夏特水電站高地震烈度區長引水隧洞結構設計與配筋計算

張惠忠，胡正福

（1. 新疆克州新隆能源開發有限公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845450；2. 湖南省水利水電勘測設計研究總院， 湖南 長沙 410007）

1 工程概況

夏特水電站位于新疆克州烏恰縣克孜勒蘇河中游，電站從上一級塔日勒嘎水電站廠房尾水取水，經引水系統引水至電站廠房發電，電站安裝4 臺混流式水輪發電機組，單機容量62 MW，總裝機容量248 MW，電站主要建筑物分為前部引水明渠段（主要包括節制進水閘、引水渠、溢流側堰、前池進水閘等）、中部有壓引水洞段（埋涵段、隧洞段）和后部發電系統（廠房、開關站）及尾水渠段三大部分。電站引水隧洞為內徑7.0 m和5.8 m（5.8 m 為鋼襯段）的圓形有壓隧洞，全長16 989 m，是夏特水電站建設的關鍵性控制項目，工程投資占整個項目建安投資的比例超過33.8%，對整個項目的建設影響較大。

夏特水電站工程區域位于南天山地震帶和西昆侖地震帶的交匯處，是全國地震活動最頻繁的地區之一，具有地震強度大、頻度高的特點。

2 工程地質資料

2.1 區域地震

工程區域主體部分屬南天山地震帶，西南角跨西昆侖地震帶。工程場地近場區基本處在西昆侖山與南天山之間的塔里木盆地西隅坳陷長廊地帶，是地震活動頻繁地域。按照50 年內超越概率10%的地震動加速度值確定的電站場地地震加速度為0.438 g，對應的基本地震烈度為Ⅸ度。

2.2 工程地質條件

夏特水電站引水隧洞位于克孜勒蘇河左岸，屬中低山區，地表無植被，沖溝較發育。隧洞沿線山頂海拔高程在2 570～2 818.8 m 之間。隧洞依次穿過第三系、白堊系、元古界地層，其中第三系和白堊系內斷裂發育較少，元古界地層中斷層發育較多。

根據引水隧洞開挖情況，樁號D2+296～D7+330、D11+900～D12+500、D18+500～D18+860 地下水活動較強烈，巖體呈飽水狀態，其他洞段地下水活動輕微，巖體呈稍濕～干燥狀態。結合隧洞開挖情況，考慮巖體強度、巖體結構類型、結構面性狀及其走向與洞向交角、節理裂育程度、地下水活動強弱等，夏特水電站引水隧洞圍巖分為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類三大類。

Ⅲ類：主要為新鮮～微風化的砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層夾泥巖、石英片巖夾千枚巖以及灰質白云巖等較軟巖～中硬巖洞段，厚層～中厚層夾薄層狀，節理裂隙不發育，地下水活動微弱。圍巖存在塊體掉塊現象，成洞條件較好，初期支護一般采用系統錨桿噴混凝土加鋼筋網。

Ⅳ類：主要為節理裂隙發育較集中的石英片巖、千枚巖，粉砂質泥巖、泥巖以及薄層狀的粉砂巖等洞段。節理裂隙發育，多張開充泥，軟弱結構面分布較多；位于地下水位以下，成洞條件較差。初期支護一般采用系統錨桿噴混凝土加鋼筋網，局部采用鋼支撐加強支護。

Ⅴ類：巖體風化強烈或較大規模斷層破碎帶及影響帶，以及半膠結的含礫粉砂巖。節理裂隙發育，巖體完整性差，軟弱結構面多，地下水活動強烈，圍巖易發生坍塌，成洞條件差，初期支護需要超前錨桿與鋼支撐支護。

夏特水電站工程引水隧洞圍巖力學參數取值詳見表1。

表1 夏特水電站工程引水隧洞圍巖力學參數取值表

3 計算工況及典型斷面

3.1 荷載工況

按照運行期持久狀況、運行期短暫狀況、檢修期工況、施工期工況和運行期偶然工況五種工況進行考慮。

3.2 荷載組合

荷載組合按照以下四種情況進行分析和計算：①運行期持久狀況：正常水位下內水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；②運行期短暫狀況：甩負荷水位下內水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；③檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；④施工期：灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；⑤地震工況：正常水位下內水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+地震作用力。

3.3 相關參數的選取（表2）

表2 計算工況相關參數表

3.4 典型計算斷面

計算選取了4 個典型斷面，計算需按照圍巖類別、水頭、圍巖覆蓋厚度不同，分段分類進行計算，典型斷面分類詳見表3。

表3 典型斷面分類表

4 計算原則

1）按照有限元、公式法、邊值法三種方法分別進行計算和對比分析。

2）對圍巖的彈抗進行敏感性分析（按圍巖彈抗增減20%）。

3）由于地下水具有硫酸鹽強腐蝕性，計算對裂縫控制采用0.15 mm、0.25 mm 分別進行結構配筋計算。

4）有限元計算時，模擬施工初期支護措施建模，分析施工期初期支護對隧洞結構及配筋的影響。

5 有限元方法計算

5.1 計算模型

隧洞計算初期支護時相關參數按三種典型初期支護類型進行考慮（表4）。

表4 三類圍巖開挖典型支護型式（上臺階）匯總表

由于隧洞的埋深均較深，故僅取五倍洞徑的計算范圍，需要在模型上邊界施加均布荷載以替代上部巖體重量來反映真實的地應力場。計算模型底面采取全約束，兩側采取水平約束，二維計算采用平面應變單元，系統錨桿的模擬采用桿單元，鋼拱架的模擬采用梁單元。不同類別圍巖下的有限元計算模型見圖1。

圖1 三類圍巖下的三種典型初期支護有限元計算網格

5.2 計算參數

襯砌混凝土及鋼材材料參數見表5，巖體材料參數見表6。

表5 襯砌混凝土及鋼材材料參數

表6 巖體材料參數

5.3 地震荷載

采用50 年內超越概率10%的場地基巖水平峰值加速度0.438 g。按照現行的《水電工程水工建筑物抗震設計規范》NB 35047-2015 的要求設計反應譜，根據工程場地條件，地震動反應譜特征周期為Tg=0.45 s，反應譜的最大值βmax為2.25，隧洞工程有限元抗震分析結構阻尼比取0.07。

5.4 計算軟件

ADINA 能方便地模擬分期開挖、填筑施工、接觸等復雜的工程問題，已在巖土工程領域得到廣泛應用。本次計算采用大型通用有限元軟件ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）進行建模和計算。

5.5 有限元計算

本次計算主要內容為各工況下引水隧洞的應力變形計算（含地震工況）和配筋計算（含地震工況），計算方案見表7。

表7 隧洞結構設計和配筋計算方案

5.6 計算結果分析

通過對夏特水電站引水隧洞四類典型斷面的靜動力有限元分析及配筋計算，結合不同內水壓力作用下、不同襯砌厚度和不同圍巖彈性模量情況下隧洞受力特性及配筋情況的對比分析，得出如下結論：

1）圓形有壓隧洞內水壓力將在襯砌結構上產生沿環向均勻分布的拉應力作用，而在襯砌徑向，由內壁向外壁拉應力逐漸減小，基本呈線性分布。襯砌總體拉應力水平隨內水水頭增加而增大，配筋隨水頭的增大而增加。

2）增加襯砌厚度增大了結構的受力面積，因此在外荷載不變的條件下，襯砌越厚其最大拉應力水平越小。襯砌加厚盡管降低了拉應力水平，但由于厚度增加，應力沿厚度方向積分后，合拉力的變化不明顯，而結構配筋的原則是假設斷面上的全部內力由鋼筋承受，因此在鋼筋應力控制的裂縫寬度計算中，襯砌加厚不一定會減小裂縫寬度。從另一個角度來看，如果對隧洞的襯砌結構進行限裂設計，那么，增加襯砌厚度不會減小配筋量。因此，在隧洞襯砌結構設計時，以改善結構受力性態和優化配筋為目的，盲目增加襯砌厚度的方案不可取。

3）提高圍巖的巖體彈模，將直接提高隧洞圍巖的彈性抗力水平，使襯砌結構在內水壓力作用下受到周圍巖體更強的約束作用，從而減小襯砌拉應力水平。當其他情況保持不變時，圍巖彈性模量越大，襯砌內壁最大主拉應力值越小，最小配筋量越小，最大裂縫寬度也有減小的趨勢。

4）本工程引水隧洞除2#施工支洞、3#施工支洞之間過沖溝段覆蓋層較薄，采用了壓力鋼管代替鋼筋混凝土襯砌外其他洞段上部覆蓋層均較厚，地震對配筋的影響不大，雖然本工程區域地震烈度達到Ⅸ度，配筋計算結果反映各典型斷面的配筋均由甩負荷工況控制。

5）有限元計算方法配筋計算成果，見表8。

表8 有限元計算方法配筋計算結果匯總表

6）根據靜動力有限元分析成果，各類計算方案中甩負荷水位工況下大主應力分布相同，且進一步驗證了Ⅳ類、Ⅴ類圍巖考慮鋼拱架受力的情況下大主應力分布有明顯變化，對隧洞混凝土襯砌配筋的細化、優化提供了可靠依據。靜動力有限元分析甩負荷水位工況大主應力分布示意圖見圖2。

圖2 甩負荷水位工況大主應力分布示意圖

根據本次計算分析成果以及鋼拱架支護洞段外部鋼筋大主應力分布的特點和具體情況，設計單位對圍巖相對較好的鋼拱架洞段的配筋進行了細化、優化工作，配筋結果對比見表9。

表9 考慮鋼拱架和未考慮鋼拱架選筋結果對比表

6 有限元法與邊值法、公式法配筋計算的成果比較及選取

夏特水電站引水隧洞結構設計及配筋在按照有限元法進行計算和設計的同時也按照邊值法、公式法進行了計算和比較。對比三種計算方法的配筋成果可知：相同計算工況下，Ⅲ類、Ⅳ類圍巖，邊值法配筋最大，有限元法其次，公式法計算配筋最小；對于Ⅴ類圍巖，由于圍巖完整性差，巖體極破碎，計算結果公式法及邊值法配筋均較大，有限元配筋相對較小。

經分析三種方法計算結果產生差異的主要原因是：邊值法襯砌是按厚壁圓筒考慮， 不考慮襯砌開裂影響；公式法考慮到了襯砌開裂， 但不考慮裂縫處鋼筋應力局部增大的影響。有限元法克服了以上兩種方法的不足， 使計算邊界條件與襯砌實際受力情況更吻合，配筋計算成果更符合實際，更科學。夏特水電站引水隧洞結構設計和配筋計算最終采用有限元法計算成果。在施工圖階段設計單位根據圍巖類別、內水壓力等對計算斷面進行了細分，進一步細化內水壓力對計算成果的影響，保證了計算成果的準確性。

夏特水電站引水隧洞施工圖階段結構設計和配筋通過本次深化設計與研究，鋼筋總量較招標設計階段減少約6 260 t，總量減少約21.6%，有效節約了工程投資。

7 結 語

夏特水電站復雜地質條件下高地震烈度、大埋深、長引水隧洞的結構設計和配筋計算研究表明：大埋深圓形斷面引水隧洞結構設計和配筋有限元法計算時各典型斷面的配筋基本不受地震工況控制，但在隧洞進出口洞段等特殊部位，須加強襯砌結構的抗震配筋；通過幾種計算方法的比較，有限元法更貼合工程實際工況，計算成果可信度更高；由于長引水隧洞對于長引水工程的投資影響較大，做好結構設計和配筋計算深化研究非常必要。