玉瓦水電站引水隧洞襯砌結構計算優化設計

祖 威

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

玉瓦水電站是白水江干流水電開發“一庫七級”方案中的第2級電站,上游為梯級龍頭電站—多諾水電站,下游為陵江水電站,開發任務為單一發電功能的引水式電站。電站已于2017年4月并網發電,電站設計引用流量為41.0 m3/s,額定水頭135 m,裝機容量49 MW。根據《防洪標準》GB 50201-2014和《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》DL 5180-2003規范規定,玉瓦水電站工程規模為小(1)型,工程等別為Ⅳ等,引水隧洞為4級建筑物。

引水隧洞布置于黑河右岸,從進水口至調壓室全長14.289 km,進水口底板高程2 007.50 m,至調壓室處引水隧洞底板高程降為1 965.00 m,根據繞納溝地形、地質條件,在繞納溝段設置管橋段,管橋段底板高程1 991.85 m。

引水隧洞區地層巖性主要為薄層狀灰巖夾砂巖、板巖、千枚巖,以中硬巖為主,基本具備成洞條件。隧洞垂直埋深一般300～400 m,最大達1 000 m。技施階段開挖后圍巖揭示比例為:Ⅲ類圍巖77.5%,Ⅳ類圍巖21.1%,V類圍巖1.4%。

根據現場地形地質條件,引水隧洞襯砌支護形式分為三種,Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨支護,Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段采用混凝土襯砌,管橋段采用鋼板襯砌。引水隧洞開挖斷面和過水斷面均采用城門洞型開挖斷面,過水斷面為4.0 m×4.8 m(寬×高),相應流速2.35 m/s。引水隧洞III類圍巖邊頂拱采用噴錨支護,底板素混凝土作為永久襯砌,底板混凝土厚20 cm,IV、V類過水斷面圍巖采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度分別為30 cm和40 cm。

引水隧洞沿線承受內水水頭為0.11～0.69 MPa,為精細化設計,在襯砌結構計算時,內水壓力水頭分別選取20、30、42、50、60、70 m共6段進行計算分析。

1 引水隧洞襯砌結構計算方法

隧洞襯砌的結構計算,是確定襯砌斷面尺寸的重要依據之一[1]。隧洞襯砌是沿隧洞開挖斷面四周形成的人工護壁建筑物,與一般地面建筑物不同,隧洞襯砌與圍巖緊貼,相互約束作用,襯砌結構計算多屬非線性力學問題。襯砌的計算應與圍巖類別相適應,不同的類別,應當采用不同的計算理論。幾十年來,國內外學者對隧洞襯砌進行了各種理論方法研究,中國也建成了大量的混凝土、鋼筋混凝土襯砌結構的水工隧洞,其襯砌結構的應力計算方法各有不同[2]。

對于圍巖相對均質,且巖體覆蓋厚度滿足要求的有壓圓形隧洞,計算方法采用厚壁圓筒理論。對于其他斷面形式(有壓、無壓)的隧洞(如城門洞型、馬蹄形等)襯砌結構計算,采用邊值數值解法。對于直徑(寬度)不小于10 m的1級隧洞和高壓隧洞,宜采用有限元法計算[3]。

隨著現代數值計算技術的高速發展,有限元計算軟件的普及開發,多數設計單位設計人員開始采用有限元法對襯砌結構進行計算,將圍巖與襯砌一起進行計算,模擬復雜的地質條件,得出較為符合實際的分析結果[4]。

根據技施階段玉瓦水電站引水隧洞實際情況和計算要求,此文采用結構力學法和有限單元法,對引水隧洞襯砌結構Ⅳ類圍巖選取70 m水頭各工況計算成果進行分析,得出兩種計算方法的襯砌配筋計算結果對比,對襯砌結構配筋進行了設計優化。

2 基于結構力學方法的隧洞襯砌結構計算

根據《水工隧洞設計規范》DL/T 5195-2004的規定,對于城門洞形有壓隧洞,宜采用邊值數值解法進行內力求解?！端に矶匆r砌計算軟件》是《水工隧洞設計規范》的一個輔助計算工具,屬于工具型軟件。軟件主要用于水電水利工程的水工隧洞鋼筋混凝土襯砌的結構設計工作。此文僅選取控制工況正常運行工況進行對比分析。

2.1 計算參數

建筑物環境類別為二類,正常使用極限狀態下,最大裂縫寬度允許值為0.25 mm。襯砌結構采用C20混凝土,鋼筋采用HRB400型熱軋鋼筋[5]。引水隧洞襯砌結構計算簡圖見圖1,主要材料物理力學參數設計值見表1。

表1 主要材料物理力學參數設計值

圖1 引水隧洞襯砌結構計算簡圖

2.2 計算結果

計算軟件計算正常運行工況,襯砌結構正截面計算配筋結果見表2。

表2 襯砌結構正截面計算配筋結果

由配筋計算表可知,隧洞Ⅳ類圍巖襯砌結構需要配置內外層鋼筋。內層鋼筋配筋計算面積為3 468 mm2,外層鋼筋的配筋計算面積為1 849 mm2,計算最大裂縫寬度為0.231 mm,位于底板內側。

3 基于有限元計算的隧洞襯砌結構計算

3.1 計算模型

引水隧洞襯砌結構有限元計算軟件采用Ansys軟件,根據《水工混凝土結構設計規范》DL/T 5057-2009附錄D規定的應力圖形法進行配筋計算。

計算假定為:圍巖四周均按平面應變問題處理;圍巖左右表面受水平向X方向約束,上下表面受豎直方向Y方向約束。圍巖、混凝土結構近似假定為各向同性、均勻連續的彈性體;混凝土襯砌假定為不透水體,內、外水壓力等荷載均作用在相關面上。

玉瓦水電站引水隧洞IV、V類圍巖段支護設計時,提出了永久襯砌與臨時支護相結合的設計理念。將一期臨時支護作為永久支護的一部分,一期支護在運行期與二期襯砌部分共同承擔內水或外水壓力作用[6]。

由于引水隧洞初期支護實施的時效性較好,因此在模型中,對引水隧洞襯砌外的初期支護噴混凝土厚度10 cm,專門劃分網格并附噴混凝土材料屬性。根據隧洞IV類圍巖斷面簡圖,對圍巖、噴混凝土、混凝土襯砌進行了模擬。引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌部分網格劃分見圖2。

圖2 引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌部分網格劃分

3.2 計算結果

由計算云圖成果可知:運行工況下,在橫水流方向,襯砌絕大部分的拉應力較小,在邊墻與底板相接處,局部拉應力較大,最大拉應力為0.473 MPa;在豎直方向,襯砌絕大部分拉應力較小,最大拉應力出現在頂拱與邊墻相接處,約為2.65 MPa。頂拱主要受壓應力作用,拉應力最大值為0.21 MPa,出現在頂拱與邊墻交接部位附近內側。襯砌在內水壓力作用下,基本成內側受拉,外側受壓,或外側拉應力較小(小于混凝土抗拉強度)。Ⅳ類圍巖襯砌結構應力峰值見表3;70 m計算水頭Ⅳ類圍巖運行工況襯砌豎向正應力 (整體分布+局部分布)見圖3。

表3 Ⅳ類圍巖襯砌結構應力峰值 /MPa

(a) 豎向正應力整體分布 (b)豎向正應力局部分布

4 隧洞襯砌結構計算對比分析

《水工隧洞襯砌計算軟件》是隧洞結構設計時常用的計算程序,已應用于多個工程實踐。但隧洞程序計算配筋時,在內、外荷載組合及簡化上與有限元方法差異較大。因此兩種計算方法的配筋結果相差也較大。根據前述的計算結果,有限元法與隧洞程序配筋對比表見表4。

表4 有限元法與隧洞程序計算配筋對比表

從表4可以看出,隧洞襯砌計算程序計算配筋結果較有限元計算配筋結果偏大,需配置雙層鋼筋,而有限元計算配筋結果相對較小,單層配筋即可滿足設計規范要求。

根據有限元應力圖形配筋計算結果,以及與隧洞程序配筋對比結果,結合現場施工情況,并類比其他工程的實際配筋成果,玉瓦水電站引水隧洞Ⅳ類圍巖實際配筋參數為受力筋:6C25=2 945 mm2;架立筋:5C16,1 005 mm2。根據《水工隧洞設計規范》驗算的裂縫寬度最大值為0.13 mm,滿足設計規范要求。

5 結 語

此文以玉瓦水電站引水隧洞IV類圍巖襯砌結構計算為例,采用結構力學方法和有限元方法進行計算后對比分析,從而得出配筋計算成果,為結構設計提供依據。

(1)采用永臨結合理念,對引水隧洞襯砌結構計算進行精細化設計,根據實際開挖揭示地質情況,經綜合比較,技施階段引水隧洞鋼筋工程量較招標深化設計階段工程量相比,優化了約940 t鋼筋,引水隧洞的整體投資得到很好地控制,為總承包項目完成“雙控目標”打下堅實基礎。在輸水系統充水試驗和放空檢查過程中,引水隧洞工作狀態正常。

(2)有限元法在襯砌結構計算中的應用,現在還只是作為一種輔助手段,最終配筋結果與有限元計算結果之間還是存在一定的差距。隨著數值計算理論的發展和對隧洞圍巖襯砌結構的認識,有限元法的應用會越來越廣,越來越得到重視。

(3)對于線彈性模型,未對襯砌結構模擬鋼筋和混凝土開裂,配筋計算結果仍相對偏大。