CCS水電站壓力管道透水襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

吳昊 劉琳琳 鄒紅英

摘 要：厄瓜多爾CCS水電站壓力管道具有埋深大、水頭高等特點(diǎn)，常規(guī)不透水襯砌設(shè)計將導(dǎo)致配筋量過高而難以適用。CCS水電站壓力管道采用了透水襯砌設(shè)計，在對透水襯砌滲流場與有限元結(jié)構(gòu)耦合作用分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)力值計算了襯砌的配筋量。結(jié)果表明：在完建與檢修工況下，襯砌混凝土自身能夠滿足應(yīng)力需要，可不配置鋼筋;在正常運(yùn)行工況下，透水襯砌所需配筋量較小;在水擊工況下，襯砌所需配筋量相對較大，為透水襯砌配筋的控制工況。與常規(guī)不透水襯砌相比，透水襯砌設(shè)計可大大節(jié)省配筋量，并且計算結(jié)果與工程實(shí)際情況更為符合。

關(guān)鍵詞：壓力管道;滲流場;應(yīng)力場;透水襯砌;配筋量;CCS水電站

中圖分類號：TV554 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.020

Abstract：The penstocks of CCS Hydropower Station in Ecuador are characterized by deep buried depth and high waterhead. The conventional lining design leads to much reinforcement. The permeable lining is adopted in the CCS penstock. The coupling analysis of the seepage field and the finite element structure of the concrete lining was carried out and the permeable lining reinforcement was calculated. The result shows that the lining concrete can meet the stress requirements under the condition of completion and maintenance. For operating condition， the reinforcement needed by the permeable lining is quite small. For water hammer condition， the reinforcement needed by the permeable lining is quite large compared with the operating condition. The permeable lining is suitable in practice， and it can greatly reduce the amount of reinforcement compared with the conventional lining.

Key words： penstock; seepage field; stress field; permeable lining; reinforcement;CCS Hydropower Station

1 工程概況

CCS水電站位于厄瓜多爾COCA河上，距離首都基多約140 km。該項目為厄瓜多爾最重要的建設(shè)項目，是中國融資和中國公司承建的“一帶一路”重要工程，建成后可提供該國三分之一的電力供應(yīng)，受到中國及厄瓜多爾兩國政府的高度重視[1]。

CCS水電站調(diào)蓄水庫最高發(fā)電水位1 231.00 m，正常發(fā)電水位1 229.50 m，最低發(fā)電水位1 216.00 m，發(fā)電引水系統(tǒng)采用“兩管八機(jī)”布置，總裝機(jī)容量1 500 MW。

CCS水電站壓力管道包括上平段、豎井、下平段，其中上平段、豎井以及下平段的前部分采用鋼筋混凝土襯砌，下平段末端為壓力鋼管?；炷烈r砌內(nèi)徑5.80 m，Ⅱ類與Ⅲ類圍巖襯砌厚度60 cm，Ⅳ類與Ⅴ類圍巖襯砌厚度90 cm，最大內(nèi)水靜水頭超過600 m，屬于典型的高壓隧洞。

2 壓力管道襯砌形式選擇

水工隧洞在內(nèi)水壓力作用下，襯砌混凝土受拉開裂，并在施工缺陷以及溫度微裂紋等影響下，形成性態(tài)不一的宏觀裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)水外滲[2-3]，此類襯砌結(jié)構(gòu)稱為透水襯砌。

CCS水電站壓力管道設(shè)計時，上平段內(nèi)水頭相對較低，可采用常規(guī)鋼筋混凝土襯砌（不透水襯砌）;豎井和下平段內(nèi)水頭較高，常規(guī)不透水襯砌將導(dǎo)致配筋量過高而難以適用，因此設(shè)計時根據(jù)挪威準(zhǔn)則進(jìn)行了透水襯砌覆蓋層厚度驗算，豎井和下平段前半部分采用混凝土透水襯砌，下平段后半部分采用鋼管襯砌。施工開挖后，對下平段混凝土透水襯砌段進(jìn)行了地應(yīng)力測試，結(jié)果表明最小地應(yīng)力滿足透水襯砌要求[4]。

3 透水襯砌結(jié)構(gòu)計算

3.1 典型斷面選取

在進(jìn)行壓力管道透水襯砌設(shè)計時，對壓力管道滲流場和應(yīng)力場進(jìn)行了耦合計算，并根據(jù)豎井段與下平段的圍巖地質(zhì)分類，對豎井和下平段透水襯砌選擇了7個典型斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和配筋計算。因不同斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力和配筋計算在方法上一致，因此本文僅以下平段透水襯砌末端斷面為例進(jìn)行分析，典型斷面如圖1所示。

3.2 圍巖計算參數(shù)

根據(jù)地勘成果，計算分析采用的圍巖參數(shù)見表1。

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

透水襯砌混凝土強(qiáng)度fc=35 MPa;混凝土彈性模量為Ec=4 700fc，對應(yīng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度ft=0.1fc。襯砌內(nèi)鋼筋彈性模量Es=200 GPa，鋼筋屈服強(qiáng)度fy=420 MPa。

3.4 水壓力荷載分項系數(shù)與水力作用系數(shù)

完建與隧洞檢修期（隧洞內(nèi)無水，但承受外水壓力）水力作用系數(shù)Hf采用1.3，荷載作用系數(shù)采用1.0;運(yùn)行期考慮混凝土開裂特征及壓力管道的具體地質(zhì)特性，水力作用系數(shù)Hf采用1.65，荷載分項系數(shù)采用1.0。

3.5 計算模型

典型斷面圍巖類別為Ⅲ類，上覆蓋層厚度為630 m，建立的有限元模型共33 568個單元、35 154個節(jié)點(diǎn)，整體計算模型如圖2所示，襯砌結(jié)構(gòu)計算模型如圖3所示。模型中左右邊界、前后（水流方向）邊界與底部邊界采用位移約束，頂部采用均布荷載等效施加覆蓋層壓力。計算工況包括施工完建期、運(yùn)行期（不考慮水擊）、運(yùn)行期（考慮水擊）和檢修期四種。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 施工完建期

施工完建期考慮襯砌澆筑完成后（固結(jié)灌漿未完成時）地下水壓力作用在襯砌外表面（襯砌單獨(dú)承載），襯砌厚度為60 cm，地下水壓力水頭為129 m。計算結(jié)果表明，襯砌混凝土環(huán)向為受壓應(yīng)力狀態(tài)，最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在襯砌底板外表面，最大壓應(yīng)力10.05 MPa，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)底板與邊墻交界位置的內(nèi)表面，為0.29 MPa。

4.2 運(yùn)行期（不考慮水擊）

在內(nèi)水壓力（不考慮水擊）作用下，襯砌混凝土開裂造成內(nèi)水外滲，滲透水壓全部由鋼筋承擔(dān)，計算得到襯砌所需要鋼筋面積為676 mm2/m。

4.3 運(yùn)行期（考慮水擊）

在水擊工況下，認(rèn)為水擊壓力為作用在襯砌內(nèi)表面的均布力，滲透壓力和水擊壓力由襯砌鋼筋全部承擔(dān)，計算得到襯砌所需要的鋼筋面積為5 797 mm2/m。

4.4 檢修期

內(nèi)水壓力作用下豎井段大部分?jǐn)嗝媾c下平段襯砌混凝土將開裂，考慮襯砌開裂后內(nèi)水外滲影響的外水壓力作用在襯砌外表面上，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行襯砌抗外壓強(qiáng)度計算分析，結(jié)構(gòu)計算過程中不考慮荷載作用系數(shù)。計算結(jié)果表明，襯砌混凝土環(huán)向為受壓應(yīng)力狀態(tài)，最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在襯砌底板的外表面，達(dá)25.39 MPa，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)底板與邊墻交界位置的內(nèi)表面，達(dá)0.73 MPa。

4.5 計算結(jié)果分析

從上述計算結(jié)果可以看出，在施工完建期和檢修期，假定外水完全作用在混凝土襯砌上、不考慮鋼筋作用的情況下，混凝土襯砌可承受全部外水壓力，此種工況可按常規(guī)混凝土不透水襯砌進(jìn)行設(shè)計。在正常運(yùn)行期（不考慮水擊）工況下，與常規(guī)不透水襯砌相比，采用透水襯砌設(shè)計配筋量較小。在水擊工況下，與透水襯砌正常運(yùn)行（不考慮水擊）工況相比，雖然配筋量在可接受的范圍內(nèi)，但配筋量顯著增大。

水擊壓力是一種動水壓力，時間效應(yīng)非常明顯，認(rèn)為水擊壓力是作用在襯砌內(nèi)表面的均布力是可以接受的，但假定水擊壓力由襯砌鋼筋全部承擔(dān)，在設(shè)計理論上可能偏于保守。從理論上來看，更合適的方法應(yīng)是采用動力分析，水擊壓力由混凝土襯砌、襯砌鋼筋和圍巖共同承擔(dān)。

5 需要注意的其他問題

CCS水電站壓力管道透水襯砌設(shè)計涉及的關(guān)鍵問題有兩條壓力管道的布置及透水襯砌起點(diǎn)選擇等。根據(jù)進(jìn)水口和廠房位置，通過布置研究，使任一條壓力管道洞身各方向和兩條壓力管道之間的圍巖在不同運(yùn)行工況下不產(chǎn)生滲透破壞和水力劈裂，同時在高地應(yīng)力區(qū)管道軸線方向應(yīng)與最大水平地應(yīng)力方向有較小的夾角。由于壓力管道水頭高、洞線長，因此透水襯砌起點(diǎn)位置的選擇不僅直接關(guān)系著工程的運(yùn)行安全，而且對工程的投資影響巨大[5]。

高壓引水隧洞透水襯砌覆蓋層厚度和最小地應(yīng)力是影響透水襯砌結(jié)構(gòu)安全的重要因素，只有在覆蓋層厚度計算結(jié)果和最小地應(yīng)力測試滿足要求的前提下，才能夠考慮按透水襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。固結(jié)灌漿措施是保證高壓引水隧洞透水襯砌結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵所在，細(xì)致周密的灌漿圈不僅可以減少運(yùn)行期的內(nèi)水外滲流量，減小隧洞沿線山體因地下水位升高而發(fā)生滑坡破壞的可能，而且在檢修期間可以作為襯砌的一道擋水屏障，減小作用于襯砌外表面的水壓力，避免襯砌發(fā)生外壓破壞。

內(nèi)水外滲問題是高壓隧洞透水襯砌運(yùn)行期間的主要問題之一，除了加強(qiáng)圍巖固結(jié)灌漿措施等，應(yīng)避免產(chǎn)生人為的滲流通道，防止產(chǎn)生集中的內(nèi)水外滲和在襯砌外表面誘發(fā)沿著管軸線縱向劈裂的可能。鑒于高壓隧洞的長期運(yùn)行需求，同時考慮到地下工程的不可預(yù)見性與隨機(jī)性，應(yīng)加強(qiáng)高壓隧洞運(yùn)行監(jiān)測與管理，嚴(yán)格控制檢修排水期間的放水速度，在關(guān)鍵位置埋設(shè)監(jiān)測儀器如滲壓計、鋼筋計等，進(jìn)行長期監(jiān)測[6]。

CCS水電站于2010年7月28日正式開工建設(shè)，2016年11月竣工并投產(chǎn)發(fā)電，從目前情況來看，透水襯砌運(yùn)行情況良好。

6 結(jié) 語

在高內(nèi)壓下襯砌環(huán)向拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度后，襯砌混凝土發(fā)生損傷破壞，表現(xiàn)為微裂紋萌生、擴(kuò)展并貫通，直至產(chǎn)生宏觀裂縫，洞內(nèi)高壓水沿裂縫通道外滲使得滲透水壓增大，在影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分布的同時加劇損傷，如此相互影響，是一個復(fù)雜的多場耦合過程[7]。目前國內(nèi)水工高壓隧洞結(jié)構(gòu)透水襯砌設(shè)計尚無適用的規(guī)范可循，研究并適時開展透水襯砌規(guī)范編制，對提高透水襯砌的設(shè)計水平，保證工程安全有積極意義。CCS水電站壓力管道透水襯砌設(shè)計可為透水襯砌規(guī)范編制及其他類似工程設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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【責(zé)任編輯 張華巖】