洞松水電站引水隧洞結構型式優化設計

張 吉 李 楠

(四川省水利水電勘測設計研究院 成都 610072)

1 工程概況

洞松水電站位于四川省甘孜州鄉城縣境內，為碩曲河鄉城段水電梯級規劃“一庫五級”開發方案中的第四級電站，總裝機容量為180MW，電站采用引水式發電。引水隧洞布置在碩曲河右岸，為有壓洞，引水線路全長17862.31m，其中引水暗涵長39m，引水隧洞長17823.31m，平面上設置8個轉彎點，轉彎半徑為50m，底板縱坡i=0.365%。

2 引水隧洞工程地質條件

圍巖分類綜合考慮到巖石強度、結構、巖體完整程度、結構面特征及其與洞軸線的組合關系、地下水影響和地應力等因素，采用《中小型水利水電工程地質勘察規范》中圍巖工程地質分類標準，結合《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50287—99)對洞身圍巖進行詳細分類［1］［2］。根據引水隧洞的巖性和結構面組合特征，圍巖分類原則如下:中厚層狀新鮮變質砂巖、砂質板巖和灰巖為Ⅲ類;薄層狀結構的巖體及弱風化中厚層狀巖體為Ⅳ1類;極薄層狀及碎裂相嵌結構巖體為Ⅳ2類;散體結構巖體為Ⅴ類。圍巖類別統計見表1。

表1 圍巖類別統計

3 可研階段引水隧洞結構設計

引水隧洞沿線承受的內水壓力為0.25～1.15MPa，考慮到隧洞圍巖受鄉城斷裂(F50)和索讓斷裂(F48)兩斷層的影響，完整性較差，大部分洞線與巖層走向交角較小，自身穩定性較差，圍巖類別較低，以Ⅳ1、Ⅳ2類為主，次為Ⅴ類、少量Ⅲ類，其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖占95.89%，碩曲河右岸岸坡未見地下水出露，隧洞長期運行時內水外滲后將改變原來的水文地質條件，可能引起岸坡垮塌等次生地質災害，故隧洞采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

3.1 洞形比選

按照水頭損失相等的原則，擬定圓形與平底馬蹄形兩種過流斷面進行比選。

3.1.1 圓形

圓形斷面直徑為6.6m。Ⅲ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度40cm，Ⅳ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，Ⅴ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度80cm。為方便施工，隧洞開挖斷面采用平底馬蹄形，襯砌時超挖的底板邊側腳部分采用C25混凝土進行回填。

3.1.2 平底馬蹄形

平底馬蹄形斷面底寬4.5m，高6.363m。Ⅲ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度40cm，Ⅳ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，Ⅴ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度80cm。

3.1.3 洞形選擇

采用圓形斷面較平底馬蹄形斷面從主體建筑工程投資上節省1732萬元，但為方便施工，考慮隧洞斷面為平底馬蹄形，斷面底寬4.5m，高6.363m。

3.2 結構設計

引水隧洞采用C25鋼筋混凝土襯砌，結構計算采用《水工隧洞設計規范》(SL 279—2002)建議的邊值法計算［3］，同時按限裂設計，其裂縫寬度要求小于0.25mm。

經計算，襯砌結構受運行情況控制。Ⅲ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度40cm，Ⅳ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，Ⅴ類圍巖鋼筋混凝土襯砌厚度80cm。同時對Ⅳ、Ⅴ類圍巖全斷面進行固結灌漿，每排8孔，排距3m，孔深6m。隧洞沿線洞頂120°范圍內進行回填灌漿。

4 引水隧洞結構優化設計

4.1 結構型式擬定

原結構設計中，馬蹄形斷面配筋較大，鋼筋間距較密，施工期混凝土澆筑質量保證上有較大困難，運行期結構應力狀態較差。根據已有的工程經驗，有壓隧洞采用圓形斷面，配筋較馬蹄形斷面相對減小，鋼筋間距相對增大。為此，對平底馬蹄形與圓形斷面在相同結構厚度的前提下進行結構計算，經過技術經濟比較，采用平底馬蹄形與內徑6.28m的圓形斷面進行技術經濟比選。

4.2 結構計算及分析

4.2.1 荷載組合

作用于隧洞襯砌的荷載及其組合如下:

a.運行情況:均勻內水壓力+無壓滿水重+襯砌自重

b.施工情況:襯砌自重+圍巖壓力+灌漿壓力

c.檢修情況:外水壓力+襯砌自重

4.2.2 計算參數的選取

a.內水壓力

選正常水位確定的內水壓力與三臺機組同時丟棄負荷時形成的水擊壓力兩者的最大值。

b.山巖壓力

運行及檢修期考慮經前期臨時支護后，圍巖變形趨于穩定，按不計圍巖壓力考慮;

施工期薄層狀及破裂散體結構的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力按下列公式計算:

垂直方向:qv=(0.2～0.3)γrE

水平方向:qh=(0.2～0.3)γrH

式中

qv——垂直均布圍巖壓力，kN/m2;

qh——水平均布圍巖壓力，kN/m2;

γr——巖體重量，kN/m3;

B——隧洞開挖寬度，m;

H——隧洞開挖高度，m。

c.外水壓力

按照下式進行估算:pe=βeγwHe

式中 pe——作用在襯砌結構外表面的地下水壓力，

kN/m2;

βe——外水壓力折減系數;

γw——水的重量，kN/m3;

He——地下水位線至隧洞中心的作用水頭，m。

d.圍巖物理力學參數指標

圍巖物理力學參數指標取值見表2。

表2 圍巖物理力學參數指標取值

4.2.3 結構計算

引水隧洞結構采用C25鋼筋混凝土襯砌，按限裂設計，其裂縫寬度小于0.25mm，

計算方案:內水壓力選取水庫正常水位確定的內水壓力與三臺機組同時丟棄負荷時形成的水擊壓力兩者的最大值，不考慮山巖壓力，分別對馬蹄形斷面、圓形斷面采用邊值法、有限元法進行配筋計算。

4.2.4 結果分析

計算結果對比見表3、表4。

表3 馬蹄形斷面邊值法和有限元法配筋成果(內層鋼筋)對比

表4 圓形斷面邊值法和有限元法配筋成果(內層鋼筋)對比

續表

a.在隧洞后段，平底馬蹄形邊墻與底板交角處因應力較大需采用加強筋，同時每延米混凝土環向受力鋼筋直徑大、根數多、間距較密，造成混凝土澆筑時，施工難度大，保證施工質量困難。

b.邊值法假定混凝土襯砌是一個完整的厚壁圓筒，筒壁可以承擔拉應力。當混凝土襯砌承受的水頭大于50～60m時，襯砌內、外側應力，都大于混凝土拉應力的允許值;內、外側應變，也都大于混凝土極限拉伸值;導致襯砌開裂。襯砌開裂以后，厚壁圓筒已經變成幾個弧形“瓦片”，其結構與受力條件，當然不能稱為“厚壁圓筒”，但邊值法在配筋計算中，仍按混凝土襯砌未開裂，按“厚壁圓筒”計算出的成果去配筋，其結果必然是配筋量很大。

c.有限元法計算結果雖然較邊值法更能切合實際，但沒有模擬洞線與巖層走向交角的關系以及原始地應力等參數，與圍巖實際地質條件有一定差別。通過與其他類似工程的對比分析，有限元法計算的邊界條件和結果與實際情況較為相符，可作為設計依據，在進行鋼筋混凝土襯砌配筋時，考慮到有限元法的不足，為確保工程安全，在其計算成果的基礎上根據分段的內水壓力大小需上浮一定的配筋量。

d.考慮到圓形斷面在相同襯砌混凝土厚度的條件下，因整體受力條件較好，可以減少鋼筋用量，投資較省，更能確保施工質量和運行期工程安全。通過進一步的設計工作，提出平底馬蹄形優化成圓形斷面的研究工作。

4.3 優化結果

引水隧洞優化前全段采用平底馬蹄形與優化后前段(隧0+039～隧4+500)采用平底馬蹄形、后段(隧4+500～隧17+862.31)采用圓形方案的工程量及投資估算比較見表5。

表5 工程量及投資估算比較

從上表可以看出，在未計入施工臨時工程投資的條件下，優化后的主體工程可節約投資1762萬元。

5 結論

a.引水隧洞(隧0+039～隧4+500)承受的內水壓力小于50m，平底馬蹄形襯砌混凝土鋼筋配筋量本身就不大。洞形優化成直徑為6.28m的圓形后，在襯砌混凝土厚度相同的條件下，鋼筋配筋量雖還可以適當減小，但節約投資不明顯。

b.引水隧洞(隧4+500～隧17+862.31)承受的內水壓力超過50m。洞形優化成直徑為6.28m的圓形后，在襯砌混凝土厚度相同的條件下，鋼筋用量明顯減少，節省工程投資明顯。

c.引水隧洞采用圓形斷面較馬蹄形斷面配筋相對減小，鋼筋間距相對增大，更能保證施工期混凝土澆筑質量，運行期可更好地發揮襯砌結構與圍巖聯合承受內水壓力作用，襯砌結構的應力狀態比較均勻，工作條件較好，對地質條件適應性更強，更能保證工程運行安全，工程投資也相對較省。

［1］SL 55—2005中小型水利水電工程地質勘察規范［S］.

［2］GB 50487—2008水利水電工程地質勘察規范［S］.

［3］SL 279—2002水工隧洞設計規范［S］.