蓄集峽引水發(fā)電洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

□周雪梅 □包芬芬（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

蓄集峽引水發(fā)電洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

□周雪梅 □包芬芬（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

蓄集峽水利樞紐工程位于青海巴音河峽谷出口上游，根據(jù)工程特點，結(jié)合地形、地質(zhì)條件布置了引水發(fā)電洞。根據(jù)圍巖類型選擇合理的隧洞錨噴支護設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)計算，采取合適的襯砌類型，對高壓引水隧洞采用合適的襯砌類型，隧洞整體設(shè)計安全、合理、經(jīng)濟、滿足運行要求。

引水發(fā)電洞；結(jié)構(gòu)設(shè)計；蓄集峽水利樞紐工程

1 工程概況

蓄集峽水利樞紐工程位于巴音河峽谷出口上游約6 km處，距海西州德令哈市東北60 km左右，壩址控制流域面積4 970 km2，壩址多年平均流量8.73 m3/s，年徑流量2.75億m3。蓄集峽水利樞紐工程是巴音河干流骨干調(diào)蓄工程，其開發(fā)任務(wù)以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水為主，兼顧發(fā)電、防洪等綜合利用的大（2）型工程。水庫總庫容1.62億m3，正常蓄水位3 468 m，正常蓄水位以下有效庫容1.39億m3。樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、放空洞、生態(tài)基流放水管等組成。電站為岸邊式地面廠房，廠內(nèi)安裝3臺單機容量為11 MW的混流式水輪發(fā)電機組，電站總裝機容量為33 MW，年發(fā)電量10 405萬KWh。

引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸，由豎井式進水口、壓力引水洞、調(diào)壓井、壓力管道、地面廠房、尾水渠等建筑物組成。引水發(fā)電洞總長約6 440.54 m，引水流量為20.40 m3/s，采用一洞三機供水方式。引水發(fā)電洞采用圓形鋼筋混凝土襯砌，橫跨包饒浩饒溝部位及調(diào)壓井后洞段采用鋼襯。隧洞在樁號1+225 m之前洞徑為3.20 m，之后洞徑為3.00 m，在Ⅲ、Ⅳ類等圍巖隧洞襯砌厚0.40 m，Ⅴ類圍巖隧洞襯砌厚0.50 m，鋼管外回填0.70 m厚素混凝土。

2 引水發(fā)電洞地質(zhì)條件

引水線路沿線地貌單元屬于中高山區(qū)到中山區(qū)的過渡地帶，臨河最高山峰海拔4 324 m，河床最低處（巴音河的峽谷出口處）3 265 m，相對高差500～1 000 m，地勢北高南低。因受宗務(wù)隆山強烈上升的影響，沿線山體雄厚、溝谷深切、支溝發(fā)育。岸坡坡度一般50～60°，局部近直立。引水發(fā)電洞圍巖大部分為石炭系上統(tǒng)的大理巖、板巖互層，屬Ⅲ類圍巖，斷層穿過處為Ⅳ類圍巖。引水洞出口位于斷層帶中，為Ⅴ類圍巖。

3 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 隧洞襯砌型式選擇

3.1.1 斷面形狀的選擇

有壓隧洞多采用圓型，它的優(yōu)點是：水力特性好，同樣的斷面面積，具有最大的過水能力；在內(nèi)外壓力作用下，受力條件最佳，高內(nèi)、外水壓力的隧洞都宜優(yōu)先選用圓斷面。圓形斷面施工期圍巖二次應(yīng)力調(diào)整后應(yīng)力狀態(tài)較有利于發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，運行期圓形斷面有壓隧洞可更好地發(fā)揮襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)合承受內(nèi)水壓力作用，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)比較均勻，工作條件較好；圓形有壓隧洞配筋量小，節(jié)省投資。其缺點是：弧形底板在開挖過程中，交通運輸較為不便。考慮到本工程引水隧洞沿線承受的內(nèi)水壓在134.20～214.50 m（靜水頭）之間，外水壓最高約5MPa，內(nèi)、外水壓均較大，且沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，從隧洞的用途、水力學(xué)、地質(zhì)條件、襯砌工作條件、施工方法（施工期交通運輸可采用有軌運輸方案解決）等方面綜合考慮，引水隧洞采用圓形斷面。

3.1.2 襯砌型式的選擇

引水隧洞沿線承受的最高內(nèi)水壓為0.80～2.60 MPa，由于引水隧洞洞線與河道大致平行，圍巖以Ⅲ類為主，局部Ⅳ～Ⅴ類，巖層走向與河流總體走向近于垂直，巖層近于直立，圍巖裂隙發(fā)育，洞線與河谷水平距離較近（大多在170～500 m范圍內(nèi)），在高壓水作用下，易發(fā)生流向河谷方向的滲漏，并危及圍巖穩(wěn)定及附近邊坡安全。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2002）規(guī)定：不襯砌隧洞只宜在Ⅰ、Ⅱ類圍巖使用；錨噴襯砌只宜在低壓隧洞中使用。綜合上述因素，引水隧洞采用常規(guī)的鋼筋混凝土襯砌型式，對于圍巖厚度不滿足最小埋深要求的洞段（跨包饒浩饒溝處）、調(diào)壓井后襯砌段（該段處于斷層擠壓破碎帶）采用鋼襯型式。

3.2 隧洞噴錨支護設(shè)計

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2002）附錄F錨噴支護類型及其參數(shù)表，隧洞洞身開挖洞徑D＜5 m，錨噴支護措施：A型襯砌（Ⅲ類圍巖洞段）∶噴C20混凝土厚0.10 m，邊墻和頂拱240°范圍掛鋼筋網(wǎng)Φ6@150，設(shè)隨機錨桿Φ25，L=2 m。B型襯砌（Ⅳ類圍巖洞段）∶噴C20混凝土厚0.10m，邊墻和頂拱240°范圍掛鋼筋網(wǎng)Φ6@150，設(shè)系統(tǒng)錨桿Φ25@1.25 m，L=2 m。

C型襯砌（Ⅴ類圍巖洞段）：噴C20混凝土厚0.15 m，邊墻和頂拱240°范圍掛鋼筋網(wǎng)Φ6@150，設(shè)系統(tǒng)錨桿Φ25@1 m，L=2 m。D型襯砌（Ⅴ類圍巖、且原位監(jiān)測變形大的洞段）：開挖形狀為馬蹄形，噴C20混凝土厚0.20 m，邊墻和頂拱240°范圍掛鋼筋網(wǎng)Φ6@150，設(shè)系統(tǒng)錨桿Φ25@1 m，L=2 m；配置鋼拱架，間距0.80～1 m，型號：工字鋼Ⅰ14。

3.3 隧洞結(jié)構(gòu)計算

襯砌結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)允許開裂設(shè)計，正常使用極限狀態(tài)長期組合時，最大裂縫寬度允許值為0.25 mm，短期組合時最大裂縫寬度允許值為0.30 mm。

按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，考慮正常運用工況、校核洪水位工況、檢修工況。各種工況下荷載效應(yīng)組合如表1承載能力極限狀態(tài)（荷載）效應(yīng)組合表。

表1 承載能力極限狀態(tài)（荷載）效應(yīng)組合表

3.3.1 計算方法

在正常運行工況和校核洪水位運行工況中，內(nèi)水為控制荷載，可應(yīng)用襯砌承受均勻內(nèi)水壓力時的靜力計算方法，根據(jù)彈性厚壁圓筒作用原理進行計算。計算假定在均勻內(nèi)水壓力作用下，隧洞混凝土襯砌沿徑向開裂。正常使用極限狀態(tài)，根據(jù)設(shè)計要求，進行裂縫寬度的驗算。在檢修工況中，地下水壓力為控制荷載，可用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行計算，計算采用理正巖土計算程序。

3.3.2 襯砌結(jié)構(gòu)配筋計算

3.3.2.1 受均勻內(nèi)水壓力作用時的襯砌計算：

鋼筋面積計算：假定在均勻內(nèi)水壓力作用下，隧洞混凝土襯砌沿徑向開裂。按雙層配筋計算，鋼筋面積計算按下式：

式中：p—均勻內(nèi)水壓力；r0—襯砌外半徑；ri—襯砌內(nèi)半徑；Es—鋼筋彈性模量；K0—圍巖單位彈性抗力系數(shù)］—鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計值

在其他荷載作用下，按下式計算，最后相應(yīng)疊加，但不得小于最小配筋率。

鋼筋應(yīng)力校核：

襯砌裂縫寬度的驗算：隧洞襯砌最大裂縫寬度，可按下式計算：

式中：ωmax—最大裂縫寬度；lf—平均裂縫間距；ψ—裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；α1、α2—計算系數(shù)；σs—襯砌結(jié)構(gòu)正常使用情況受拉鋼筋應(yīng)力（標(biāo)準(zhǔn)值）；d—受拉鋼筋直徑；μ—受拉鋼筋配筋率；H—襯砌厚度；ftk—混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；ν—與受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù)；e0—軸向力對截面重心的偏心距。具體計算結(jié)果如表2、表3、表4、表5。

表2 Ⅲ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算表

表3 Ⅳ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算表

表4 Ⅴ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算表

表5 隧洞混凝土襯砌最終選用配筋結(jié)果表

4 結(jié)語

根據(jù)工程的特點，結(jié)合地形、地質(zhì)條件布置了引水發(fā)電洞。隧洞采用圓形鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層不夠的部位及破碎帶采用圓形壓力鋼管襯砌。根據(jù)圍巖類型，選擇合理的隧洞錨噴支護設(shè)計；通過結(jié)構(gòu)計算，采取合適的襯砌類型，隧洞整體設(shè)計安全、合理、經(jīng)濟、滿足運行要求。

（責(zé)任編輯：劉長垠 邢博輝）

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