壓力管道下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度優(yōu)化

吳衛(wèi)東

(新疆兵團(tuán)水利水電工程集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的宏偉目標(biāo)，我國(guó)水電站迎來(lái)廣闊發(fā)展前景。水力發(fā)電資源進(jìn)一步得到重視，在新疆、西藏等復(fù)雜工程條件地區(qū)，開始大規(guī)模建設(shè)水力發(fā)電站，多采用引水發(fā)電方式，壓力管道豎井成為重點(diǎn)和難點(diǎn)工程[1-8]。在軟弱地層中建設(shè)壓力管道豎井時(shí)，下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度較大，容易出現(xiàn)溫度裂縫等情況，施工難度大風(fēng)險(xiǎn)高，已經(jīng)成為制約西部地區(qū)水利工程發(fā)展的“卡脖子”難題。本文以新龍口電站壓力管道下彎段為例，利用數(shù)值模擬方法對(duì)下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度進(jìn)行優(yōu)化，以期對(duì)類似工程提供借鑒。

1 工程背景

新龍口電站是奎屯河引水工程的重要組成部分，新疆奎屯河引水工程新龍口電站壓力管道工程管長(zhǎng)1 450.38 m，鋼管凈直徑為4.1 m，設(shè)計(jì)引水流量48.5 m3/s,管內(nèi)流速3.83 m/s，最大水錘壓力3.5 MPa，電站裝機(jī)140 MW。0+710～1+234.20段為地下埋管段，該段由豎井和下平洞組成。豎井和下平洞由下彎段連接。

如圖1所示，壓力管道豎井下彎段位于1 197.8 m～1 027.6 m范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)采用“初期支護(hù)+三層井壁”的復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)：1)采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+型鋼拱架+掛網(wǎng)噴護(hù)形成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)；2)一襯設(shè)計(jì)采用3 m厚C30鋼筋混凝土襯砌形成一襯支護(hù)結(jié)構(gòu)；3)待成井與平巷貫通后，由下至上2 m一節(jié)安裝Q345R壁厚44 mm的鋼襯，在鋼襯與外壁間4 m一個(gè)循環(huán)充填0.7 m厚C25膨脹混凝土，形成“鋼-混”復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)。

2 下彎段支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

以新疆奎屯河引水工程新龍口電站壓力管道高程在1 197.8 m～1 027.6 m范圍內(nèi)的下彎段為模擬對(duì)象，由于本數(shù)值模型主要討論下彎端外包混凝土厚度優(yōu)化，故數(shù)值模型只考慮地應(yīng)力平衡→外包C30鋼筋混凝土→700 mm厚C25充填混凝土+壁厚44 mm的鋼襯→由內(nèi)向外3.5 MPa水壓力四個(gè)階段。對(duì)比不同厚度(包括：1.5 m,2 m,2.5 m和3 m)的C30鋼筋混凝土應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和損傷等參數(shù)，進(jìn)而獲得外包鋼筋混凝土的最佳厚度。

2.1 基本假設(shè)

本研究數(shù)值模型計(jì)算的基本假設(shè)如下：

1)巖體是理想的彈塑性介質(zhì)。2)不考慮巖體變形的時(shí)間效應(yīng)和地下水滲流影響。3)忽略土層本身的構(gòu)造應(yīng)力及地層界線附近應(yīng)力集中現(xiàn)象。4)巖體為各向同性的均質(zhì)體。5)設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)為圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)。6)開挖擾動(dòng)區(qū)通過(guò)降低擾動(dòng)區(qū)巖體的模量來(lái)模擬開挖對(duì)巖體造成的擾動(dòng)影響。7)不考慮由于施工質(zhì)量出現(xiàn)的施工縫、損傷、缺陷等情況，即假設(shè)模型涉及到結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量良好。

2.2 數(shù)值模擬步驟

為了使模擬過(guò)程簡(jiǎn)化，模擬分步開挖及支護(hù)的順序可簡(jiǎn)化為如下步驟：

1)基于現(xiàn)有可用的地應(yīng)力數(shù)據(jù)設(shè)置模型的初始應(yīng)力條件。上邊界埋深為215 m，故模型上表面壓力4.96 MPa，側(cè)壓力系數(shù)按0.8，底部固定約束。先計(jì)算土體的自重應(yīng)力場(chǎng)，獲得土體在自重作用下的初始位移。這個(gè)位移是在土體最初形成直到今天的漫長(zhǎng)時(shí)光中，隨著土體固結(jié)而發(fā)生的沉降，它對(duì)豎井開挖沒有影響，因此在后續(xù)的施工過(guò)程模擬中，需要在位移場(chǎng)中減去初始位移場(chǎng)。故先進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算2 000步，位移場(chǎng)清零。

2)不同厚度(包括：1.5 m，2 m，2.5 m和3 m)外包C30鋼筋混凝土初次支護(hù)。激活其相應(yīng)區(qū)域內(nèi)外包C30鋼筋混凝土。

3)激活相應(yīng)區(qū)域內(nèi)鋼襯及0.7 m厚C25膨脹混凝土。

4)在鋼襯施加3.5 MPa水壓力。

2.3 參數(shù)選取與邊界條件

模型選取含水率為45%的礫巖層為現(xiàn)場(chǎng)資料提供實(shí)測(cè)物理力學(xué)參數(shù)，其他支護(hù)體系參數(shù)均以混凝土或Q345鋼材的經(jīng)驗(yàn)物理參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值模型z方向頂邊界為自由邊界，并采用附加質(zhì)量模型模擬上覆土體重量4.96 MPa，通過(guò)地應(yīng)力平衡法施加豎向作用力。底邊界為固定邊界，x方向左右邊界及y方向前后邊界設(shè)定為法向約束，豎向自由。地應(yīng)力考慮圍巖自重和側(cè)壓力系數(shù)為0.8的水平應(yīng)力，采用地應(yīng)力平衡法施加。綜上，獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)，混凝土材料模型取為混凝土損傷塑性模型，土體的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型。

3 下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度優(yōu)化

3.1 下彎段外包C30鋼筋混凝土初次支護(hù)位移-應(yīng)力場(chǎng)分析

如圖2所示，原設(shè)計(jì)特厚外包鋼筋混凝土澆筑完成后，襯砌內(nèi)部應(yīng)力范圍為-4.38 MPa～-17.64 MPa，下彎段上方壁座的應(yīng)力值最大，較大應(yīng)力區(qū)域?yàn)檠鼐查_挖軸線方向，隧洞周邊鋼筋混凝土應(yīng)力值為-6.59 MPa～-14.32 MPa，沿軸向方向由內(nèi)向外應(yīng)力逐漸減小。由于本數(shù)值模型物理力學(xué)參數(shù)中，一襯結(jié)構(gòu)彈性模量選用C30鋼筋混凝土，故該設(shè)計(jì)非常安全，最大主應(yīng)力僅為極限強(qiáng)度的57.9%，存在一定優(yōu)化空間。

隨著外包鋼筋混凝土厚度的減小，最大主應(yīng)力值不斷增加，當(dāng)厚度減小至1.5 m時(shí)，襯砌內(nèi)部應(yīng)力范圍為-4.10 MPa～-21.72 MPa，下彎段上方壁座的應(yīng)力值最大，較大應(yīng)力區(qū)域?yàn)檠鼐查_挖軸線方向，隧洞周邊鋼筋混凝土應(yīng)力值增長(zhǎng)至-7.03 MPa～-21.72 MPa，并且高應(yīng)力范圍明顯大于特厚外包混凝土。該階段2.5 m,2 m,1.5 m厚外包鋼筋混凝土最大主應(yīng)力分別為極限強(qiáng)度的63.3%,70.6%和72.4%。

綜上可見，該階段下彎段外包混凝土能夠滿足支護(hù)的需求，特厚度外包鋼筋混凝土最大主應(yīng)力值遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度，安全系數(shù)較大。

3.2 安裝內(nèi)鋼襯及充填膨脹混凝土后位移-應(yīng)力場(chǎng)分析

安裝內(nèi)鋼襯及充填膨脹混凝土后，外包鋼筋混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布基本保持不變，最大主應(yīng)力值均有不同程度的提高。該階段3 m,2.5 m,2 m,1.5 m厚外包鋼筋混凝土最大主應(yīng)力分別為極限強(qiáng)度的67%,67%,71.3%和73.3%?？梢姡撾A段不同厚度外包混凝土的最大主應(yīng)力值差別不大，只是下彎段軸線方向隧道周圍的高應(yīng)力范圍不同。特別是當(dāng)厚度為1.5 m時(shí)，下彎段與水平隧道連接處混凝土高應(yīng)力值為-14.25 MPa?？梢姡撾A段下彎段外包混凝土能夠滿足支護(hù)的需求，特厚度外包鋼筋混凝土最大主應(yīng)力值與其他厚度基本一致，存在一定優(yōu)化空間。

如圖3所示，C25充填膨脹混凝土后下彎段至水平隧道連接趨于基本不承擔(dān)地應(yīng)力，在下彎段與豎井連接區(qū)域附近承擔(dān)一部分豎井向下的壓應(yīng)力，四個(gè)工況下的壓應(yīng)力基本一致，為0.20 MPa～-6.27 MPa。最大主應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于充填混凝土的抗壓強(qiáng)度25 MPa，故認(rèn)為在此階段各個(gè)工況下C25充填膨脹混凝土均應(yīng)處于安全狀態(tài)。表明外包混凝土厚度變化基本不會(huì)影響到充填混凝土的應(yīng)力狀態(tài)。

3.3 鋼襯內(nèi)施加水壓力后位移-應(yīng)力場(chǎng)分析

鋼管施加3.5 MPa水壓后，厚度為2 m,1.5 m的外包混凝土最大主應(yīng)力值有所減小?？梢?，施加水荷載會(huì)抵消一部分地應(yīng)力對(duì)外包混凝土的影響。而厚度為 3 m,2.5 m的外包混凝土最大主應(yīng)力值基本保持不變，可見，隨著厚度的增加，內(nèi)水壓力抵消外荷載作用減弱，2 m為隔絕鋼管內(nèi)部水壓與外部地應(yīng)力的極限厚度。

該階段3 m,2.5 m,2 m,1.5 m厚外包鋼筋混凝土最大主應(yīng)力分別為極限強(qiáng)度的69.1%,69.8%,61.4%和63.2%?？梢姡穸葹? m和1.5 m時(shí)最大主應(yīng)力場(chǎng)在該階段均有所改善。但考慮到未來(lái)可能存在由于經(jīng)濟(jì)關(guān)閘產(chǎn)生的“水錘”效應(yīng)，故建議選擇2 m厚度的外包鋼筋混凝土更加有利。

C25充填膨脹混凝土的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律有所變化，下彎段至水平隧道連接區(qū)域的應(yīng)力值明顯增加，而下彎段與豎井連接區(qū)域附近應(yīng)力增加幅度較小。四個(gè)工況下的壓應(yīng)力基本一致，為0.80 MPa～-6.68 MPa。最大主應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于充填混凝土的抗壓強(qiáng)度25 MPa，故認(rèn)為在此階段各個(gè)工況下C25充填膨脹混凝土均應(yīng)處于安全狀態(tài)。表明水荷載主要由鋼管承擔(dān)，而非充填混凝土，充填混凝土主要起到連接鋼管與初期支護(hù)，形成聯(lián)合承載體的作用。

如圖4所示，滿水工況下，鋼管的最大主應(yīng)力場(chǎng)分布出現(xiàn)很大變化，整個(gè)鋼管最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力。4個(gè)工況下的拉應(yīng)力隨著外包鋼筋混凝土厚度的減小而增大，但是增加幅度不明顯。該階段3 m,2.5 m,2 m,1.5 m厚外包鋼筋混凝土工況下，鋼管最大主應(yīng)力最大值分別為40.95 MPa,43.02 MPa,46.03 MPa和50.11 MPa。拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼管的極限抗拉強(qiáng)度，認(rèn)為在此階段各個(gè)工況下鋼管均應(yīng)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)值模擬分析，可以得到以下結(jié)論：

1)數(shù)值模型綜合考慮了不同厚度外包C30鋼筋混凝土初次支護(hù)、布置內(nèi)鋼襯及充填C25膨脹混凝土、施加3.5 MPa水壓力三個(gè)階段。其中發(fā)現(xiàn)，外包C30鋼筋混凝土初次支護(hù)主要作用為承擔(dān)地應(yīng)力和豎井壓力。充填混凝土主要作用為連接鋼管和外包鋼筋混凝土，使二者形成共同承載體。鋼管主要作用為承擔(dān)水荷載。

2)在初次支護(hù)、布置內(nèi)鋼襯及充填C25膨脹混凝土兩個(gè)施工階段，不同厚度外包混凝土最大主應(yīng)力值及等效塑性應(yīng)變均相差不大，應(yīng)力值較小，基本處于安全狀態(tài)，可見C30鋼筋混凝土存在一定優(yōu)化空間。

3)在施加3.5 MPa水壓力階段，發(fā)現(xiàn)厚度為2 m,1.5 m 的外包混凝土最大主應(yīng)力值有所減小，而厚度為3 m，2.5 m的外包混凝土最大主應(yīng)力值基本保持不變的現(xiàn)象。表明施加水荷載會(huì)抵消一部分地應(yīng)力對(duì)外包混凝土的影響，但是隨著厚度的增加，內(nèi)水壓力抵消外荷載作用減弱，2 m為隔絕鋼管內(nèi)部水壓與外部地應(yīng)力的極限厚度。

綜上所述，外包C30鋼筋混凝土厚度為1.5 m和2 m時(shí)均能夠滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是在滿水階段外包混凝土受到地應(yīng)力、水荷載共同作用下的最大主應(yīng)力值減小，基本達(dá)到了應(yīng)力平衡。但考慮到未來(lái)可能存在由于經(jīng)濟(jì)關(guān)閘產(chǎn)生的“水錘”效應(yīng)，故建議選擇2 m厚度的外包鋼筋混凝土更加有利。