水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加固方案分析

邱曾浩

(中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，南昌 330029)

1 工程概況

P水電站二級(jí)壓力隧洞從就近大壩取水后輸水至電站調(diào)壓井，隧洞起點(diǎn)和終點(diǎn)底面高程分別為945.6m和776.4m，隧洞全長(zhǎng)7.8km，底部縱坡為1.8%。該水電站壓力隧洞為地下鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，開挖施工必然打破原巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡，使得應(yīng)力重新分布，為此，必須增設(shè)支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。內(nèi)管徑5.5m，從起點(diǎn)起至4.5km段襯砌厚度0.3m，其余管段襯砌厚度0.35m。該水電站建成后檢測(cè)結(jié)果顯示，121倉段樁號(hào)5+423.80右邊墻、5+434.10右邊墻、5+423.90底板、5+423.00底板、5+431.20右邊墻及5+423.10左邊墻處混凝土實(shí)際強(qiáng)度分別為26.85MPa、24.71MPa、28.02MPa、20.86MPa、30.62MPa、26.68MPa，強(qiáng)度均值達(dá)到26.34MPa，比35MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值小。為此必須進(jìn)行該倉段混凝土襯砌結(jié)構(gòu)加固處理。

2 加固方案選擇

水電站工程混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足必將影響結(jié)構(gòu)承載力和耐久性，引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫。當(dāng)前常見的混凝土加固技術(shù)包括綜合加固法、直接加固法和間接加固法等，混凝土置換法、黏貼纖維法、錨貼鋼板法、外加預(yù)應(yīng)力法、鋼襯加固法等均屬于直接加固法。其中：①鋼襯加固法是圓形水工隧洞常用的加固形式，能有效改善襯砌結(jié)構(gòu)防滲能力，增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)抵抗水壓性能。該水電站水工隧洞121倉段恰好在壓力隧洞末端，承受著較大的外水壓力，加強(qiáng)鋼襯和混凝土接觸面之間以及鋼襯起始端止水處理以防止因外水壓力過大而引發(fā)鋼襯失穩(wěn)是襯砌結(jié)構(gòu)加固的重點(diǎn)。②黏貼纖維法主要通過黏接劑將纖維板材牢固黏貼在襯砌構(gòu)件待加強(qiáng)位置，對(duì)于承受靜力作用的受彎拉構(gòu)件加固較為適用。③增大截面法則使用與原結(jié)構(gòu)相同的材料使混凝土構(gòu)件截面積增大并增設(shè)配筋，提升構(gòu)件剛度和承載力[1]。

考慮到鋼襯生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，黏貼纖維法在水工隧洞中的應(yīng)用較為少見，故該水電站二級(jí)壓力水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加固采用增大截面法，即鑿毛襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，掛φ6mm@150mm×150mm網(wǎng)，并按照0.15m厚度噴混凝土，并確保噴涂混凝土強(qiáng)度達(dá)到26MPa及以上。加固方案設(shè)計(jì)圖詳見圖1。

圖1 加固方案設(shè)計(jì)圖

3 加固方案計(jì)算

該水工隧洞圍巖為Ⅱ類，巖石地質(zhì)強(qiáng)度69，飽和單軸抗壓強(qiáng)度73MPa，變形模量25Gpa，泊松比0.24，巖石質(zhì)量指標(biāo)77%。所使用混凝土材料抗壓強(qiáng)度35MPa，彈性模量27608MPa；鋼筋材料抗壓強(qiáng)度420MPa，彈性模量200000MPa。水工隧洞在運(yùn)行過程中為承受最大最小水位及水擊壓力，必須將最低和最高運(yùn)行水位分別控制在954.0m和968.0m，出現(xiàn)水擊后的涌浪水位最大值控制在988.95m。

mm

3.1 計(jì)算方法

應(yīng)用ANSYS有限元軟件中的平面應(yīng)變模式，以水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)為承載主體，進(jìn)行隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加固方案模擬。通過彈簧COMBINE39單元進(jìn)行圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)相互作用過程的模擬，且在承受拉力情況下彈簧失效[2]。襯砌斷面尺寸具體見圖2。

圖2 襯砌截面圖

m

彈簧材料圓形段和直線段強(qiáng)度分別按照下式確定：

(1)

(2)

式中：Kn為彈簧剛度，kN/m3；Erm為圍巖變形模量，kN/m2；B為彈簧材料直線段長(zhǎng)度，m；v為泊松比；R為彈簧材料圓弧段半徑，m。

3.2 荷載組合及荷載系數(shù)

按照以上襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院所編寫的《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2018)相關(guān)規(guī)定，所得到的水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)有限元模型設(shè)計(jì)荷載組合和荷載系數(shù)取值具體見表1。

表1 有限元模型設(shè)計(jì)荷載組合和荷載系數(shù)

上表中襯砌結(jié)構(gòu)圍巖壓力主要通過下式進(jìn)行確定：

Pv=γDeq[(100-RMR)/100]

(3)

運(yùn)行靜水壓力為水工隧洞正常運(yùn)行狀態(tài)下的內(nèi)水壓力與外水壓力最小值之差。瞬態(tài)靜水壓力則是水工運(yùn)行閥門驟然關(guān)閉時(shí)，遭遇水擊瞬間的內(nèi)水壓力與最小外水壓力之差，考慮到該水工隧洞調(diào)壓井內(nèi)涌浪水位線最高位于997.98m高程，以此為起點(diǎn)繪出一條連接大壩正常水位的直線，以進(jìn)行隧洞超壓值的確定[3]。

外部靜水壓力是水工隧洞處于放空狀態(tài)下隧洞上所作用的外部靜水壓力最大值。對(duì)于荷載組合3而言，隧洞頂部所承受的水柱作用是隧洞直徑長(zhǎng)度的三倍。對(duì)于荷載組合4而言，在研究隧洞快速放空過程中截面承載能力時(shí)必須假設(shè)外水壓力全部作用于混凝土-圍巖界面，其取值必定與從大壩運(yùn)行水位開始所量測(cè)得內(nèi)水壓力值相等。

結(jié)合上述分析，斷面拉應(yīng)力、壓應(yīng)力取值大小主要受荷載組合1和4控制，而荷載組合2和3均非控制工況。

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2018)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行該水工隧洞鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并應(yīng)同時(shí)滿足：

φMn≥Mu，φVn≥Vu，φPn≥Pu

(4)

式中：Mn為截面的抗彎強(qiáng)度名義值，Nm；φ為強(qiáng)度折減系數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)分別取0.75、0.90和0.65；Mu為抗彎強(qiáng)度計(jì)算值，Nm；Vn為截面的抗剪強(qiáng)度名義值，N；Vu為截面剪力計(jì)算值，N；Pn為截面軸向抗力強(qiáng)度名義值；Pu為截面軸力設(shè)計(jì)值。該水電站水工隧洞過水?dāng)嗝娌捎脠A形襯砌，在遭受徑向壓力的情況下，內(nèi)力以環(huán)向Pu形式為主，為此在襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中彎矩的影響可以忽略不計(jì)。

在該水工隧洞襯砌情況下軸向壓縮按照以下公式確定：

fv(ρ+ρ′)bd}

(4)

為抵抗襯砌結(jié)構(gòu)軸向拉伸，必須通過鋼筋材料的加固吸收全部負(fù)荷，且混凝土抗拉強(qiáng)度應(yīng)忽略不計(jì)，公式如下：

Pn=Pu/φ

(5)

Pu=0.5(σi+σ0)Ag

(6)

As=Pu/φfy

(7)

式中：σi為斷面i內(nèi)點(diǎn)應(yīng)力，MPa，i=1-4；σ0為斷面外點(diǎn)應(yīng)力，MPa；As為鋼筋截面面積，mm2；其余參數(shù)含義同前。

根據(jù)以上計(jì)算所得出的四個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面最大內(nèi)力值進(jìn)行該水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以荷載組合1工況截面拉力最大值進(jìn)行配筋面積確定，以荷載組合4工況截面壓力最大值進(jìn)行抗壓承載力復(fù)核，具體結(jié)果詳見表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在各種荷載組合下，水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)抗力均超出作用力，符合相關(guān)規(guī)范要求。所以，該水工隧洞采用“掛φ6mm@150mm×150mm網(wǎng)，按照0.15m厚度噴混凝土，確保噴涂混凝土強(qiáng)度達(dá)到26MPa及以上”的加固方案，能保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。

表2 水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

綜上所述，水工隧洞襯砌方法很多，必須結(jié)合工程實(shí)際、施工進(jìn)度及施工成本控制方面的要求進(jìn)行綜合選用。P水電站二級(jí)壓力隧洞在滿足工程進(jìn)度的基礎(chǔ)上，所選用的增大截面法襯砌方法以及在鑿毛襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面后，掛φ6mm@150mm×150mm網(wǎng)，并噴厚度0.15m的混凝土，保證混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到26MPa的襯砌方案較為適用，在降低工程造價(jià)、簡(jiǎn)化施工過程的同時(shí)，確保了水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。