白河發電隧洞結構安全分析

張立濤

(北京市密云水庫管理處，北京 101512)

1 基本情況

密云水庫白河發電隧洞，尾部與白河電廠連接，任務是向下游輸水、發電。隧洞為圓形壓力隧洞，洞身為圓形鋼筋混凝土，內直徑6m，全長421.36m。襯砌厚度0.6m，發電最大引用流量Q=229m3/s，不發電最大引用流量Q=380m3/s。

運行幾年后，在樁號0+100～0+120附近正長斑巖層的上游洞外地下水位與庫水位相差很少，而下游地下水位則驟降至洞底以下;樁號0+100以后很大一段范圍內外水壓力比原設計的低。雖然后來對隧洞進行了回填灌漿和固結灌漿，自經過1994年最高庫水位運行后，對洞身襯砌進行檢查發現洞身存在一些環向裂縫，長度均小于1m，寬度均小于1mm。

2 白河電站洞身段工程地質條件

白河發電隧洞由于地層倒轉折裂，使得大部分洞壁巖層受到劇烈擾動，巖石普遍不完整，且斷裂，裂隙大多夾有1～10cm的潮濕黏土顆粒，極易崩解。巖層傾向上游，傾角60～80°，局部直立，與洞軸線成60～70°夾角。巖層構造變動現象可概括為填充構造裂隙發育，小型(寬度多不大于1m)斷層頗多，最大頻率1條/m，因此，在洞頂往往形成三角形或扇形不穩定巖塊。

3 電站引水隧洞襯砌設計和施工配筋校核

a.荷載情況:荷載主要包括均勻內水壓力、不均勻內水壓力、外水壓力、山巖壓力、襯砌自重等，如下圖所示。

隧洞內外水壓力線圖

b.根據內力組合，對配筋數量和抗裂安全進行計算并匯制成表，如下表所示。經檢查，發現在隧洞襯砌施工中，0+104～0+130、0+147～0+159、0+207～0+237三段存在襯砌配筋量低于設計量，導致洞身混凝土開裂，致使洞身漏水，發生鋼筋銹蝕，進而降低鋼筋強度，影響結構耐久性，因此，需要加固。

白河發電隧洞配筋與安全系數表

4 調壓井處最高涌浪高度校核

設計內水壓力、外水壓力與實際工況存在一定區別，且電站發電機導葉有效關門時間比原設計短。原設計水輪機過水部件按照水擊水頭80.5m計算時，部件處水位折合高程為172.5m，水擊出現的涌浪在調壓井處高程為164.2m，水擊反流引起的水頭損失為8.3m。因此，需要重新核算水力過渡過程。經過計算，正常蓄水位為157.5m時，機組部件處最大水擊壓力及靜水頭之和為89.42m，折合水位高程為181.42m，故在調壓井處因水擊引起的涌浪高程h=181.42m(水擊回流引起的水頭損失)。

當原設計庫水位為157.5m時，水輪機部件最大靜水頭壓力為60m，水擊水頭為20.5m，在調壓井處引起涌浪高度為11m;當發電機導葉有效關門時間比原設計短時，反流速度大于原設計，引起的水頭為12.3m，因此，在調壓井處水擊回流引起的水頭損失為181.42m-12.3m=169.12m，而設計調壓井頂高程為170.5m，故應引起足夠重視。

5 隧洞的灌漿加固分析

隧洞灌漿設計采用回填灌漿和固結灌漿兩種形式相結合。兩種形式斷面之間的距離均為5m，回填灌漿在每個斷面拱頂設置3孔，深入巖石0.2m，固結灌漿在每個斷面上均勻布置6孔，深入巖石4m。兩種灌漿斷面間距2.5m(屬于交替布置)，在回填灌漿完成7天后進行固結灌漿施工。從施工記錄看，不管是回填灌漿還是固結灌漿，施工質量均符合規范要求，襯砌鋼筋混凝土與4m厚的巖壁黏結成為一個整體，大大提高了隧洞安全系數。

6 隧洞安全系數核算

施工中實際測得的巖石堅固系數 f=1、2、3、4，由于巖石很松散，近似看作f=tgφ(φ為內摩角)，取f=1，則洞頂自然成拱時的塌落高度為3m，洞襯砌厚0.6m和固結灌漿厚4m之和為4.6m。

洞身灌漿后，隧洞受力模式按照洞內充水時沿著襯砌混凝土環向受拉進行計算。庫水位取157.5m，洞內水壓力最大為54.62m。取1m段洞體作受力分析:將洞體沿著軸線處切開。

混凝土受拉力為F=PR(式中:F為拉力t，P為內水壓強最大為56.12t/m2，R為半徑3m)

鋼筋為Ⅱ級螺紋鋼，彈性強度2.85t/cm2，隧洞襯砌配筋為雙層鋼筋，內外層鋼筋數量型號相同，沿著洞軸線1m長度上單層配筋面積分別為:27.14cm2、29.45cm2、22.62cm2、30.79cm2、15.7cm2、40.27cm2、24.54cm2、19cm2、36.95cm2;0+159 ～0+207 段鋼筋面積15.7cm2，雙層鋼筋斷面面積為31.4cm2，鋼筋抗拉力為 F0=2P0S(式中:F0為拉力 t，P0彈性強度為2.85t/cm2，S為鋼筋斷面面積)，則鋼筋的抗拉力為F0=31.40×2.85×2=179t，C20混凝土的抗拉力為60t/m2，洞襯砌厚0.6m，混凝土抗拉力 F1為0.6×60=36t，F=48.8t/m2×3m=146.4t，安全系數 K=(F0+F1)/F=215/146.4=1.47;在0+407～0+417段，F=56.12×3=168.36t，鋼筋抗拉力為 36.95×2×2.85×2=420t，混凝土抗拉力為36t，抗拉安全系數K=456/168.36=2.7。由于灌漿加固，在混凝土受拉開裂時，灌漿的巖石對混凝土洞壁產生了被動側壓力，限制了開裂。因此，綜合考慮安全系數K大于1.7，洞身襯砌安全。

7 裂縫分析

洞身襯砌混凝土屬于大體積混凝土，查閱施工資料，在隧洞襯砌完成后不久，洞內溫度突然降到零度左右。內部水化熱在一定時期內存在，內外存在溫度梯度差，導致混凝土沿著長度方向進行收縮，產生開裂;而施工縫處若處理不當，就會使新舊混凝土結合處出現冷槎，導致裂縫出現。因此，只要對裂縫進行密封處理，防止鋼筋發生銹蝕，就不會影響結構整體安全。

8 結語

a.白河發電隧洞雖然在設計及施工上存在一定缺陷，但對洞體進行了回填灌漿和固結灌漿，改變了洞體受力模式，由環向受壓加彎曲的模式變為環向受壓，結構的安全系數大大提高。

b.混凝土洞身開裂，只要對環向縫密封，保證鋼筋不被銹蝕，對結構安全影響不大。

c.高水位157.5m時的發電情況，建議再次充分論證調壓井處的水擊涌浪高度。■

1 林繼鏞.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

2 密云水庫管理處.密云水庫建庫50周年論文匯編［G］.2010.

3 清華大學.密云水庫安全檢查報告［R］.1996.