固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化

楊 樂

(四川涼山水洛河電力開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

固滴水電站系水洛河干流(額斯～捷可)水電規(guī)劃“一庫十一級”中的第六座梯級電站，上游接鉆根水電站，下游接新藏水電站。電站水庫正常蓄水位高程2 311 m，總庫容104萬m3，電站裝機(jī)容量為138 MW。采用引水式開發(fā)，樞紐工程由混凝土閘壩、右岸引水隧洞及地下發(fā)電廠房組成。該工程規(guī)模為三等、中型，主要水工建筑物之擋泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物。

引水隧洞長10 852 m，布置于水洛河右岸山體中，沿線為由玄武巖、砂板巖等形成的中高山區(qū)，軸線地表高程2 400～2 895 m，埋深100～400 m，洞段長7 660 m，約占全洞總長度的72%；其中埋深大于400 m洞段的長度為2 960 m，約占全洞總長度的28%，引水隧洞沿線承受的內(nèi)水壓力為0.13～0.77 MPa。

2 原設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖，引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌洞段均采用雙層鋼筋襯砌，鋼筋及混凝土工程量均較大。Ⅳ類圍巖洞段平均單位延米鋼筋量為2.08 t/m，平均含筋率為173.1 kg/m3。該配筋量相較類似工程偏大。因此，引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的襯砌配筋具有較大的優(yōu)化空間。

從節(jié)約投資、縮短工期、施工方便以及所具有的類似長引水電站工程經(jīng)驗(yàn)等方面綜合考慮，通過精細(xì)化設(shè)計(jì)，對固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)可進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整。在目前電力市場形勢下，優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低工程投資可提高電站的市場競爭力。

3 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路

(1)參照寶興河小關(guān)子、九龍河溪古、水洛河新藏等類似工程經(jīng)驗(yàn)，其引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段均采用單層鋼筋。固滴水電站引水隧洞斷面直徑、設(shè)計(jì)水頭、PD值在同類水電站中均相對較小，因此，固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段采用單層鋼筋是可行的。

(2)固滴水電站引水隧洞全長10 852 m，現(xiàn)按三個(gè)標(biāo)段進(jìn)行分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中引水一標(biāo)、二標(biāo)段分段長度較長，隧洞分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)段段數(shù)少，設(shè)計(jì)精細(xì)化不夠，若引水一標(biāo)、二標(biāo)段的引水隧洞分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)段數(shù)按設(shè)計(jì)水頭分為三段，將分段長度控制在1.5～2 km，可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

(3)該引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段開挖后均進(jìn)行了系統(tǒng)的初期支護(hù)，后期還將進(jìn)行系統(tǒng)的固結(jié)灌漿，因此，根據(jù)規(guī)范要求及類似工程經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，物理力學(xué)參數(shù)可取上限值進(jìn)行計(jì)算。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的計(jì)算

4.1 基本參數(shù)

4.1.1 隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)

隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

4.1.2 分段計(jì)算水頭

分段計(jì)算水頭情況見表2。

本次計(jì)算Ⅳ類圍巖噴混凝土厚度為10 cm，襯砌混凝土厚度為50 cm。有限元計(jì)算采用圍巖參數(shù)中的中值和高值；靜力學(xué)計(jì)算采用低、中、高三組參數(shù)計(jì)算。

表1 隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值表

表2 分段計(jì)算水頭表

注：以頂拱半徑計(jì)算PD值。

4.2 配筋計(jì)算方法

有限元計(jì)算應(yīng)力配筋方法基于隧洞結(jié)構(gòu)并采用圍巖整體三維有限元法進(jìn)行計(jì)算。

靜力計(jì)算按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行配筋計(jì)算。

4.3 有限元計(jì)算

4.3.1 計(jì)算模型

有限元計(jì)算選取引水隧洞結(jié)構(gòu)和較大范圍圍巖體作為整體研究對象，其中計(jì)算模型從隧洞中心鉛直向向下取30 m，向上取30 m；沿隧洞中心向左右兩側(cè)取圍巖厚度約50 m。有限元計(jì)算坐標(biāo)系選定為：X軸～在水平面上與引水隧洞軸線方向垂直；Y軸～在水平面上沿引水隧洞軸線方向；Z軸～與X和Y軸垂直，且Z=X×Y，鉛直向上。

有限元計(jì)算將整個(gè)引水隧洞分為14個(gè)典型段進(jìn)行，包括Ⅳ類圍巖7個(gè)斷面(僅內(nèi)水壓力不同)和Ⅴ類圍巖7個(gè)斷面(僅內(nèi)水壓力不同)，共計(jì)14個(gè)典型斷面。有限元計(jì)算網(wǎng)格見圖1。

4.3.2 有限元計(jì)算參數(shù)

圖1 有限元計(jì)算網(wǎng)格圖

有限元計(jì)算采用的材料力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 有限元計(jì)算參數(shù)表

襯砌結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土，彈模取28 GPa，泊松比取0.167，容重取2 400 kg/m3。

4.3.3 有限元計(jì)算結(jié)果云圖及特征應(yīng)力點(diǎn)

由于該工程隧洞型式為馬蹄形，在結(jié)果輸出時(shí)會(huì)利用三個(gè)坐標(biāo)系輸出，其中底板以整體笛卡爾坐標(biāo)系輸出，上側(cè)拱及下側(cè)拱以不同的柱坐標(biāo)系輸出。為查看整體應(yīng)力效果，以整體系統(tǒng)顯示襯砌結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力圖(以Ⅳ類圍巖77 m水頭工況計(jì)算為例)(圖2與表4)。

Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力 Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌底板特征應(yīng)力

Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌上側(cè)拱特征應(yīng)力 Ⅳ類圍巖77 m水頭襯砌下側(cè)拱特征應(yīng)力圖2 襯砌結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力示意圖

表4 有限元計(jì)算配筋結(jié)果表

4.3.4 裂縫值的判斷

襯砌裂縫寬度按照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5195-2004)中的附錄公式進(jìn)行計(jì)算，Ⅳ類圍巖取中值時(shí)襯砌的最大裂縫寬度為0.287 mm，發(fā)生在下側(cè)拱與底板連接處，最大裂縫的寬度小于裂縫寬度允許值0.3 mm，滿足規(guī)范要求；Ⅳ類圍巖取高值時(shí)襯砌的最大裂縫寬度為0.293 mm，發(fā)生在下側(cè)拱與底板連接處，最大裂縫的寬度小于裂縫的寬度允許值0.3 mm，滿足規(guī)范要求。

4.4 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.4.1 計(jì)算模型

選取Ⅳ類圍巖1個(gè)斷面、Ⅴ類圍巖1個(gè)斷面，每種圍巖計(jì)算7種不同的內(nèi)水壓力，同時(shí)考慮低、中、高三種圍巖參數(shù)，即每種圍巖各21種組合。由于Ⅳ類圍巖隧洞混凝土厚度為60 cm，但有10 cm厚為噴混凝土，因此，在進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，只計(jì)算50 cm的襯砌厚度(圖3)。

圖3 圍巖隧洞段靜力學(xué)模型示意圖

4.4.2 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用的材料力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 靜力學(xué)計(jì)算采用的材料力學(xué)參數(shù)表

襯砌結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土，彈模取28 GPa，容重取2 400 kg/m3。

4.4.3 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 Ⅳ類圍巖靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

4.5 計(jì)算成果

4.5.1 兩種方法對比情況

兩種計(jì)算方法對比結(jié)果表明(表7)：靜力計(jì)算方法較有限元方法在側(cè)拱與底板相交處出現(xiàn)了更為明顯的應(yīng)力集中，在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)形成了較大的拉應(yīng)力區(qū)；有限元方法計(jì)算所得到的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對較均勻，因此，在基于靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)配筋時(shí)，在側(cè)拱內(nèi)側(cè)下部及底板內(nèi)側(cè)需要局部添加鋼筋，以使配筋結(jié)果滿足要求而導(dǎo)致配筋量進(jìn)一步增大。

表7 Ⅳ類圍巖靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算與有限元計(jì)算成果比較表

4.5.2 建議配筋

Ⅳ類圍巖隧洞布置的單層鋼筋情況見表8。

5 設(shè)計(jì)方案對比分析

設(shè)計(jì)方案對比分析情況見表9。

表8 Ⅳ類圍巖建議配筋表

表9 設(shè)計(jì)方案對比分析情況表

通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，在保證安全質(zhì)量的前提下，按照目前圍巖開挖情況，可以將Ⅳ類圍巖襯砌配筋由原來的雙層優(yōu)化為單層并降低配筋強(qiáng)度。通過計(jì)算分析得知，固滴水電站可以優(yōu)化6 824.78 t鋼筋，降低投資(概算口徑)約6 161萬元，優(yōu)化幅度為65.12%，節(jié)約了投資并有利于現(xiàn)場施工。

6 結(jié) 語

固滴水電站為典型的長引水式電站，水工隧洞的投資和工期是控制整個(gè)工程投資和工期的重要因素之一。因此，對水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算研究是必要的，可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

固滴水電站引水隧洞長10 852.32 m。根據(jù)實(shí)際開挖情況，Ⅳ類圍巖洞段約占全洞總長的55%，在保證質(zhì)量安全的前提下，開展隧洞襯砌配筋優(yōu)化十分必要。根據(jù)有限元計(jì)算和靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算，將引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌優(yōu)化為單層配筋，節(jié)約了鋼筋制安工程量約6 824.78 t，有效地控制了工程投資。

固滴水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的開展，對今后類似工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化及投資控制具有一定的借鑒作用。