某水電站引水隧洞襯砌優(yōu)化設計研究

朱李英 梁 勇

（1.四川水利職業(yè)技術學院， 四川 崇州 611231；2.四川省清源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610072）

1 概述

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣境內，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫六級”梯級開發(fā)方案中的“龍頭水庫”電站。水電站采用混合式開發(fā)，電站裝機容量205.4MW。工程規(guī)模為大(2)型工程，工程等別為Ⅱ等。

截止2019年3月，引水隧洞開挖長約14.44km，占總長20.363km的71%。其中Ⅲ類圍巖約占70%，Ⅳ類圍巖約占15.5%，Ⅴ類圍巖約占14.5%。開挖揭示隧洞圍巖地質條件與可研報告預測基本一致，前段圍巖好于可研預測，后段圍巖較可研預測差，主要為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，其中Ⅴ類圍巖比例較預測高。

本工程引水隧洞是工程的施工關鍵線路，在永久襯砌前開展優(yōu)化設計研究[1]，加快工程進度、減少工程投資具有重大意義。本次優(yōu)化重點針對IV、V類圍巖進行。

2 優(yōu)化設計工作思路

優(yōu)化工作主要從現(xiàn)場變形試驗確定合理的圍巖參數(shù)、細分圍巖類別和公式法計算著手，具體如下：

（1）根據(jù)現(xiàn)場地質設代資料和現(xiàn)場試驗成果，對已劃分的圍巖類別進行復核，并進一步對隧洞圍巖類別進行細分，將Ⅳ類圍巖分為Ⅳ上、Ⅳ下；

（2） 在現(xiàn)場已開挖的隧洞內，針對不同的巖性、不同的圍巖類別分別進行聲波、變形模量實驗，通過試驗成果對影響圍巖分攤內水壓力比例的彈性抗力系數(shù)進行復核。并根據(jù)各類圍巖類別復核后的彈性抗力系數(shù)，采用與之相對應的彈性抗力系數(shù)進行襯砌計算；

（3） 根據(jù)試驗成果所提供的圍巖參數(shù)，采用公式法進行優(yōu)化設計計算，并最終確定優(yōu)化后的襯砌厚度和配筋面積。

3 工程地質和現(xiàn)場試驗

3.1 引水隧洞工程地質條件

引水線路沿線山體雄厚，谷坡陡峻，基巖大多出露，兩岸自然坡度一般40～55o，局部為陡崖，沿線山頂高程多為4000～5000m。隧洞沿線物理地質現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體的風化卸荷及局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地質現(xiàn)象不發(fā)育。河谷兩岸基巖大多裸露，常形成陡崖，巖體風化較弱，一般表現(xiàn)為節(jié)理裂隙面的風化銹染，板巖及局部順層擠壓破碎帶風化相對較強。

可研與施工階段工程地質條件復核對比發(fā)現(xiàn)地層巖性與可研報告基本一致; 地質構造和軟弱結構面，沿線未見大的斷層分布，優(yōu)勢節(jié)理和軟弱結構面特征與可研報告預測基本一致；引水隧洞地下水類型主要為基巖裂隙水；圍巖類別截止2019年3月，已完成開挖引水隧洞長約14.44km，占總長20.363km的71%。已開挖洞段Ⅲ類圍巖約占70%類，Ⅳ類圍巖約占15.5%，Ⅴ類圍巖約占14.5%。

開挖揭示引水隧洞前段圍巖好于可研預測，后段圍巖較可研預測差，主要為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，其中Ⅴ類圍巖比例增加較多。

在隧洞優(yōu)化設計過程中，現(xiàn)場對隧洞圍巖類別進行復核鑒定，將Ⅳ類圍巖細分為Ⅳ上、Ⅳ下兩個亞類。

3.2 現(xiàn)場變形試驗

試驗采用剛性承壓板法，本次變形試驗加載方向均為水平方向，采用逐級一次循環(huán)法加荷。試驗時對加壓設備運行情況、試點周圍巖體隆起或裂紋開展和變形等進行記錄和描述。

本次優(yōu)化設計變形試驗主要布置在隧洞底板側壁，即變形試驗加載方向主要為垂直層面，試驗所得巖體變形模量較順層方向加載偏小，與實際隧洞內水壓力方向基本吻合，試驗所得巖體變形模量數(shù)據(jù)可靠。

3.3 波速-模量關系式的建立

通過現(xiàn)場變形試驗和波速測試成果[2]，由同一位置獲得的巖體波速和對應的變形模量，建立波速～變形模量關系，推算各類圍巖松動圈及未擾動巖體變形模量。

本次變形試驗位置選在隧洞壁底板下約1m位置，根據(jù)聲波試驗隧洞圍巖松動圈厚度以及變形試驗點位巖體地質特征，并結合試驗加載影響深度，綜合分析認為：Ⅲ類圍巖巖體松動圈厚度較小，變形試驗點巖體多為未擾動巖體，變形試驗所得試驗結果主要反應未擾動巖體變形模量；Ⅳ類圍巖松動圈范圍相對較大，變形試驗點巖體存在一定厚度的松動圈，變形試驗所得試驗結果反應了部分松動圈巖體變形模量；Ⅴ類圍巖因最大松動圈達到1.8m，變形試驗點巖體主要為松動圈巖體，變形試驗所得試驗結果主要反應松動圈巖體變形模量。

用現(xiàn)場實測變形試驗所得變形模量，以及每組變形試驗對應聲波孔中相應范圍內的波速平均值，分別采用excel和origin軟件進行數(shù)據(jù)擬合，最終確定最優(yōu)的聲波Vp(km/s)與變形模量E0(MPa)的擬合關系，擬合回歸關系式如式（1）：

該擬合公式采用了大量的實測數(shù)據(jù)，相關系數(shù)R達到0.963，決定系數(shù)R2達到0.93，說明該公式合理可行。由建立的波速～模量關系式可分別對松動圈波速和未擾動圍巖波速進行計算。

3.4 現(xiàn)場試驗成果

試驗點均布置在具有代表性的各類圍巖洞段，試驗成果具有較好的代表性，試驗數(shù)據(jù)較多，可取均值作為參數(shù)取值成果。綜合前述試驗成果分析整理，波速和變形模量試驗取值成果Ⅲ類圍巖松動圈厚度0.7mm，變形模量試驗均值為6698Mpa;Ⅳ上類圍巖松動圈厚度0.8mm，變形模量試驗均值為2441Mpa;Ⅳ下類圍巖松動圈厚度0.8mm，變形模量試驗均值為1553Mpa;Ⅴ類圍巖松動圈厚度1.0mm，變形模量試驗均值為549Mpa。

結合巖體變形和聲波測試成果，考慮內水外滲可能出現(xiàn)的滲透破壞和對沿線道路和覆蓋層邊坡穩(wěn)定等的影響和危害，建議水工根據(jù)隧洞內水壓力、隧洞埋深、巖體滲透坡降、危害程度等各種因素進行綜合分析，對特殊洞段加強襯砌和防滲設計。

4 引水隧洞優(yōu)化設計計算

4.1 優(yōu)化設計計算

綜合已建工程實例，本次優(yōu)化設計襯砌厚度根據(jù)地質條件和作用水頭分段擬定如下： (隧)0+000～ (隧)17+770km洞段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度為40cm和60cm；(隧)17+770km至隧洞末端洞段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度分別為50cm和70cm。

根據(jù)隧洞開挖揭示的地質條件顯示，本次優(yōu)化設計將混合襯砌段及全襯段的界限調整為(隧)13+000，其中前段采用噴錨混凝土襯砌+鋼筋混凝土襯砌的混合襯砌方式，后段采用全線鋼筋混凝土襯砌型式。

本次采用公式法進行優(yōu)化設計計算。公式法主要研究對象為有壓圓形隧洞[3]，假定圍巖是均質、連續(xù)、各項同性的理想彈性體。在內水壓力作用下，厚壁圓筒已開裂，筒壁不承擔拉應力，只有襯砌中所配鋼筋可以承擔拉應力，在此條件下，根據(jù)襯砌與圍巖變形一致原則，建立力的平衡方程式，并假定鋼筋已達許用應力，計算出所需鋼筋面積和圍巖的抗力。

按照結構設計基本原則[4]進行引水隧洞襯砌結構設計，計算時公式法主要考慮運行工況、施工完建工況和檢修工況。

下面以Ⅴ類圍巖運行工況下襯砌為例，對隧洞進行配筋計算。按照規(guī)范附錄中的雙層筋鋼筋混凝土襯砌計算，計算公式如式（2）：

式中：P——均勻內水壓力(隧洞襯砌內緣頂部的內水壓力)，kN/m2；K0——圍巖單位彈性抗力系數(shù)，N/cm3；Ec——混凝土彈性模量，N/mm2；Es——鋼筋彈性模量，N/mm2；f——鋼筋斷面面積，mm2；[σs]——鋼筋允許應力設計值；fy——鋼筋抗拉強度設計值；r0——襯砌外緣半徑，mm；ri——襯砌內緣半徑，mm；rd——結構系數(shù)。

引水隧洞正常水位工況Ⅴ類圍巖襯砌結構實際配筋采用6Φ25@167、7 Φ28@143、6Φ32@167、7Φ32@143主要形式，最大裂縫寬度均滿足0.3mm以下，襯砌厚度60mm-70mm，鋼筋最大允許應力均小于222.2MPa。

4.2 引水隧洞優(yōu)化成果

公式法對引水隧洞進行優(yōu)化襯砌時Ⅳ類圍巖采用單層配筋，Ⅴ類圍巖采用雙層對稱配筋。本次優(yōu)化沒考慮引水隧洞固結灌漿作用，固結灌漿作為儲備考慮。引水隧洞Ⅳ上類圍巖洞段優(yōu)化后襯砌厚度從原本的50cm改為40cm，鋼筋直徑顯著變細，鋼筋間距基本保持不變；Ⅳ上類圍巖洞段優(yōu)化后襯砌厚度從原本的50cm改為40cm，鋼筋直徑略有變細，鋼筋間距基本保持不變；Ⅴ類圍巖洞段優(yōu)化后襯砌厚度改為60cm和70mm，鋼筋直徑顯著變細，鋼筋間距基本保持不變。

5 結論

在永久襯砌前開展優(yōu)化設計研究，其主要優(yōu)勢在于以下幾點：

（1）圍巖復核優(yōu)化：對現(xiàn)場收集的地質資料進行梳理復核，對隧洞圍巖進行了優(yōu)化，將Ⅳ類圍巖細分為兩個亞類，在確保工程安全的前提下，將少部分Ⅳ類和Ⅴ類圍巖分別調整為Ⅲ類和Ⅳ下類，為隧洞優(yōu)化設計和試驗布置提供地質資料。

（2）襯砌形式優(yōu)化：內水壓力較大，引水隧洞布置采用繞溝方式，洪祖溝和洼龍溝淺埋段采用鋼襯過溝，隧洞采用圓形斷面型式，襯砌根據(jù)水頭段(隧)13+000之前段采用噴錨+混凝土襯砌的混合襯砌型式[5]，(隧)13+000之后采用全線混凝土襯砌型式。

（3）節(jié)省工程直接投資：優(yōu)化后某水電站引水隧洞可節(jié)省鋼筋3074t，節(jié)省混凝土10110m3，優(yōu)化前后成果進行了直接投資分析，優(yōu)化后工程直接投資節(jié)省了2891萬元。通過計算表明，某水電站引水隧洞混凝土襯砌結構及鋼筋配置做適當優(yōu)化是必要的。