壓力管道下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度優化

吳衛東

(新疆兵團水利水電工程集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來，為實現“碳達峰”“碳中和”的宏偉目標，我國水電站迎來廣闊發展前景。水力發電資源進一步得到重視，在新疆、西藏等復雜工程條件地區，開始大規模建設水力發電站，多采用引水發電方式，壓力管道豎井成為重點和難點工程[1-8]。在軟弱地層中建設壓力管道豎井時，下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度較大，容易出現溫度裂縫等情況，施工難度大風險高，已經成為制約西部地區水利工程發展的“卡脖子”難題。本文以新龍口電站壓力管道下彎段為例，利用數值模擬方法對下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度進行優化，以期對類似工程提供借鑒。

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1 450.38 m，鋼管凈直徑為4.1 m，設計引水流量48.5 m3/s,管內流速3.83 m/s，最大水錘壓力3.5 MPa，電站裝機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，設計采用“初期支護+三層井壁”的復合井壁結構：1)采用錨桿+鋼筋網+型鋼拱架+掛網噴護形成初期支護結構；2)一襯設計采用3 m厚C30鋼筋混凝土襯砌形成一襯支護結構；3)待成井與平巷貫通后，由下至上2 m一節安裝Q345R壁厚44 mm的鋼襯，在鋼襯與外壁間4 m一個循環充填0.7 m厚C25膨脹混凝土，形成“鋼-混”復合井壁結構。

2 下彎段支護結構數值模擬

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范圍內的下彎段為模擬對象，由于本數值模型主要討論下彎端外包混凝土厚度優化，故數值模型只考慮地應力平衡→外包C30鋼筋混凝土→700 mm厚C25充填混凝土+壁厚44 mm的鋼襯→由內向外3.5 MPa水壓力四個階段。對比不同厚度(包括：1.5 m,2 m,2.5 m和3 m)的C30鋼筋混凝土應變場、應力場和損傷等參數，進而獲得外包鋼筋混凝土的最佳厚度。

2.1 基本假設

本研究數值模型計算的基本假設如下：

1)巖體是理想的彈塑性介質。2)不考慮巖體變形的時間效應和地下水滲流影響。3)忽略土層本身的構造應力及地層界線附近應力集中現象。4)巖體為各向同性的均質體。5)設置初始應力場為圍巖的初始地應力場。6)開挖擾動區通過降低擾動區巖體的模量來模擬開挖對巖體造成的擾動影響。7)不考慮由于施工質量出現的施工縫、損傷、缺陷等情況，即假設模型涉及到結構施工質量良好。

2.2 數值模擬步驟

為了使模擬過程簡化，模擬分步開挖及支護的順序可簡化為如下步驟：

1)基于現有可用的地應力數據設置模型的初始應力條件。上邊界埋深為215 m，故模型上表面壓力4.96 MPa，側壓力系數按0.8，底部固定約束。先計算土體的自重應力場，獲得土體在自重作用下的初始位移。這個位移是在土體最初形成直到今天的漫長時光中，隨著土體固結而發生的沉降，它對豎井開挖沒有影響，因此在后續的施工過程模擬中，需要在位移場中減去初始位移場。故先進行初始地應力計算2 000步，位移場清零。

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。激活其相應區域內外包C30鋼筋混凝土。

3)激活相應區域內鋼襯及0.7 m厚C25膨脹混凝土。

4)在鋼襯施加3.5 MPa水壓力。

2.3 參數選取與邊界條件

模型選取含水率為45%的礫巖層為現場資料提供實測物理力學參數，其他支護體系參數均以混凝土或Q345鋼材的經驗物理參數為計算依據，數值模擬物理力學參數如表1所示。

表1 物理力學參數表

數值模型z方向頂邊界為自由邊界，并采用附加質量模型模擬上覆土體重量4.96 MPa，通過地應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方向前后邊界設定為法向約束，豎向自由。地應力考慮圍巖自重和側壓力系數為0.8的水平應力，采用地應力平衡法施加。綜上，獲得初始地應力場，混凝土材料模型取為混凝土損傷塑性模型，土體的本構關系采用Mohr-Coulomb模型。

3 下彎段外包鋼筋混凝土井壁厚度優化

3.1 下彎段外包C30鋼筋混凝土初次支護位移-應力場分析

如圖2所示，原設計特厚外包鋼筋混凝土澆筑完成后，襯砌內部應力范圍為-4.38 MPa～-17.64 MPa，下彎段上方壁座的應力值最大，較大應力區域為沿井筒開挖軸線方向，隧洞周邊鋼筋混凝土應力值為-6.59 MPa～-14.32 MPa，沿軸向方向由內向外應力逐漸減小。由于本數值模型物理力學參數中，一襯結構彈性模量選用C30鋼筋混凝土，故該設計非常安全，最大主應力僅為極限強度的57.9%，存在一定優化空間。

隨著外包鋼筋混凝土厚度的減小，最大主應力值不斷增加，當厚度減小至1.5 m時，襯砌內部應力范圍為-4.10 MPa～-21.72 MPa，下彎段上方壁座的應力值最大，較大應力區域為沿井筒開挖軸線方向，隧洞周邊鋼筋混凝土應力值增長至-7.03 MPa～-21.72 MPa，并且高應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力分別為極限強度的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的需求，特厚度外包鋼筋混凝土最大主應力值遠小于極限強度，安全系數較大。

3.2 安裝內鋼襯及充填膨脹混凝土后位移-應力場分析

安裝內鋼襯及充填膨脹混凝土后，外包鋼筋混凝土應力場分布基本保持不變，最大主應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力分別為極限強度的67%,67%,71.3%和73.3%。可見，該階段不同厚度外包混凝土的最大主應力值差別不大，只是下彎段軸線方向隧道周圍的高應力范圍不同。特別是當厚度為1.5 m時，下彎段與水平隧道連接處混凝土高應力值為-14.25 MPa。可見，該階段下彎段外包混凝土能夠滿足支護的需求，特厚度外包鋼筋混凝土最大主應力值與其他厚度基本一致，存在一定優化空間。

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地應力，在下彎段與豎井連接區域附近承擔一部分豎井向下的壓應力，四個工況下的壓應力基本一致，為0.20 MPa～-6.27 MPa。最大主應力值遠遠低于充填混凝土的抗壓強度25 MPa，故認為在此階段各個工況下C25充填膨脹混凝土均應處于安全狀態。表明外包混凝土厚度變化基本不會影響到充填混凝土的應力狀態。

3.3 鋼襯內施加水壓力后位移-應力場分析

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力值有所減小。可見，施加水荷載會抵消一部分地應力對外包混凝土的影響。而厚度為 3 m,2.5 m的外包混凝土最大主應力值基本保持不變，可見，隨著厚度的增加，內水壓力抵消外荷載作用減弱，2 m為隔絕鋼管內部水壓與外部地應力的極限厚度。

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力分別為極限強度的69.1%,69.8%,61.4%和63.2%。可見，厚度為2 m和1.5 m時最大主應力場在該階段均有所改善。但考慮到未來可能存在由于經濟關閘產生的“水錘”效應，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力場分布規律有所變化，下彎段至水平隧道連接區域的應力值明顯增加，而下彎段與豎井連接區域附近應力增加幅度較小。四個工況下的壓應力基本一致，為0.80 MPa～-6.68 MPa。最大主應力值遠遠低于充填混凝土的抗壓強度25 MPa，故認為在此階段各個工況下C25充填膨脹混凝土均應處于安全狀態。表明水荷載主要由鋼管承擔，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，形成聯合承載體的作用。

如圖4所示，滿水工況下，鋼管的最大主應力場分布出現很大變化，整個鋼管最大主應力為拉應力。4個工況下的拉應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，鋼管最大主應力最大值分別為40.95 MPa,43.02 MPa,46.03 MPa和50.11 MPa。拉應力遠遠低于鋼管的極限抗拉強度，認為在此階段各個工況下鋼管均應處于安全狀態。

4 結論

根據以上數值模擬分析，可以得到以下結論：

1)數值模型綜合考慮了不同厚度外包C30鋼筋混凝土初次支護、布置內鋼襯及充填C25膨脹混凝土、施加3.5 MPa水壓力三個階段。其中發現，外包C30鋼筋混凝土初次支護主要作用為承擔地應力和豎井壓力。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水荷載。

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

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

綜上所述，外包C30鋼筋混凝土厚度為1.5 m和2 m時均能夠滿足結構的穩定性，特別是在滿水階段外包混凝土受到地應力、水荷載共同作用下的最大主應力值減小，基本達到了應力平衡。但考慮到未來可能存在由于經濟關閘產生的“水錘”效應，故建議選擇2 m厚度的外包鋼筋混凝土更加有利。