某水電站引水隧洞襯砌優化設計研究

朱李英 梁 勇

（1.四川水利職業技術學院， 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城縣境內，是碩曲河干流鄉城、得榮段“一庫六級”梯級開發方案中的“龍頭水庫”電站。水電站采用混合式開發，電站裝機容量205.4MW。工程規模為大(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。本次優化重點針對IV、V類圍巖進行。

2 優化設計工作思路

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

（1）根據現場地質設代資料和現場試驗成果，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進行復核。并根據各類圍巖類別復核后的彈性抗力系數，采用與之相對應的彈性抗力系數進行襯砌計算；

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

3 工程地質和現場試驗

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象主要表現為巖體的風化卸荷及局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地質現象不發育。河谷兩岸基巖大多裸露，常形成陡崖，巖體風化較弱，一般表現為節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現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，優勢節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。

在隧洞優化設計過程中，現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據可靠。

3.3 波速-模量關系式的建立

通過現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軟件進行數據擬合，最終確定最優的聲波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據，相關系數R達到0.963，決定系數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，試驗數據較多，可取均值作為參數取值成果。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的滲透破壞和對沿線道路和覆蓋層邊坡穩定等的影響和危害，建議水工根據隧洞內水壓力、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 引水隧洞優化設計計算

4.1 優化設計計算

綜合已建工程實例，本次優化設計襯砌厚度根據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。

根據隧洞開挖揭示的地質條件顯示，本次優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、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，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。

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 引水隧洞優化成果

公式法對引水隧洞進行優化襯砌時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化設計研究，其主要優勢在于以下幾點：

（1）圍巖復核優化：對現場收集的地質資料進行梳理復核，對隧洞圍巖進行了優化，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，為隧洞優化設計和試驗布置提供地質資料。

（2）襯砌形式優化：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）節省工程直接投資：優化后某水電站引水隧洞可節省鋼筋3074t，節省混凝土10110m3，優化前后成果進行了直接投資分析，優化后工程直接投資節省了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化是必要的。