運營年限內水電站引水隧洞襯砌結構安全穩定性研究

孔 敏，華 中，陳 晶

(淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

水電站作為區域內重要水利樞紐工程，所承擔的作用與功能眾多，確保水電站運營穩定性是水利工程師長期致力研究的課題[1-2]。引水隧洞作為水電站的重要組成部分，其開挖支護均影響著水電站運營年限內安全穩定，研究引水隧洞襯砌結構、圍巖材料穩定性是反映水電站安全運營的重要方面[3-5]。孫洪亮[6]、雷震霄[7]、翁永紅[8]等根據物理模型試驗理論，設計室內水電站等水利設施的原型試驗，開展相應的運營工況研究，研究包括引水隧洞襯砌結構在內的多個水工建筑失穩破壞特征，進而提升實際水利工程設計水平。物理模型試驗成本較高，且試驗周期較長，邵珠山[9]、張勝佳[10]、馮世國[11]等開始根據襯砌結構材料特征，開展圍巖流變力學試驗，通過聲發射、微震以及理論模型等手段，研究獲得水利工程中襯砌結構材料的流變力學特性，為實際工程設計提供試驗參數。數值建模作為水利工程中重要研究手段，可根據實際工程開展仿真計算，并施加相應的邊界荷載，分析長運營區間內模型應力、變形變化特征，可預演工程運營狀態[12-14]。本文根據蘇北擬建水電站引水隧洞實際工況，設計開展襯砌結構在10 a運營區間內安全穩定性研究，為實際建設水電站引水隧洞提供計算參考。

1 工程概況

蘇北淮河上游支流考慮建設一水電站，該水利樞紐工程可承擔區域內發電、蓄水、防洪及水資源調度等多方面功能，為區域水利資源利用提供重要載體。擬建水電站設計攔水大壩頂高程為125.6 m，上游蓄水庫最大庫容超過1500萬m3，設計最大洪水流量為38 m3/s，大壩防滲系統包括有防滲墻與止水面板，其中防滲墻采用膠凝材料混合料為原料砌筑制作，大壩表面最大滲流量不超過0.01 m3/s。壩體上、下游坡度分別為1/2、1/3，設置有多坡度壩肩平臺，以此降低水流沖擊動力影響。水電站建設有大型泄洪閘水利設施，泄流消能時上、下游水位分別為14 m、12 m，設計為1孔15 m氣袋升降式翻板閘，布設有防洪翼墻，翼墻墻頂高程14.5 m，墻后填土與墻頂齊平，填土為粉砂。 泄洪閘下游建設有消能池，池中均勻布設有消能坎，坎高為0.2～0.6 m，降低水流對下游水利設施的沖蝕效應。該水電站另建設有輸水灌渠與上游引水隧洞相連，其中輸水灌渠采用特征混凝土材料作為襯砌結構，每間隔2.5 m進行襯砌結構搭接，防滲效果較佳，灌渠下部鋪設有45 cm厚度的墊層，渠道底寬設計為6.8 m，深度為5.8 m，水深平水期控制在4.8 m，渠首流量不超過0.6 m3/s，該輸水灌渠惠及下游超過6.67萬hm2農田，確保了枯水期農業灌溉用水流量。目前，該水電站還處于規劃設計中，但由于輸水灌渠運營穩定性、水力發電可靠性以及上游泄洪設施運營安全性均與水電站引水隧洞密切相關，因而工程設計部門考慮重點對該水利樞紐工程引水隧洞進行研究分析，探討引水隧洞在未來運營過程中安全穩定性，特別是運營10 a期限內。

根據對引水隧洞斷面地質狀況調查得知，設計斷面如圖1所示，隧洞施工管片拼裝與支護結構依次進行，襯砌縫寬為30 mm，斷面直徑12 400 mm，壁厚度控制為550 mm。引水隧洞工程所在基巖層為砂礫石、角礫石等碎屑石，土層包括有粉土、粉砂土及黏土三層，最厚層為粉土層，最厚處為4.2 m，粉砂土含水量中等，承載力較佳。

圖1 引水隧洞設計斷面圖(單位：mm)

2 研究方法

本文研究對象針對引水隧洞其中施工段40 m范圍內，上部范圍為表面覆蓋土層，下部范圍為隧洞底面向下20 m，采用有限元仿真計算引水隧洞斷面襯砌結構穩定性，設定襯砌斷面底部具有三向約束。由于隧洞管片以及襯砌結構均為混凝土，因而以六面體微單元作為數值模型計算網格劃分單元[15-16]，所建立的計算模型如圖2所示，共劃分獲得單元網格56 432個，節點數36 254個，所有土層參數均取現場原位或室內土工試驗實測值。

圖2 隧洞計算模型

3 隧洞襯砌結構應力分析

3.1 運營第10年應力模擬結果

根據模型計算結果獲得各斷面上在第10年應力特征，如圖3所示，其中各斷面分別代表距離襯砌表面距離，各斷面間距為40 cm，計算范圍取襯砌斷面往巖土層中延伸160 cm。另為分析隧洞土層含水量對襯砌結構斷面應力影響，分別設定土層含水量為15%、20%。從圖3可看出，當斷面距襯砌結構愈遠，則襯砌結構外側壓應力愈大，這種變化特征在兩個含水量研究工況中均是如此，在含水量15%下時，襯砌結構表面外側的最大壓應力為2.89 MPa，而當間距逐步增大80 cm、160 cm，至3-3、5-5斷面后，相應的最大壓應力相比前者分別增長了50.2%、103.5%，斷面平均每遠離襯砌結構40 cm，襯砌外側所獲得壓應力增長19.8%，而在含水量20%下壓應力漲幅又為17.4%。分析表明在運營10 a后，襯砌結構對遠離其斷面的土層支護效果有所降低，土體壓應力有所增大。在襯砌結構內側軸線處，最大壓應力隨斷面距離增大而遞減，其中1-1斷面襯砌結構內側最大壓應力為1.9 MPa，在1-1～3-3斷面上最大壓應力均處于穩定狀態，而在斷面4-4、5-5后最大壓應力相比有所漲幅，相比穩定斷面上的最大壓應力分別增大了18.4%、28.9%，即在襯砌斷面0～80 cm范圍內，引水隧洞運營第10年時襯砌內側結構支護效果仍處于較穩定狀態，但斷面超過80 cm后，土層內壓應力受擾動影響顯著。

圖3 各斷面上在第10年應力特征

當含水量增大至20%后，其襯砌外側、內側最大壓應力變化特征與前一含水量工況下基本類似，但襯砌結構外側壓應力漲幅高于含水量15%下，即含水量愈大，襯砌結構對斷面土層支護效果減弱效應更顯著，即含水量愈大，愈不利于引水隧洞在運營期內安全穩定性。含水量20%下襯砌結構內側軸線上最大壓應力亦是在4-4斷面后開展增長，其中4-4斷面、5-5斷面相比穩定斷面上的最大壓應力提高了24.3%、43.9%，襯砌結構軸線后斷面上的安全穩定性大大降低。

3.2 運營10 a間應力模擬結果

經模擬計算可獲得引水隧洞在運營10 a間襯砌斷面上應力變化特征，本文在斷面上分別標注有A、B、C、D四個測點，各測點分布位置如圖1所示，由于A與D、B與C測點應力計算結果基本類似，因而以A、C測點作為典型分析對象，如圖4所示。從圖中可看出，A測點壓應力與運營時間呈對數函數關系，含水量15%工況下A測點在運營10 a內最大波動出現在65 d，壓應力漲幅了21.8%，而在此之后，應力持續處于緩慢上升穩定狀態，且基本為線性增長，在65 d后，A測點壓應力以每天應力漲幅8.29×10-5MPa變化，此對估算襯砌結構對引水隧洞斷面支護失效很有必要。當含水量為20%時，A測點壓應力漲幅最快階段持續至65 d左右，在此之后，壓應力漲幅為每天1.4×10-4MPa，高于含水量15%工況。分析認為，運營初期壓應力上漲與隧洞初始施加荷載有關造成的，之后隧洞斷面結構材料長期處于流變力學狀態，且含水量愈大，流變速率愈快，對襯砌結構斷面危害性愈大。

圖4 運營10 a間襯砌斷面上應力變化特征

與A測點不同的是，C測點壓應力在兩工況中均是在荷載施加初期具有顯著上升，在此10 a運營期間內，應力長期處于穩定狀態，無顯著流變狀態特征，其中含水量15%工況中應力穩定在3.32 MPa，但含水量20%工況穩定狀態下應力相比前者增大了2.9%。C測點位于襯砌斷面中線延伸線上，表明襯砌結構主要受流變破壞威脅乃是頂、底點，應在設計中著重加固該區域。

4 隧洞襯砌結構位移分析

圖5為引水隧洞運營第10年時不同含水量土層工況中襯砌結構斷面軸線上沉降位移變化特征。從圖中可看出，含水量15%工況中A點沉降變形最大，最大沉降位于襯砌斷面中心部位，達20.50 mm，而在斷面軸線方向上，以襯砌結構所在剖面為對稱線，兩側沉降基本一致，即沉降變形整體式呈“V”型。D點沉降變形最小，遠低于A點沉降值，其最大沉降相比A點降低了24.5%；而中心延伸線上C點沉降值結于A、D間，其最大沉降為19.85 mm。當含水量增大至20%后，整體剖面上沉降變化曲線基本一致，僅量值上出現差異，其中A點最大沉降為27.12 mm，相比含水量15%工況中增長了18.5%，在C、D點中最大沉降也分別提高了20.2%、17.6%，即相同運營年限下，含水量愈大的工況中襯砌結構變形沉降愈大，失穩傾向性愈大。

圖5 運營至10 a時襯砌結構斷面軸線上沉降值

同理，給出隧洞斷面運營10 a內襯砌結構沉降變形隨運營時間變化關系，如圖6所示。從圖中可看出，含水量15%工況中，沉降變形最大增長出現在初期加荷時期，0～65 d，A點沉降增大了7%，而在此之后，沉降變形呈緩慢遞增狀態，其中運營1000～3500 d內，沉降值增大了1.02%，即襯砌結構材料在加荷后長期處于流變變形狀態。C測點相比A測點，在加荷初期沉降增長較小，僅為1.4%，且在運營階段后的長期流變階段中沉降值增長也較慢，運營1000 d與3000 d，沉降值增長僅0.34%。當含水量增長至20%工況后，A測點流變穩定階段中沉降值增長速率有所提高，運營3500 d沉降值相比1000 d增長了1.12%，整體沉降值亦高于含水量15%工況，在相同2000 d運營時間點，含水量20%工況下的A點沉降值為25.1 mm，比含水量15%工況下同測點同時間點高了15.8%。兩個含水量工況中C測點沉降值差異基本與A點一致，即含水量增大，襯砌結構斷面上沉降量與流變階段沉降增長速率顯著提高。

圖6 運營10 a內襯砌結構沉降值隨運營時間變化

5 結 論

(1)斷面距襯砌結構愈遠，則襯砌結構外側壓應力愈大，含水量15%、20%工況中平均每遠離襯砌結構40 cm，襯砌外側所獲得應力增長分別為19.8%、17.4%；但襯砌結構內側壓應力在斷面0～80 cm范圍內仍處于穩定狀態；土層含水量愈大，襯砌外側結構對遠離斷面的支護效果減弱效應更顯著。

(2)運營10 a區間內，A測點壓應力與運營時間呈對數函數關系，在加荷65 d具有較大的應力波動，后持續處于穩定上升狀態，含水量15%工況中A測點以每天應力漲幅8.29×10-5MPa變化，但含水量20%工況穩定上升階段中每天應力漲幅為1.4×10-4MPa；C測點在加荷初期具有上升特征，后持續處于穩定不變狀態。

(3)含水量改變，僅影響斷面軸線上沉降變形量值，但不影響變化特征；運營10 a時斷面軸線上的A點沉降變形呈“V”型，D點沉降值低于A點，含水量20%工況A點最大沉降相比含水量15%下增長了18.5%。

(4)襯砌結構沉降變形在加荷后持續處于緩慢遞增狀態，運營1000～3500 d內，含水量15%工況中A點沉降值增大了1.02%，C點沉降量值以及增長速率均低于A點；含水量增大，運營10 a區間內沉降量值、增長速率均提高。