引水隧洞長328.37m，上平段長210.36m，隧洞中心線高程336.25m；落管段長59.34m；下平段長58.67m，隧洞中心線高程297.05m。

引水隧洞為圓形斷面，內徑7.5m，采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5m。

4 隧洞計算控制標準

引水隧洞建筑物級別為3級，隧洞安全級別為Ⅱ級，結構重要性系數(shù)1.0，裂縫寬度在長期組合情況下小于0.25mm，分為以下三種荷載組合進行計算：

(1)運行期：內水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；

(2)檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；

(3)施工期：灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重。

本次水工隧洞計算主要驗證內水壓力取值對計算成果的影響，內水壓力除設計洪水位情況下的靜水壓力外，是否考慮水擊壓力兩種情況進行比較。

5 計算斷面選取

根據(jù)引水隧洞開挖后的實際情況，選取水頭較大、地質情況較典型的斷面進行有無水擊壓力情況下隧洞的結構計算比較。經(jīng)分析最終將2#隧洞樁號2K0+280.0作為典型斷面。該斷面地層巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組第一段(P1q1)灰色厚層狀灰?guī)r，屬中硬巖，局部夾頁巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整；洞壁多干燥，局部濕潤。屬Ⅲ類圍巖，彈性抗力取值2900MN/m2。

6 水擊壓力

水工隧洞運行過程中，水流流速發(fā)生急劇變化將引起大幅度波動，而產(chǎn)生巨大壓力形成水擊壓力，比如發(fā)電機組直線啟閉。經(jīng)過調保計算，確定最大內水壓力(含水機壓力)出現(xiàn)在2#引水隧洞，典型計算斷面位于最大內水壓力處，總壓力水頭74.74m。計算中導葉關閉規(guī)律和2#機組甩負荷大波動過渡過程曲線見下圖。

圖1 導葉關閉規(guī)律

1 導頁關閉時間 2 機組轉速 3 蝸殼壓力 4 尾水管壓力 5 機組功率

7 計算方法

7.1 結構計算

隧洞斷面較大，且兩條隧洞間距較小，隧洞結構采用有限元法進行計算，圍巖壓力采用系數(shù)法計算，荷載計算模型如下：

圖3 隧洞荷載計算模型

在內水壓力作用下，鋼筋面積按下式計算：

式中：P——均勻內水壓力(襯砌內緣頂部的內水壓力值)，在承載能力極限狀態(tài)為設計值，在正常使用極限狀態(tài)為標準值，kPa；

γ0——結構重要性系數(shù)，按結構安全級別采用，本工程取1.0；

γd——結構系數(shù)；

Ko——圍巖單位彈性抗力系數(shù)，kN/m3(kPa/m)；

[σs]——鋼筋的允許應力設計值，kPa；

Ec——混凝土彈性模量，kPa。

7.2 正截面裂縫寬度驗算

考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長期作用影響后的最大裂縫寬度，按下列公式計算：

式中：wmax——最大裂縫寬度，mm；

lf——平均裂縫間距，mm；

ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)；當ψ<0.3時，取ψ=0.3；

α1、α2——計算系數(shù)；

d——受拉鋼筋直徑，mm；

μ——受拉鋼筋配筋率；

ν——與受拉鋼筋表面形狀有關的系數(shù)：對螺紋鋼筋，取v=0.7。

8 計算結果

本次計算分為兩種工況，除內水壓力不同外，其余所有參數(shù)相同，兩種工況內水壓力情況如下：

工況一：內水壓力不考慮水擊壓力，內水計算水頭60.80m；

表1運行期持久狀況承載能力極限狀態(tài)內力比較

工況一工況二軸力(kN)彎矩(kN·m)軸力(kN)彎矩(kN·m)相差比例(%)1285.417.071564.618.9921.721307.947.681590.489.8321.601210.526.151517.468.9025.361233.167.561523.819.7223.571179.656.91470.348.8224.64

表2運行期持久狀況正常使用極限狀態(tài)內力比較

工況一工況二軸力(kN)彎矩(kN·m)軸力(kN)彎矩(kN·m)相差比例(%)1219.26.711485.678.5221.861242.517.321512.199.3721.701146.925.791440.858.4425.631171.47.211448.819.2623.681118.656.551396.058.3724.80

工況二：內水壓力考慮水擊壓力，內水計算水頭74.74m。

工況一根據(jù)計算內力配筋，其抗裂度不滿足要求，故工況一配筋受裂縫寬度控制。配筋成果見表3、表4。

表3 工況一按內力配筋計算成果

表4 工況一按裂縫寬度配筋計算成果

工況二根據(jù)計算內力配筋，其抗裂度不滿足要求，故工況二配筋受裂縫寬度控制。配筋成果見下表5、表6。

表6 工況二按裂縫寬度配筋計算成果

根據(jù)計算成果，在考慮水擊壓力的情況下，內層布置HRB400直徑32mm鋼筋，間距150mm，外層布置HRB400直徑25mm鋼筋，間距150mm，基本滿足控制裂縫寬度0.25mm。為更好控制裂縫寬度，襯砌斷面內層采用HRB400直徑25mm與HRB400直徑20mm焊接的鋼筋束，間距150mm，外層采用HRB400直徑25mm鋼筋，間距150mm。

9 結語

對于本工程引水隧洞，根據(jù)兩種內水壓力形成的兩種工況計算對比，工況二(考慮水擊壓力)比工況一(不考慮水擊壓力)內力增加約21%～25%。為保證壓力隧洞結構的安全性和耐久性，在結構計算中須充分考慮水擊壓力的影響。