高壓引水隧洞襯砌配筋設(shè)計(jì)

李小磊

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401121)

0 引 言

目前，國(guó)外水電站建設(shè)工程中，對(duì)高壓引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要都是基于不透水的襯砌設(shè)計(jì)，這種方式根據(jù)面力理論進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，其會(huì)使工程配筋量大大提高，這對(duì)工程投資一項(xiàng)很大的支出。同時(shí)，由于內(nèi)水壓力過高，襯砌結(jié)構(gòu)開裂，在運(yùn)轉(zhuǎn)期，內(nèi)水迅速外滲，在檢修期，外水也隨之迅速滲入，因而面力理論已經(jīng)難以較好地反映這種相互作用，更難以真實(shí)地模擬隧洞與圍巖介質(zhì)中形成的穩(wěn)定的滲流場(chǎng)[1]。因此，如果能夠改進(jìn)這種設(shè)計(jì)方式，有效地降低配筋量，同時(shí)又能夠保證工程的安全性，提高工程綜合效益，那么這將是一件極其有意義的事情。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀概述

所謂高壓隧洞，在《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中將其定義為洞內(nèi)壓力水頭不小于100m的隧洞。對(duì)于這類隧洞的襯砌配筋設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，筆者整理如下。

國(guó)外引水隧洞設(shè)計(jì)通過施加彈簧，模擬襯砌和圍巖的相互作用，通過彈性力學(xué)對(duì)混凝土、圍巖剛度比加以計(jì)算，并以此為依據(jù)對(duì)內(nèi)水壓力進(jìn)行科學(xué)分配。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此種設(shè)計(jì)方案下，難以明確襯砌強(qiáng)度與裂縫問題的關(guān)系，認(rèn)為一旦洞內(nèi)壓力較大，則需要大量配筋量，但是往往與工程實(shí)際情況存在較大差異。

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者通過施工模擬的方式，較好的展現(xiàn)了襯砌開裂時(shí)鋼筋應(yīng)力情況，一旦襯砌開裂，則內(nèi)、外水壓力逐漸趨于平衡，相應(yīng)的襯砌所承受的荷載呈現(xiàn)為下降趨勢(shì)，對(duì)于配筋量的要求減少。還有學(xué)者基于體力理論根據(jù)襯砌開裂的內(nèi)力值計(jì)算配筋量和裂縫開展寬度，這樣子雖然可以實(shí)現(xiàn)襯砌開裂的模擬，然而非線性流固耦合也會(huì)產(chǎn)生較難收斂情況，存在錯(cuò)綜復(fù)雜的可變因素，無法判斷計(jì)算結(jié)果[2]。

在高壓引水隧洞中，綜合考慮混凝土自身屬性與襯砌受力情況，要求洞內(nèi)混凝環(huán)向應(yīng)變≤0.00005。如：在隧洞施工時(shí)，選用C21混凝土，則極限拉應(yīng)力=1.05MPa，當(dāng)內(nèi)水水頭超過100m時(shí)，混凝土一定會(huì)開裂。

總而言之，對(duì)高壓引水隧洞進(jìn)行襯砌配筋設(shè)計(jì)就必須考慮開裂的因素。因此文章以襯砌開裂為前提，假設(shè)襯砌、圍巖構(gòu)成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，進(jìn)一步模擬內(nèi)、外水滲透作用，通過減少壓力差進(jìn)而有效降低配筋量。

2 透水襯砌設(shè)計(jì)過程

2.1 基本假設(shè)

本設(shè)計(jì)基本假設(shè)參數(shù)如下：①隧洞襯砌斷面：豎向軸對(duì)稱；②襯砌、圍巖無裂縫；③在內(nèi)壓的影響下，襯砌開裂，迅速形成穩(wěn)定的滲流場(chǎng)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下不需要考慮由于地下水而作用于外壁的外水壓力；④圍巖松動(dòng)區(qū)、完整區(qū)或者固結(jié)灌漿區(qū)與襯砌混凝土間滲透量相等，混凝土與圍巖完全接觸，無相互滑動(dòng)。

2.2 Bedded-beam-spring計(jì)算模型

本計(jì)算模型下，采取梁?jiǎn)卧瑔卧L(zhǎng)度=5°圓心角弧長(zhǎng)，對(duì)襯砌斷面進(jìn)行模擬，節(jié)點(diǎn)位置施以法向、切向彈簧gap單元，對(duì)襯砌、圍巖的互相作用進(jìn)行模擬，通過計(jì)算內(nèi)力進(jìn)一步確定配筋量。

彈簧單元法相剛度計(jì)算公式為:

(1)

切向剛度計(jì)算公式為:

(2)

式中：kr、kτ為彈簧法向、切向剛度;θ為梁?jiǎn)卧獔A心角;b為計(jì)算寬度;Gr、Er、μ為圍巖剪切模量、彈性模量、泊松比。

2.3 透水襯砌設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上文分析，決定采用滲流理論展開透水襯砌設(shè)計(jì)，基本假設(shè)參數(shù)如下：裂縫寬度、個(gè)數(shù)分別為2a、n，代入公式計(jì)算內(nèi)水外滲并作用于外表面的壓力，同時(shí)，計(jì)算作用于外壁的壓力，建設(shè)滿足公式(1)、(2)的法/切向剛度要求的Bedded- beam-spring模型，計(jì)算出各工況內(nèi)力，確定配筋量，并檢驗(yàn)核算裂縫的寬度與間距，如檢驗(yàn)核算結(jié)果與假設(shè)不符合，則返回前述步驟重新計(jì)算。

特別需要注意的是，上面所述滲流計(jì)算的重要前提是已知裂縫個(gè)數(shù)和寬度，并且完整混凝土的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開裂混凝土，因此在計(jì)算時(shí)，絕大多數(shù)的內(nèi)、外水均經(jīng)由裂縫滲出，由此裂縫寬度是一個(gè)重要參數(shù)[3]。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

文章僅以某水電站為例，具體分析了高壓引水隧洞襯砌配筋設(shè)計(jì)工作。本項(xiàng)目中，預(yù)期裝機(jī)容量為180MW，計(jì)劃共設(shè)置3臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，額定引用流量、水頭分別為42.3 m3/s，額定水頭495m。在水電站建設(shè)中，調(diào)壓室豎井規(guī)劃為圓形斷面，內(nèi)徑、高度分別是7.0m、76m，底板高程1429.00m，井壁上、下部的襯砌厚度分別為100cm、50cm；壓力管道豎井內(nèi)徑4.1m，井壁襯砌厚度40-50cm。

通過計(jì)算可知，本項(xiàng)目斷面內(nèi)水壓力為2.41MPa，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，隧洞外水壓力水頭取值2.18MPa。

3.2 相關(guān)參數(shù)

表1-表4列出了相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 混凝土、鋼筋力學(xué)參數(shù)

表3 鋼筋力學(xué)參數(shù)

表4 裂縫、滲透參數(shù)

3.3 計(jì)算工況及其荷載系數(shù)

在后續(xù)相關(guān)計(jì)算中，全部采取表5所示的4種工況進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算，此外各工況一一對(duì)應(yīng)的荷載系數(shù)也在表中相應(yīng)位置予以標(biāo)注。

表5 各工況相應(yīng)載荷系數(shù)

3.4 計(jì)算模型

以襯砌斷面中軸線為原型，構(gòu)建計(jì)算模型，整個(gè)襯砌斷面共計(jì)分為72個(gè)梁?jiǎn)卧⒃趯?duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置使用彈簧加以約束，根據(jù)圍巖相關(guān)數(shù)據(jù)分別計(jì)算得到Ⅱ、Ⅲ類法向、切向剛度。

3.5 計(jì)算結(jié)果

由上文分析可得，在正常運(yùn)行情況下，Ⅱ類圍巖外水壓力=1.865MPa，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)其為內(nèi)水壓力的85.6%；Ⅲ類圍巖外水壓力=1.089 MPa，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)其為內(nèi)水壓力的50.0%。相應(yīng)可得，檢修階段，Ⅱ、Ⅲ類圍巖的外水壓力折減系數(shù)分別是0.08、0.12。

隨后對(duì)上述荷載進(jìn)行組合，可得如表6計(jì)算結(jié)果。

表6 圍巖內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

基于上述計(jì)算結(jié)果可得，Ⅱ、Ⅲ類圍巖配筋的內(nèi)、外側(cè)分別為5Φ20、5Φ25。通過彈性力學(xué)法，計(jì)算對(duì)應(yīng)的內(nèi)力，其計(jì)算結(jié)果如表7所示。Ⅱ類圍巖配筋應(yīng)該為內(nèi)外側(cè)各4Φ32，Ⅲ類圍巖配筋應(yīng)該為內(nèi)外側(cè)各6Φ32。

表7 圍巖內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

文章在研究過程中，考慮襯砌開裂問題，分別模擬滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果展開結(jié)構(gòu)計(jì)算，總結(jié)出一套可以用于高壓引水隧洞襯砌配筋設(shè)計(jì)的方法，隨后經(jīng)案例研究證明，本方法切合實(shí)際，可行性高，且計(jì)算方法簡(jiǎn)單靈活。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于高壓引水隧洞，圍巖承載力直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)安全，通過襯砌作業(yè)，可有效加固、穩(wěn)定圍巖，通過滲流理論計(jì)算可在保證結(jié)構(gòu)可靠的基礎(chǔ)上減小配筋量，相應(yīng)的減少工程投資，縮短工程工期。

[1]王毅航.越南昆江水電站引水隧洞鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)[J].中國(guó)廚衛(wèi)，2016(08):81-84.

[2]王小軍.TBM開挖隧洞管片襯砌結(jié)構(gòu)三維有限元分析及配筋計(jì)算[J].南水北調(diào)與水利科技，2015，13(03):606-608.

[3]張洋.某水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定與襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算[J].中國(guó)水運(yùn)月刊，2015(10):216-218.

[4]劉琳琳，趙寧，吳昊.高壓引水隧洞受力分析[J].工程技術(shù):全文版，2016(05):190-191.