玉瓦水電站引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算優(yōu)化設(shè)計

祖 威

(中國電建集團成都勘測設(shè)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(fā)“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(fā)任務(wù)為單一發(fā)電功能的引水式電站。電站已于2017年4月并網(wǎng)發(fā)電,電站設(shè)計引用流量為41.0 m3/s,額定水頭135 m,裝機容量49 MW。根據(jù)《防洪標準》GB 50201-2014和《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》DL 5180-2003規(guī)范規(guī)定,玉瓦水電站工程規(guī)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(diào)壓室全長14.289 km,進水口底板高程2 007.50 m,至調(diào)壓室處引水隧洞底板高程降為1 965.00 m,根據(jù)繞納溝地形、地質(zhì)條件,在繞納溝段設(shè)置管橋段,管橋段底板高程1 991.85 m。

引水隧洞區(qū)地層巖性主要為薄層狀灰?guī)r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(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)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(yīng)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(nèi)水水頭為0.11～0.69 MPa,為精細化設(shè)計,在襯砌結(jié)構(gòu)計算時,內(nèi)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(jié)構(gòu)計算方法

隧洞襯砌的結(jié)構(gòu)計算,是確定襯砌斷面尺寸的重要依據(jù)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(jié)構(gòu)計算多屬非線性力學問題。襯砌的計算應(yīng)與圍巖類別相適應(yīng),不同的類別,應(yīng)當采用不同的計算理論。幾十年來,國內(nèi)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(jié)構(gòu)的水工隧洞,其襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算方法各有不同[2]。

對于圍巖相對均質(zhì),且?guī)r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(jié)構(gòu)計算,采用邊值數(shù)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(xiàn)代數(shù)值計算技術(shù)的高速發(fā)展,有限元計算軟件的普及開發(fā),多數(shù)設(shè)計單位設(shè)計人員開始采用有限元法對襯砌結(jié)構(gòu)進行計算,將圍巖與襯砌一起進行計算,模擬復(fù)雜的地質(zhì)條件,得出較為符合實際的分析結(jié)果[4]。

根據(jù)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(jié)構(gòu)力學法和有限單元法,對引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)果對比,對襯砌結(jié)構(gòu)配筋進行了設(shè)計優(yōu)化。

2 基于結(jié)構(gòu)力學方法的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》DL/T 5195-2004的規(guī)定,對于城門洞形有壓隧洞,宜采用邊值數(shù)值解法進行內(nèi)力求解。《水工隧洞襯砌計算軟件》是《水工隧洞設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)

建筑物環(huán)境類別為二類,正常使用極限狀態(tài)下,最大裂縫寬度允許值為0.25 mm。襯砌結(jié)構(gòu)采用C20混凝土,鋼筋采用HRB400型熱軋鋼筋[5]。引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算簡圖見圖1,主要材料物理力學參數(shù)設(shè)計值見表1。

表1 主要材料物理力學參數(shù)設(shè)計值

圖1 引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算簡圖

2.2 計算結(jié)果

計算軟件計算正常運行工況,襯砌結(jié)構(gòu)正截面計算配筋結(jié)果見表2。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)正截面計算配筋結(jié)果

由配筋計算表可知,隧洞Ⅳ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)需要配置內(nèi)外層鋼筋。內(nèi)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(nèi)側(cè)。

3 基于有限元計算的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算

3.1 計算模型

引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)有限元計算軟件采用Ansys軟件,根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》DL/T 5057-2009附錄D規(guī)定的應(yīng)力圖形法進行配筋計算。

計算假定為:圍巖四周均按平面應(yīng)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(jié)構(gòu)近似假定為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體;混凝土襯砌假定為不透水體,內(nèi)、外水壓力等荷載均作用在相關(guān)面上。

玉瓦水電站引水隧洞IV、V類圍巖段支護設(shè)計時,提出了永久襯砌與臨時支護相結(jié)合的設(shè)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(nèi)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(wǎng)格并附噴混凝土材料屬性。根據(jù)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(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 引水隧洞Ⅳ類圍巖襯砌部分網(wǎng)格劃分

3.2 計算結(jié)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(yīng)力較小,在邊墻與底板相接處,局部拉應(yīng)力較大,最大拉應(yīng)力為0.473 MPa;在豎直方向,襯砌絕大部分拉應(yīng)力較小,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂拱與邊墻相接處,約為2.65 MPa。頂拱主要受壓應(yīng)力作用,拉應(yīng)力最大值為0.21 MPa,出現(xiàn)在頂拱與邊墻交接部位附近內(nèi)側(cè)。襯砌在內(nèi)水壓力作用下,基本成內(nèi)側(cè)受拉,外側(cè)受壓,或外側(cè)拉應(yīng)力較小(小于混凝土抗拉強度)。Ⅳ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)力 (整體分布+局部分布)見圖3。

表3 Ⅳ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值 /MPa

(a) 豎向正應(yīng)力整體分布 (b)豎向正應(yīng)力局部分布

4 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算對比分析

《水工隧洞襯砌計算軟件》是隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計時常用的計算程序,已應(yīng)用于多個工程實踐。但隧洞程序計算配筋時,在內(nèi)、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(jié)果相差也較大。根據(jù)前述的計算結(jié)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(jié)果較有限元計算配筋結(jié)果偏大,需配置雙層鋼筋,而有限元計算配筋結(jié)果相對較小,單層配筋即可滿足設(shè)計規(guī)范要求。

根據(jù)有限元應(yīng)力圖形配筋計算結(jié)果,以及與隧洞程序配筋對比結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)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(shù)為受力筋:6C25=2 945 mm2;架立筋:5C16,1 005 mm2。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》驗算的裂縫寬度最大值為0.13 mm,滿足設(shè)計規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

此文以玉瓦水電站引水隧洞IV類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)計算為例,采用結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

(1)采用永臨結(jié)合理念,對引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算進行精細化設(shè)計,根據(jù)實際開挖揭示地質(zhì)情況,經(jīng)綜合比較,技施階段引水隧洞鋼筋工程量較招標深化設(shè)計階段工程量相比,優(yōu)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(chǔ)。在輸水系統(tǒng)充水試驗和放空檢查過程中,引水隧洞工作狀態(tài)正常。

(2)有限元法在襯砌結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用,現(xiàn)在還只是作為一種輔助手段,最終配筋結(jié)果與有限元計算結(jié)果之間還是存在一定的差距。隨著數(shù)值計算理論的發(fā)展和對隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)的認識,有限元法的應(yīng)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(jié)構(gòu)模擬鋼筋和混凝土開裂,配筋計算結(jié)果仍相對偏大。