固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌配筋設計優化

楊 樂

(四川涼山水洛河電力開發有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

固滴水電站系水洛河干流(額斯～捷可)水電規劃“一庫十一級”中的第六座梯級電站，上游接鉆根水電站，下游接新藏水電站。電站水庫正常蓄水位高程2 311 m，總庫容104萬m3，電站裝機容量為138 MW。采用引水式開發，樞紐工程由混凝土閘壩、右岸引水隧洞及地下發電廠房組成。該工程規模為三等、中型，主要水工建筑物之擋泄水建筑物、引水發電系統等為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物。

引水隧洞長10 852 m，布置于水洛河右岸山體中，沿線為由玄武巖、砂板巖等形成的中高山區，軸線地表高程2 400～2 895 m，埋深100～400 m，洞段長7 660 m，約占全洞總長度的72%；其中埋深大于400 m洞段的長度為2 960 m，約占全洞總長度的28%，引水隧洞沿線承受的內水壓力為0.13～0.77 MPa。

2 原設計方案中的結構設計

根據設計藍圖，引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌洞段均采用雙層鋼筋襯砌，鋼筋及混凝土工程量均較大。Ⅳ類圍巖洞段平均單位延米鋼筋量為2.08 t/m，平均含筋率為173.1 kg/m3。該配筋量相較類似工程偏大。因此，引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的襯砌配筋具有較大的優化空間。

從節約投資、縮短工期、施工方便以及所具有的類似長引水電站工程經驗等方面綜合考慮，通過精細化設計，對固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段結構支護設計可進行適當的優化調整。在目前電力市場形勢下，優化設計和降低工程投資可提高電站的市場競爭力。

3 襯砌結構設計優化的思路

(1)參照寶興河小關子、九龍河溪古、水洛河新藏等類似工程經驗，其引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段均采用單層鋼筋。固滴水電站引水隧洞斷面直徑、設計水頭、PD值在同類水電站中均相對較小，因此，固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段采用單層鋼筋是可行的。

(2)固滴水電站引水隧洞全長10 852 m，現按三個標段進行分段結構設計，其中引水一標、二標段分段長度較長，隧洞分段結構設計段段數少，設計精細化不夠，若引水一標、二標段的引水隧洞分段結構設計段數按設計水頭分為三段，將分段長度控制在1.5～2 km，可以提高結構設計的合理性。

(3)該引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段開挖后均進行了系統的初期支護，后期還將進行系統的固結灌漿，因此，根據規范要求及類似工程經驗，在結構計算時，物理力學參數可取上限值進行計算。

4 設計優化方案的計算

4.1 基本參數

4.1.1 隧洞圍巖物理力學參數

隧洞圍巖物理力學參數見表1。

4.1.2 分段計算水頭

分段計算水頭情況見表2。

本次計算Ⅳ類圍巖噴混凝土厚度為10 cm，襯砌混凝土厚度為50 cm。有限元計算采用圍巖參數中的中值和高值；靜力學計算采用低、中、高三組參數計算。

表1 隧洞圍巖物理力學參數建議值表

表2 分段計算水頭表

注：以頂拱半徑計算PD值。

4.2 配筋計算方法

有限元計算應力配筋方法基于隧洞結構并采用圍巖整體三維有限元法進行計算。

靜力計算按照《水工混凝土結構設計規范》的要求進行配筋計算。

4.3 有限元計算

4.3.1 計算模型

有限元計算選取引水隧洞結構和較大范圍圍巖體作為整體研究對象，其中計算模型從隧洞中心鉛直向向下取30 m，向上取30 m；沿隧洞中心向左右兩側取圍巖厚度約50 m。有限元計算坐標系選定為：X軸～在水平面上與引水隧洞軸線方向垂直；Y軸～在水平面上沿引水隧洞軸線方向；Z軸～與X和Y軸垂直，且Z=X×Y，鉛直向上。

有限元計算將整個引水隧洞分為14個典型段進行，包括Ⅳ類圍巖7個斷面(僅內水壓力不同)和Ⅴ類圍巖7個斷面(僅內水壓力不同)，共計14個典型斷面。有限元計算網格見圖1。

4.3.2 有限元計算參數

圖1 有限元計算網格圖

有限元計算采用的材料力學參數見表3。

表3 有限元計算參數表

襯砌結構采用C25鋼筋混凝土，彈模取28 GPa，泊松比取0.167，容重取2 400 kg/m3。

4.3.3 有限元計算結果云圖及特征應力點

由于該工程隧洞型式為馬蹄形，在結果輸出時會利用三個坐標系輸出，其中底板以整體笛卡爾坐標系輸出，上側拱及下側拱以不同的柱坐標系輸出。為查看整體應力效果，以整體系統顯示襯砌結構大主應力圖(以Ⅳ類圍巖77 m水頭工況計算為例)(圖2與表4)。

Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌結構大主應力 Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌底板特征應力

Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌上側拱特征應力 Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌下側拱特征應力圖2 襯砌結構大主應力示意圖

表4 有限元計算配筋結果表

4.3.4 裂縫值的判斷

襯砌裂縫寬度按照《水工隧洞設計規范》(DL/T5195-2004)中的附錄公式進行計算，Ⅳ類圍巖取中值時襯砌的最大裂縫寬度為0.287 mm，發生在下側拱與底板連接處，最大裂縫的寬度小于裂縫寬度允許值0.3 mm，滿足規范要求；Ⅳ類圍巖取高值時襯砌的最大裂縫寬度為0.293 mm，發生在下側拱與底板連接處，最大裂縫的寬度小于裂縫的寬度允許值0.3 mm，滿足規范要求。

4.4 靜力學結構計算

4.4.1 計算模型

選取Ⅳ類圍巖1個斷面、Ⅴ類圍巖1個斷面，每種圍巖計算7種不同的內水壓力，同時考慮低、中、高三種圍巖參數，即每種圍巖各21種組合。由于Ⅳ類圍巖隧洞混凝土厚度為60 cm，但有10 cm厚為噴混凝土，因此，在進行靜力學結構計算時，只計算50 cm的襯砌厚度(圖3)。

圖3 圍巖隧洞段靜力學模型示意圖

4.4.2 靜力學結構計算參數

靜力學結構計算時采用的材料力學參數見表5。

表5 靜力學計算采用的材料力學參數表

襯砌結構采用C25鋼筋混凝土，彈模取28 GPa，容重取2 400 kg/m3。

4.4.3 靜力學結構計算結果

靜力學結構計算結果見表6。

表6 Ⅳ類圍巖靜力學結構計算成果表

4.5 計算成果

4.5.1 兩種方法對比情況

兩種計算方法對比結果表明(表7)：靜力計算方法較有限元方法在側拱與底板相交處出現了更為明顯的應力集中，在襯砌結構內側形成了較大的拉應力區；有限元方法計算所得到的襯砌結構應力相對較均勻，因此，在基于靜力學結構計算結果進行襯砌結構配筋時，在側拱內側下部及底板內側需要局部添加鋼筋，以使配筋結果滿足要求而導致配筋量進一步增大。

表7 Ⅳ類圍巖靜力學結構計算與有限元計算成果比較表

4.5.2 建議配筋

Ⅳ類圍巖隧洞布置的單層鋼筋情況見表8。

5 設計方案對比分析

設計方案對比分析情況見表9。

表8 Ⅳ類圍巖建議配筋表

表9 設計方案對比分析情況表

通過設計優化，在保證安全質量的前提下，按照目前圍巖開挖情況，可以將Ⅳ類圍巖襯砌配筋由原來的雙層優化為單層并降低配筋強度。通過計算分析得知，固滴水電站可以優化6 824.78 t鋼筋，降低投資(概算口徑)約6 161萬元，優化幅度為65.12%，節約了投資并有利于現場施工。

6 結 語

固滴水電站為典型的長引水式電站，水工隧洞的投資和工期是控制整個工程投資和工期的重要因素之一。因此，對水工隧洞襯砌結構設計進行分析計算研究是必要的，可以產生一定的經濟效益和社會效益。

固滴水電站引水隧洞長10 852.32 m。根據實際開挖情況，Ⅳ類圍巖洞段約占全洞總長的55%，在保證質量安全的前提下，開展隧洞襯砌配筋優化十分必要。根據有限元計算和靜力學結構計算，將引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌優化為單層配筋，節約了鋼筋制安工程量約6 824.78 t，有效地控制了工程投資。

固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌配筋設計優化工作的開展，對今后類似工程的設計優化及投資控制具有一定的借鑒作用。