黃金坪水電站引水隧洞開挖支護及結構設計

宋 慧，秦永濤，牛智勇

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津市 300222）

0 引言

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第11級電站，上接長河壩梯級水電站，下游為瀘定水電站。工程場址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮上游約3.2km河段，壩址上距丹巴縣城約100km。

電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩，左岸岸邊溢洪道和左岸泄洪（放空）洞，右岸壩后式小廠房和左岸混合式大廠房引水發電建筑物等組成。

水庫正常蓄水位為1476.00m，水庫庫容1.28億m3，最大壩高85.5m，水庫具有日調節能力。電站總裝機容量850MW，多年平均年發電量36.58億～38.61億kW·h，工程于2011年2月獲國家核準開工建設，目前已投產發電。

1 引水隧洞的布置

大廠房引水建筑物布置于河道左岸，采用尾部式地下廠房布置方案。引水采用“一洞一室兩機”及“單管單機”供水，尾水采用“兩機一洞” 布置。引水發電建筑物由一個電站進水口、兩條引水隧洞、兩個上游調壓室、四條壓力管道、一個主廠房、一個主變壓器室、兩條尾水洞等組成。

引水隧洞共布置2條，洞長分別為2634.17m、2680.07m，單洞設計引用流量676.20m3/s，圓形斷面，內徑14.5m，洞內流速4.09m/s。隧洞進口底高程1446.00m，調壓室處隧洞底高程1441.00m，縱坡分別為0.00193、0.00190。1號引水隧洞后接1號調壓室，2號引水隧洞后接2號調壓室。隧洞平面上軸線間距為43.6m。引水隧洞進口處最大內水水頭為30m，隧洞末端最大內水水頭47m，隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌。

2 引水隧洞地質條件

引水隧洞沿線山體雄厚，地形陡峻，為高程3000～4500m高山區。洞室圍巖主要為斜長花崗巖（γ02（4）），局部石英閃長巖（δ02（3））。區內未發現區域性大斷裂，僅發育次級小斷層、巖脈接觸破碎帶及裂隙等Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級結構面。

隧洞進口段埋深較淺，巖體為弱風化強卸荷，裂隙發育，完整性較差，圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主；大部分洞段垂直、水平埋深較大，巖體微風化～新鮮，完整性相對較好，以Ⅲ類為主。

地下洞室圍巖物理力學指標建議值見表1。

表1 地下洞室圍巖物理力學性指標建議值表Table 1 Parameters of surrounding rockof underground cavern

3 引水隧洞開挖支護及結構設計

3.1 開挖支護設計

引水隧洞洞身結構尺寸較大，最大開挖斷面直徑達17.8m，圓形斷面水力學條件及結構受力狀態較優，因此隧洞的結構和開挖斷面均采用圓形。

隧洞進口段、Ⅳ、Ⅴ類圍巖及進調壓室洞段為重點設計洞段。進口段采用φ32、L=9m間距1.0m的兩排鎖口錨桿鎖口。Ⅳ、Ⅴ類圍巖局部破碎洞段采用超前導管結合預灌漿加I20工字鋼相結合的支撐方式，支護方式見圖1。

圖1 超前支護示意圖Figure 1 Advance support schematic

為充分利用巖體自身強度確保自穩，開挖過程中特別強調支護的及時性。要求單個作業單元開挖完成后立即噴5cm混凝土進行封閉，及時進行錨桿、掛網、噴混凝土等支護作業的施工。

Ⅲ類圍巖洞段支護參數：邊頂拱240°范圍采用系統掛網錨噴支護，鋼筋網φ6.5@15cm×15cm，噴C25混凝土厚12cm，砂漿錨桿φ25、L=4.5m與φ28、L=6m梅花形交錯布置，間排距1.5～2.0m。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖及鎖口洞段支護參數：邊頂拱270°范圍采用系統掛網錨噴支護，鋼筋網φ6.5@15 cm×15cm，噴C25混凝土厚15cm，砂漿錨桿φ28、L=6m與φ32、L=9m梅花形交錯布置，間排距1.0～1.2m，局部不穩定塊體錨桿加密或采用錨筋束3φ32、L=9m支護。典型斷面支護圖見圖2。

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖支護典型斷面示意圖Figure 2 Excavation and support typical of Ⅳ，Ⅴsurrounding rock

3.2 襯砌結構設計

引水隧洞承受的內水壓力隨水庫水位和調壓室涌浪的變化而變化。水庫正常蓄水位1476.00m，死水位1472.00m，調壓室最高涌浪水位1488.14m，最低涌浪水位1462.96m。隧洞最大內水壓力為0.47MPa；隧洞最小內水壓力為0.3MPa，此時隧洞末端洞頂最小壓力水頭為12.37m，滿足規范不小于2m的要求。

引水隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類圍巖襯厚0.8m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚1.2m。進口20m為矩形變圓形的漸變段，出口35m為圓形變矩形的漸變段，漸變段襯砌厚度1.5m。全洞段混凝土強度等級為C25，抗滲等級W6，抗凍等級F50。圖3為Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌結構典型斷面。

圖3 Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌結構典型斷面示意圖Figure 3 Lining structure typical section of Ⅳ，Ⅴsurrounding rock

引水隧洞內水壓力0.30～0.47MPa，結合不同的圍巖類別和內水壓力，按結構力學方法厚壁圓筒作用原理進行結構和配筋計算。計算考慮的荷載有：襯砌自重、山巖壓力、內水壓力、外水壓力、圍巖彈性抗力及灌漿壓力等。

計算考慮三種工況：

（1）運行工況，荷載包括內水壓力、山巖壓力、圍巖彈性抗力、襯砌自重、外水壓力。

（2）檢修工況，荷載包括襯砌自重、山巖壓力、圍巖彈性抗力、外水壓力。

（3）施工工況，荷載包括襯砌自重、山巖壓力、灌漿壓力。

經計算，運行工況為控制工況。最大裂縫長期組合控制在0.25mm以內時，Ⅳ、Ⅴ類圍巖環向受力筋每延米配筋面積 15432mm2、21230mm2。

考慮到隧洞斷面大，傳統結構力學法計算配筋較大，因此采用了三維有限元法進行配筋復核計算。

由于引水隧洞無大坡降段，基本可屬于平面應變問題，因此典型剖面的有限元模型采用二維4節點等參實體單元模擬。模型范圍為：垂直洞室方向長200m，沿高程方向200m，襯砌洞室內徑為14.5m，襯砌厚度分別為0.8m和1.2m。

為分析兩條引水隧洞在運行期的最不利組合，計算考慮了2種組合工況。

（1）工況1：1號、2號兩條引水隧洞運行工況最大內水壓力。

（2）工況2：1號引水隧洞充滿水，2號引水隧洞無水。

引水隧洞Ⅴ類圍巖典型斷面有限元計算模型和工況1應力結果參見圖4、圖5。

圖4 Ⅴ類圍巖有限元模型Figure 4 Finite element model of Ⅴsurrounding rock

圖5 Ⅴ類圍巖應力計算結果（圍巖未顯示）Figure 5 Stress calculation results ofⅤsurrounding rock（Surrounding rock not shown）

工況1情況下，兩條引水隧洞的襯砌結構在自重和內水壓力的共同作用下，襯砌結構主要向外變形，豎向最大變形2.74mm，出現在1號、2號引水隧洞底板襯砌內側；最大水平變形量0.64mm，出現在1號、2號兩條引水隧洞外側的襯砌結構內側。

混凝土最大拉應力2.54MPa，應力分布如圖5所示；壓應力極值-0.014MPa出現在1號、2號引水隧洞頂拱襯砌結構內側。兩條引水隧洞，應力分布較為一致，其中襯砌結構內側在2～2.54MPa，襯砌結構外側的拉應力在 1.85～2.3MPa。

工況2情況下，1號引水隧洞襯砌結構在自重和內水壓力的共同作用下，襯砌結構主要向外變形，豎向最大變形2.55mm，出現在1號引水隧洞底板襯砌內側。2號引水隧洞受襯砌自重作用，產生沉降變形，最大變形控制在1.26mm以內，出現在左側拱腰襯砌外側。

最大拉應力2.43MPa，出現在1號引水隧洞拱底襯砌結構內側。而2號引水隧洞無水，僅受襯砌自重作用影響，拉應力都在0.058MPa范圍之內。

本計算確定截面配筋量的方法是：將有限元分析計算得到的混凝土應力成果，插值到計算剖面特征方向線上，繪制該特征方向線的截面應力圖形，再根據拉應力圖形面積，確定承載力所要求的鋼筋量。

受拉鋼筋截面面積As應滿足式（1）要求：

式中T——由荷載設計值；

Tc—— 混凝土承擔的拉力，Tc=Actb。在此，Act為截面主拉應力在配筋方向投影圖形中，拉應力值小于混凝土軸心抗拉強度設計值ft的圖形面積（圖6中的陰影部分）

As——受拉鋼筋截面面積；

fy——鋼筋抗拉強度設計值；

γd——鋼筋混凝土結構的結構系數。

混凝土承擔的拉力Tc不宜超過總拉力T的30%，當彈性應力圖形的受拉區高度大于結構截面高度的2/3時取Tc等于零。

結合有限元應力計算成果，按裂縫控制在0.25mm以內時，Ⅳ、Ⅴ類圍巖環向受力筋每延米配筋面積9650mm2、14023mm2。

圖6 按彈性應力圖形配筋Figure 6 Reinforcement according to the elastic stress

考慮到Ⅳ、Ⅴ類圍巖采取固結灌漿措施，現場灌漿試驗數據表明，固結灌漿后經聲波檢測，灌后波速提高12%～25%。

綜合考慮2種計算方法，最終按規范推薦的有限元法確定配筋。Ⅲ類圍巖襯厚0.8m，內外雙層鋼筋，環向鋼筋φ25@16.7cm，縱向鋼筋φ16@20cm。Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚1.2m，內外雙層鋼筋，環向鋼筋φ28～32@12.5～11.1cm，縱向鋼筋φ22～25@20cm。

3.3 灌漿設計

引水隧洞全洞段頂拱120°范圍內進行回填灌漿，灌漿孔徑48mm，入巖0.1m，每排4、5孔交錯布置，排距3.0m；灌漿壓力0.2～0.3MPa。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段及進出口漸變段全洞周進行固結灌漿，灌漿孔徑76mm，入巖8m，每排16孔，排距3.0m，排間孔位交錯布置；固結灌漿壓力0.6～1.0MPa。對隧洞穿過的圍巖地質條件較差的局部區域，除加強支護外，固結灌漿孔深加長到10m。

回填灌漿及固結灌漿孔布置見圖3。

4 結束語

本文總結了黃金坪水電站引水隧洞的開挖支護和結構設計。強調了大跨度洞室施工期充分利用巖體自身強度確保自穩，開挖過程中及時進行噴錨等初期支護的重要性。分析研究了隧洞襯砌結構不同工況的受力情況。結合有限元分析，對大跨度有壓隧洞的設計提出了科學、經濟的襯砌方式。

目前黃金坪水電站已順利投產發電，引水隧洞安全運行。