EPC項目引水隧洞襯砌之鋼筋的設計優化

林 曉 旭, 夏 維 學

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上,系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規劃“一庫六級”中的第五個梯級,采用引水式開發,上游與俄公堡電站銜接,下游與立洲電站相連。電站裝機容量為4×43 MW,正常蓄水位高程為2 215.00 m,水庫總庫容為48.4 萬m3,利用落差127 m,具有日調節能力。工程的主要任務為發電,兼顧下游生態環境用水要求。電站多年平均年發電量,單獨運用時為6.856億kW·h,聯合運用時為7 387億kW·h。工程靜態總投資為18.92億元,總投資為21.60億元。

工程樞紐由攔河閘壩、進水口、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地面發電廠房組成。閘壩軸線位于小溝河溝口下游 400 m處,從右至左依次為右岸連接壩、泄洪閘、沖沙閘、左岸連接壩和進水口。

引水隧洞布置在木里河右岸,全長11.036 km,平面上共設置5個轉點,除第一個拐點轉彎半徑為150 m外,其他拐點的轉彎半徑均為300 m。進口底板高程以及調壓井底板高程均與初設階段一致,分別為2 198.00 m和2 175.00 m,縱坡i=2.086 9‰。

引水隧洞的開挖與襯砌均為馬蹄型,過流斷面的尺寸為 6.1 m×7.8 m(底寬×高)[1],并根據不同圍巖類別(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類)[2]采用不同的支護形式。

2 設計方案優化前的施工方案

原設計方案:引水隧洞K0+006.5～K11+036.119范圍內不同圍巖的鋼筋布置情況為:

(1) Ⅲ類圍巖(單層鋼筋):K0+006.5～K5+500段的分布筋布置為C12@25 cm,主筋布置為C20@20 cm,每延米鋼筋單耗為0.47 t;K5+500～K11+036段的分布筋布置為C16@25 cm,主筋布置為C22@16.7 cm,每延米鋼筋單耗為0.71 t。

(2) Ⅳ類圍巖(雙層鋼筋):K0+006.5～K1+400段的分布筋布置為內外環均為C16@25 cm,主筋布置為內環C20@20 cm,外環C16@20 cm,每延米鋼筋單耗為0.95 t;K1+400～K3+500段的分布筋布置為內外環均為C16@25 cm,主筋布置為內環C22@20 cm,外環C20@20 cm,每延米鋼筋單耗為1.16 t;K3+500～K5+550段的分布筋布置為內外環均為C18@25 cm,內環頂拱及外環均設置C22@16.7 cm主筋,內環底板設置C28@16.7 cm主筋,每延米鋼筋單耗為1.5 t;K5+550～K7+600段的分布筋布置為內外環均為C18@25 cm,主筋設置為內環C18@16.7 cm,外環C25@16.7 cm,每延米鋼筋單耗為2.02 t;K7+760～K9+700段的內外環設置的分布筋均為C20@25 cm,主筋設置為內環C18@14.3 cm,外環C25@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為2.39 t;K9+760～K11+036段的內外環設置的分布筋均為C20@25 cm,內環設置的主筋為C18@12.5 cm,外環設置的主筋為C25@12.5 cm,每延米鋼筋單耗為2.66 t。

(3) Ⅴ類圍巖(雙層鋼筋):K0+006.5～K1+400段分布筋的設置內外環均為C16@25 cm,主筋設置為C22@20 cm,每延米鋼筋單耗1.26 t;K1+400～K3+500段分布筋的設置內外環均為C16@25 cm,主筋設置為C25@20 cm,每延米鋼筋單耗為1.54 t;K3+500～K5+550段分布筋的設置內外環均為C20@25 cm,主筋設置為C25@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為2.21 t;K5+550～K7+600段分布筋的設置內外環均為C20@25 cm,主筋設置為C28@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為2.74 t;K7+760～K9+700段分布筋的設置內外環均為C25@25 cm,主筋設置為C32@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為3.73 t;K9+760～K11+036段分布筋的設置內外環均為C25@25 cm,主筋設置為C32@12.5 cm,每延米鋼筋單耗為4.13 t。

原設計報告中的襯砌配筋方案于2018年11月2日上報,并于2018年11月30日經監理工程師審批執行。

3 設計方案優化的原因及過程

3.1 設計方案優化的原因

(1)由于原設計方案中的襯砌配筋未將初期支護作用效果與永久襯砌作用聯合統一考慮,而是按照水頭壓力的大小及圍巖類別不同計算配筋的。

(2)由于所揭示的地質條件較招投標階段發生了較大變化,若按照原設計方案實施,其實施工程量較清單工程量將增加1 672.333 t,并在施工成本增大的同時施工工期將延長,不利于固增水電站發電目標的順利實現。

(3)通過設計優化變更,可以將鋼筋斷面減小,在長引水隧洞施工中可以減小施工難度,提高施工效率,節省工期。

3.2 設計方案的優化過程

2019年7月初,項目部進行了內部方案討論,并對引水隧洞洞內襯砌鋼筋進行設計優化,提出了優化建議;2019年7月16日,業主單位、監理單位同意施工單位提出的鋼筋設計優化建議,同意進行進一步研究并簽署了現場備忘錄;項目部于2019年9月委托河海大學開展了襯砌結構數值分析工作并出具了相關成果;然后由水電七局組織外部專家并邀請項目業主單位、監理單位等各參建方共同對河海大學提供的計算成果進行了評審驗收。評審會委員一致認為該科研成果與固增水電站引水隧洞開挖支護施工的實施情況緊密結合,可以作為引水隧洞襯砌結構配筋優化的重要技術支撐。2020 年 9 月 13 日,業主與監理單位同意按科研成果報告進行引水隧洞襯砌配筋的優化調整。

4 圍巖穩定性的研究與分析

(1)項目承包部針對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的整體穩定性開展了分析研究,建立了二維模型和三維數值模型。計算了考慮初期支護(噴錨支護[4]、工字鋼支護)與不考慮初期支護情況下不同圍巖類別不同工況下典型斷面的洞室圍巖穩定性,分析了永久襯砌、初期支護及圍巖聯合受力時不同工況下的應力[5]狀態與變形情況,根據襯砌的應力計算成果開展了相應的配筋及裂縫寬度計算。

(2)針對不良地質洞段,選取斷層所處斷面作為典型截面進行建模分析,計算了不考慮初期支護和考慮初期支護兩種情況下襯砌、支護及圍巖的應力狀態與變形情況,開展了該斷面襯砌結構配筋及裂縫寬度計算。

(3)針對施工過程中出現的大變形洞段,選取開挖過程中變形量最大的斷面作為典型斷面,根據監測資料反演巖體參數和初始地應力場,并考慮到圍巖浸水后其強度會發生劣化的性質,開展了干燥與浸水兩種不同狀態下典型斷面圍巖的應力、變形及塑性區范圍等計算,評價了圍巖穩定性,提出了加強支護的建議;分析了支護系統與襯砌的受力和變形,開展了該斷面襯砌結構配筋及裂縫寬度計算。

按照變形收斂率和塑性區開展深度的標準,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖在支護后都是穩定的。所有斷面在各工況下的圍巖最大豎向位移均在規范允許范圍內,所受到的應力強度均未超過其抗拉和抗壓強度,塑性區開展深度均未超出與其相對應的錨桿長度。

按照運行期襯砌與圍巖接觸的不良情況,將接觸層頂拱 90°范圍內的部分單元進行了脫空處理,計算顯示圍巖位移、圍巖應力的分布規律和大小沒有出現太大的改變,但襯砌結構的受力局部明顯增加。經對比是否施加初期支護時圍巖穩定計算的各項數值結果可以看出:施加初期支護能夠有效改善圍巖的變形和受力情況,控制塑性區開展范圍,提高圍巖的穩定性。例如破碎帶部位未施加初期支護時其圍巖變形和應力均較大,圍巖處于不穩定狀態;采取加強支護措施后,圍巖的承載能力明顯提高。計算顯示:實施支護后圍巖的最大變形和相對位移均沒有超出規范中的規定值,其應力強度在抗拉和抗壓強度范圍內,臨時支護能夠較好地改善塑性區開展范圍,在該支護體系下,圍巖穩定性能夠滿足安全運行要求。針對斷層部位的圍巖穩定性,由計算結果可知:在無初期支護的情況下圍巖的豎向位移較大,所受應力較大,塑性區開展已超過灌漿圈厚度,故必須對斷層洞段進行支護。施加支護后,圍巖變形得到了有效控制,未超過規范允許的變形量,且其所受到的應力強度均未超過其抗拉和抗壓強度,圍巖能夠保持穩定的狀態。

5 優化后的施工方案

2020年9月26日,總承包項目部正式報送了“固增水電站引水隧洞鋼筋圖”,監理單位于2020年10月6日進行了批復:同意實施。優化后的各類圍巖在不同水頭段的配筋情況為:

(1) Ⅲ類圍巖(單層鋼筋):漸變段末端～K3+500～K5+500段的分布筋布置為C12@25 cm,主筋布置為C20@20 cm,每延米單耗為0.47 t;K5+500～K11+036.119段的分布筋布置為C16@25 cm,主筋布置為C22@16.7 cm,每延米單耗為0.71 t。

(2) Ⅳ類圍巖(雙層鋼筋):漸變段末端～K1+400段的分布筋布置為內外環C12@25 cm,主筋布置為C16@20 cm,每延米單耗為0.66 t;K1+400～K3+500段的分布筋布置為內外環C12@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C18@20 cm,內環底板為C20@20 cm,每延米單耗為0.8 t;K3+500～K5+500段的分布筋布置為內外環C12@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C20@20 cm,內環底板為C22@20 cm,每延米單耗為0.95 t;K5+500～K7+600段的分布筋布置為內外環C16@25 cm,主筋布置為內外環C22@20 cm,每延米單耗為1.23 t;K7+600～K9+700段的分布筋布置為內外環C16@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C22@20 cm,內環底板為C25@20 cm,每延米單耗為1.27 t;K9+700～K11+036.119段的分布筋布置為內外環C16 mm@25,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C25@20 cm,內環底板為C28@20 cm,每延米單耗為1.27 t。

(3) Ⅴ類圍巖(雙層鋼筋):漸變段末端～K1+400段的分布筋布置為內外環C12@25 cm,主筋布置為內環C20@20 cm,外環C16@20 cm,每延米單耗為0.81 t;K1+400～K3+500段的分布筋布置為內外環C16@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C22@20 cm,內環底板為C25@20 cm,每延米單耗為1.3 t;K3+500～K5+500段的分布筋布置為內外環C16@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C25@16.7 cm,內環底板為C28@16.7 cm,每延米單耗為1.82 t;K5+500～K7+600段的分布筋布置為內外環C20@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C25@14.3 cm,內環底板為C28@14.3 cm,每延米單耗為2.35 t;K7+600～K9+700段的分布筋布置為內外環C22@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C28@14.3 cm,內環底板為C32@14.3 cm,每延米單耗為2.93 t;K9+700～K11+036.119段的分布筋布置為內外環C22@25 cm,主筋布置為內環邊墻頂拱及外環C28@14.3 cm,內環底板為C32@14.3 cm,每延米單耗為2.95 t。

6 設計方案優化前后的對比情況

通過對設計方案優化前后的施工方案進行對比得知:優化后的方案因原設計圖紙對于Ⅲ類圍巖按構造配筋,故對其配筋未做調整,仍按原方案執行;對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖典型洞段的鋼筋直徑、間距均進行了適當調整。設計方案優化前后Ⅳ、Ⅴ類圍巖典型洞段鋼筋布置情況見表1。

表1 設計方案優化前后Ⅳ、Ⅴ類圍巖典型洞段鋼筋布置表

新的設計方案優化了鋼筋型號,對鋼筋間排距進行了加大,使每延米的耗筋量降低。通過對引水隧洞襯砌鋼筋的設計方案進行優化調整,加快了隧洞混凝土襯砌的施工進度,大大降低了施工成本,同時,經專家組、監理部審查并實施的優化后的設計方案的圍巖穩定性要求滿足施工要求,工程安全得到了保證。該設計方案優化為項目的整體建設創造了一定的經濟效益,同時也提前完成了引水隧洞的襯砌施工,為首臺機組發電目標的實現打下了堅實的基礎。

7 經濟與社會效益分析

原設計方案中的襯砌鋼筋為16 770.333 t,設計方案優化后的襯砌鋼筋實施工程量為13 484.771 t,減少了3 285.562 t。

該工程采用EPC模式,通過設計方案優化減少了實施工程量,降低了施工成本,取得直接經濟效益約1 925.76萬元。引水隧洞襯砌鋼筋方案優化后縮短了現場施工工期,使每倉鋼筋轉運的次數減少,安裝鋼筋的工序時間縮短,優化后的配筋經受力驗算得知:在引水隧洞實施及運行階段無安全隱患,整體受控。

8 結 語

此次設計方案優化結合工程項目的實際交地情況,從工期和成本的角度出發,在保證圍巖穩定和施工安全的前提下對引水隧洞的襯砌鋼筋進行了優化,增大了鋼筋間距,節約了鋼筋用量,優化后的施工方案其施工工藝得到了簡化,節省了隧洞鋼筋制安的時間,減少了施工工期,創造出較大的經濟效益。