阿爾塔什高壓混凝土岔管透水理論配筋設計

吳俊杰,楊雪蓮,陳顯龍

(1.新疆水利水電勘察設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發有限公司,新疆 喀什 844000)

近年來，隨著我國水電建設的迅速發展，出現了一大批大型和特大型的水利樞紐工程，如阿爾塔什水利樞紐工程[1- 3](砂礫石面板堆石壩最大壩高164.8m)、大石峽水利樞紐工程(最大壩高247.0m)。目前正在規劃和設計中的大型水利樞紐裝機容量越來越大，如古水水電站[4](面板堆石壩最大壩高250.0m)、茨哈峽水電站[5](面板堆石壩最大壩高257.5m)、如美水電站[6](黏土心墻堆石壩最大壩高315.0m)，上述工程利用的水頭也愈來愈高，為了適應水生態環境的需要，長距離混合式電站往往會配套生態電站，為了減少開挖往往會在發電引水隧洞襯砌結構上開孔增加一個混凝土岔管與生態引水隧洞連接通往壩后生態電站，針對超高壓隧洞混凝土岔管為空間組合結構，在高速水流和超高內水、圍壓壓力聯合作用下其受力極其復雜。伍智欽[7]等人對廣蓄二期工程的高壓鋼筋混凝土岔管滲漏問題進行了探討，該工程一洞四機布置主洞及高壓岔管為鋼筋混凝土襯砌承受最大靜水頭610m。由于位于高壓岔管上方兼作排水廊道的地質探洞離岔管過近(只有32m)它們之間的圍巖的水力梯度達19m加上灌漿工藝有缺陷，地質上又存在微張結構，因而在首次充水過程中，高壓岔管圍巖發生局部水力劈裂，地質探洞出現大量漏水，漏水量高達32L/s。針對此類超高壓岔管國內外一些專家在許多工程設計和已建工程中通過監測資料突破理論，如張巍[8- 11]應用透水襯砌設計理論對惠州抽水蓄能電站高壓隧洞進行數值計算分析。A·Zagars等[12]在廣州抽水蓄能電站對最大工作水頭530m的混凝土隧洞進行結構設計。肖明[13]研究了混凝土岔管在內水壓力作用下開裂后其滲流場改變的特征，并提出了此類結構滲流-應力相互耦合的數值計算分析方法。蘇超等[14]建立了地下鋼筋混凝土岔管優化數學模型，基于粒子群優化算法，開發了鋼筋混凝土岔管結構優化設計程序。文喜雨等[15]應用透水理論討論了透水襯砌的設計方法，給出了使用透水襯砌理論進行工程設計的基本步驟。李煊明[16]在福建省周寧水電站為503m超高壓岔管采用透水襯砌鋼筋混凝土結構設計總結了高水頭、大PD值高壓岔管設計的一些經驗。上述工程現場監測數據表明混凝土襯砌結構在運行工況下鋼筋應力計值均不大普遍在50MPa以下，這也驗證了采用透水理論對高水頭、大PD值的地下混凝土襯砌結構設計及配筋是適用的。

阿爾塔什水利樞紐工程是國務院確定的172項重大節水供水工程之一，是國家“十三五”期間100個重大項目之一，該工程總裝機容量755MW，設計年發電量21.86億kW時。樞紐工程對推動南疆地區經濟可持續發展、助力鄉村振興都具有重要意義。阿爾塔什水利樞紐工程于2015年11月下旬截流，2020年5月29日大壩主體工程完工，計劃2021年5月底工程完工，總工期為74個月。2021年8月工程全部機組并網發電進行涉網調試。由于本工程的地下高壓混凝土岔管襯砌也屬于復雜空間結構，采用以往傳統的結構力學法已無法滿足此類結構設計需求。本文根據以往成功案例自主研發透水理論并做大量驗證計算后，對本工程高壓混凝土岔管進行聯合受力分析及配筋，工程目前已經涉網調試，根據監測數據及后期進洞檢查均表明，新疆首個采用透水理論設計的混凝土岔管運行狀態良好。

1 工程研究區域概況

阿爾塔什水利樞紐工程總庫容為22.40億m3，屬Ⅰ等大(1)型工程。由砂礫石面板堆石壩、左岸1號、2號表孔溢洪洞、中孔泄洪洞，右岸1號、2號發電引水洞、深孔泄洪洞，下游15km處的主發電站廠房、以及通往壩后的生態電站廠房的生態基流引水洞等。右岸1號、2號發電引水洞平行軸線間距50m，最大水頭117.023m，最大洞徑為9.4m，PD值為1100m2均屬于高PD值隧洞。本次研究區域如圖1(a)所示，研究對象為2號發電引水洞樁號0+640.106m樁號段的混凝土岔管如圖1(b)所示，在初設階段擬定管壁厚度為1.2m，主管內徑9.4m，支管內徑4.0m，該處最大水頭81.88m，PD值為770m2，初設階段研究區域內混凝土岔管襯砌按照結構力學法得到的厚度與含筋量非常不合理[1]。技施階段對該研究區域內最關鍵的混凝土岔管襯砌采用透水襯砌理論進行結構優化及配筋設計。

圖1 工程區右岸高壓隧洞研究區域圖

2 計算原理

透水理論計算運行工況時高水頭內水外滲形成滲流場產生體積力作用于結構，滲流場的計算原理為三維穩定滲流微分方程[1- 3]如下：

式中，H—總水頭，m；h—壓力水頭，m；z—位置水頭，m；kx、ky、kz—x、y、z三向滲透系數分量，m/s；Q—有源滲流場，m3/s。

將模型剖分引入水頭插值函數[A]{H}={F}，得到每個節點水頭函數沿方向求導與水體容重相乘，得的空間三向體積力函數如下：

求模型各個節點體積力之和：

{f}=?V[N]T{f}dV

dt時段內進入單位體積內的水量與內部增量相同，聯合推導得出以下方程求得節點應變與體積力關系：

3 研究區域模型及計算參數

3.1 方案制定

本次研究區域樁號發0+640.106m段為Ⅲ類中硬圍巖，局部為堅硬巖，考慮混凝土岔管體型需要進行優化，借鑒國內外[17- 25]同等PD值混凝土岔管及工程經驗初步擬定管壁厚度為1.4m，為了分析不同管壁厚度的受力狀態，以0.2m變換管壁厚度，列出以下4組方案，采用透水理論分析不同壁厚混凝土岔管襯砌結構在運行工況時的應力，比出最優方案用于本工程，見表1。

表1 2號發電洞0+640.106m樁號混凝土岔管優化方案 單位：m

3.2 研究區域及網格剖分

計算模型選取1號、2號發電洞0+640.106m樁號順水流向上游150m，向下游150m，兩側、垂直上下各取150m，建立三維計算模型如圖2(a)所示，將整體模型離散，總單元數為58862個C3D8P節點孔壓單元，總節點數50848個，研究區域整體離散網格如圖2(b)所示。1號發電洞混凝土襯砌總單元數為11286個C3D8P節點孔壓單元，總節點數11342個，2號發電洞混凝土襯砌總單元數為18812個C3D8P節點孔壓單元，總節點數19816個如圖3(a)所示，混凝土岔管總單元數6000個，總節點數8328如圖3(b)所示。

圖2 工程區右岸高壓隧洞研究區域圖

圖3 工程區右岸高壓隧洞研究區域圖(1.2m管壁厚度)

3.3 研究區域計算邊界及材料參數

在開挖過程中研究區域無地下水或出水現象，根據地質提供山體地下水位可知該處地下水距離模型研究區尚遠，同時根據三維繞壩滲流計算成果[23]該部位外水位于混凝土岔管底部2m，因此，這里兩側巖體沿著洞線方向外水水頭按照低于混凝土岔管2m設置為第一類邊界條件[24- 27]，山體上游面、山體下游面、山體頂面、隧洞內部按照實際水頭設置成第1類透水邊界，模型底部山體以及其它表面設定成第2類不透水邊界。借鑒同類型工程并結合本工程地質報告，本次用于計算的材料參數見表2。

表2 材料參數

4 計算成果分析

采用透水理論計算擬定4組方案得到混凝土襯砌的最大啦應力與最大彎矩其中混凝土岔管所處有水環境且有輕度侵蝕地下環境，按照規范限裂要求進行配筋，且混凝土裂縫小于限制校核標準0.25mm，優化計算結果見表3。

表3 2號發電洞混凝土岔管襯砌結構優化成果

方案1—4混凝土岔管襯砌厚度從1.6m降低1.0，內水壓力不變的情況下，計算成果列入表3與圖4可以得出混凝土岔管應力隨著管壁厚度減少而降低，方案3主管最大拉應力為1.137MPa如圖5(a)所示與方案4主管最大拉應力為1.080MPa，均小于C30混凝土允許拉應力1.47MPa。隨著管壁厚度減少外水水頭有所增加但不明顯。按照應力配筋后滿足配筋與混凝土振搗間距大于8cm要求，每米混凝土配置8根鋼筋管壁最大裂縫也有所降低，然而隨著管壁厚度降低自身強度有限，方案4管壁應力下降不明顯，且限裂也不滿足要求，如圖5(b)所示。因此，最終推薦方案3管壁厚度取1.2m，管壁襯砌內外各配8根25m的鋼筋即滿足應力需求也滿足限裂需求。主管等效巖塑性區為4.2m如圖5(c)所示，支管等效巖塑性區為3.8m如圖5(d)所示，最終固結灌漿深度為5m。限于篇幅限制以下僅列出最優方案計算成果。

圖4 混凝土岔管優化應力成果圖(單位：MPa)

圖5 2號發0+640.106樁號研究區域剖面混凝土岔管襯砌最大應力與塑性區成果圖

5 結語

(1)通過論述我國廣蓄二期特高壓隧洞混凝土岔管襯砌漏水事件，引出該結構受力復雜無法按照傳統規范法結構配筋理念進行設計，有新疆三峽稱號的阿爾塔什水利樞紐工程中的混凝土岔管也面臨此類問題，采用透水理論進行限裂結構設計及配筋很好的解決了結構設計不合理，含筋量巨大等問題。

(2)混凝土岔管屬于空間組合結構，在本次優化計算中支管與主管銳角應力集中較為明顯這點與面力計算規律一致，因此，只能通過鈍化銳角，建議采用圓倒角降低應力集中，從而使得管壁應力更加均勻。

(3)國家發改委、國家能源局先后發布了《抽水蓄能電價政策》《抽水蓄能中長期發展規劃(2021—2035年)》，透水理論為抽水蓄能高壓、超高壓、特高壓隧洞襯砌及混凝土岔管結構設計提供理論支撐。