洞松水电站引水隧洞结构型式优化设计

张 吉 李 楠

(四川省水利水电勘测设计研究院 成都 610072)

1 工程概况

洞松水电站位于四川省甘孜州乡城县境内，为硕曲河乡城段水电梯级规划“一库五级”开发方案中的第四级电站，总装机容量为180MW，电站采用引水式发电。引水隧洞布置在硕曲河右岸，为有压洞，引水线路全长17862.31m，其中引水暗涵长39m，引水隧洞长17823.31m，平面上设置8个转弯点，转弯半径为50m，底板纵坡i=0.365%。

2 引水隧洞工程地质条件

围岩分类综合考虑到岩石强度、结构、岩体完整程度、结构面特征及其与洞轴线的组合关系、地下水影响和地应力等因素，采用《中小型水利水电工程地质勘察规范》中围岩工程地质分类标准，结合《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287—99)对洞身围岩进行详细分类［1］［2］。根据引水隧洞的岩性和结构面组合特征，围岩分类原则如下:中厚层状新鲜变质砂岩、砂质板岩和灰岩为Ⅲ类;薄层状结构的岩体及弱风化中厚层状岩体为Ⅳ1类;极薄层状及碎裂相嵌结构岩体为Ⅳ2类;散体结构岩体为Ⅴ类。围岩类别统计见表1。

表1 围岩类别统计

3 可研阶段引水隧洞结构设计

引水隧洞沿线承受的内水压力为0.25～1.15MPa，考虑到隧洞围岩受乡城断裂(F50)和索让断裂(F48)两断层的影响，完整性较差，大部分洞线与岩层走向交角较小，自身稳定性较差，围岩类别较低，以Ⅳ1、Ⅳ2类为主，次为Ⅴ类、少量Ⅲ类，其中Ⅳ、Ⅴ类围岩占95.89%，硕曲河右岸岸坡未见地下水出露，隧洞长期运行时内水外渗后将改变原来的水文地质条件，可能引起岸坡垮塌等次生地质灾害，故隧洞采用全断面钢筋混凝土衬砌。

3.1 洞形比选

按照水头损失相等的原则，拟定圆形与平底马蹄形两种过流断面进行比选。

3.1.1 圆形

圆形断面直径为6.6m。Ⅲ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度40cm，Ⅳ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度60cm，Ⅴ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度80cm。为方便施工，隧洞开挖断面采用平底马蹄形，衬砌时超挖的底板边侧脚部分采用C25混凝土进行回填。

3.1.2 平底马蹄形

平底马蹄形断面底宽4.5m，高6.363m。Ⅲ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度40cm，Ⅳ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度60cm，Ⅴ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度80cm。

3.1.3 洞形选择

采用圆形断面较平底马蹄形断面从主体建筑工程投资上节省1732万元，但为方便施工，考虑隧洞断面为平底马蹄形，断面底宽4.5m，高6.363m。

3.2 结构设计

引水隧洞采用C25钢筋混凝土衬砌，结构计算采用《水工隧洞设计规范》(SL 279—2002)建议的边值法计算［3］，同时按限裂设计，其裂缝宽度要求小于0.25mm。

经计算，衬砌结构受运行情况控制。Ⅲ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度40cm，Ⅳ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度60cm，Ⅴ类围岩钢筋混凝土衬砌厚度80cm。同时对Ⅳ、Ⅴ类围岩全断面进行固结灌浆，每排8孔，排距3m，孔深6m。隧洞沿线洞顶120°范围内进行回填灌浆。

4 引水隧洞结构优化设计

4.1 结构型式拟定

原结构设计中，马蹄形断面配筋较大，钢筋间距较密，施工期混凝土浇筑质量保证上有较大困难，运行期结构应力状态较差。根据已有的工程经验，有压隧洞采用圆形断面，配筋较马蹄形断面相对减小，钢筋间距相对增大。为此，对平底马蹄形与圆形断面在相同结构厚度的前提下进行结构计算，经过技术经济比较，采用平底马蹄形与内径6.28m的圆形断面进行技术经济比选。

4.2 结构计算及分析

4.2.1 荷载组合

作用于隧洞衬砌的荷载及其组合如下:

a.运行情况:均匀内水压力+无压满水重+衬砌自重

b.施工情况:衬砌自重+围岩压力+灌浆压力

c.检修情况:外水压力+衬砌自重

4.2.2 计算参数的选取

a.内水压力

选正常水位确定的内水压力与三台机组同时丢弃负荷时形成的水击压力两者的最大值。

b.山岩压力

运行及检修期考虑经前期临时支护后，围岩变形趋于稳定，按不计围岩压力考虑;

施工期薄层状及破裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力按下列公式计算:

垂直方向:qv=(0.2～0.3)γrE

水平方向:qh=(0.2～0.3)γrH

式中

qv——垂直均布围岩压力，kN/m2;

qh——水平均布围岩压力，kN/m2;

γr——岩体重量，kN/m3;

B——隧洞开挖宽度，m;

H——隧洞开挖高度，m。

c.外水压力

按照下式进行估算:pe=βeγwHe

式中 pe——作用在衬砌结构外表面的地下水压力，

kN/m2;

βe——外水压力折减系数;

γw——水的重量，kN/m3;

He——地下水位线至隧洞中心的作用水头，m。

d.围岩物理力学参数指标

围岩物理力学参数指标取值见表2。

表2 围岩物理力学参数指标取值

4.2.3 结构计算

引水隧洞结构采用C25钢筋混凝土衬砌，按限裂设计，其裂缝宽度小于0.25mm，

计算方案:内水压力选取水库正常水位确定的内水压力与三台机组同时丢弃负荷时形成的水击压力两者的最大值，不考虑山岩压力，分别对马蹄形断面、圆形断面采用边值法、有限元法进行配筋计算。

4.2.4 结果分析

计算结果对比见表3、表4。

表3 马蹄形断面边值法和有限元法配筋成果(内层钢筋)对比

表4 圆形断面边值法和有限元法配筋成果(内层钢筋)对比

续表

a.在隧洞后段，平底马蹄形边墙与底板交角处因应力较大需采用加强筋，同时每延米混凝土环向受力钢筋直径大、根数多、间距较密，造成混凝土浇筑时，施工难度大，保证施工质量困难。

b.边值法假定混凝土衬砌是一个完整的厚壁圆筒，筒壁可以承担拉应力。当混凝土衬砌承受的水头大于50～60m时，衬砌内、外侧应力，都大于混凝土拉应力的允许值;内、外侧应变，也都大于混凝土极限拉伸值;导致衬砌开裂。衬砌开裂以后，厚壁圆筒已经变成几个弧形“瓦片”，其结构与受力条件，当然不能称为“厚壁圆筒”，但边值法在配筋计算中，仍按混凝土衬砌未开裂，按“厚壁圆筒”计算出的成果去配筋，其结果必然是配筋量很大。

c.有限元法计算结果虽然较边值法更能切合实际，但没有模拟洞线与岩层走向交角的关系以及原始地应力等参数，与围岩实际地质条件有一定差别。通过与其他类似工程的对比分析，有限元法计算的边界条件和结果与实际情况较为相符，可作为设计依据，在进行钢筋混凝土衬砌配筋时，考虑到有限元法的不足，为确保工程安全，在其计算成果的基础上根据分段的内水压力大小需上浮一定的配筋量。

d.考虑到圆形断面在相同衬砌混凝土厚度的条件下，因整体受力条件较好，可以减少钢筋用量，投资较省，更能确保施工质量和运行期工程安全。通过进一步的设计工作，提出平底马蹄形优化成圆形断面的研究工作。

4.3 优化结果

引水隧洞优化前全段采用平底马蹄形与优化后前段(隧0+039～隧4+500)采用平底马蹄形、后段(隧4+500～隧17+862.31)采用圆形方案的工程量及投资估算比较见表5。

表5 工程量及投资估算比较

从上表可以看出，在未计入施工临时工程投资的条件下，优化后的主体工程可节约投资1762万元。

5 结论

a.引水隧洞(隧0+039～隧4+500)承受的内水压力小于50m，平底马蹄形衬砌混凝土钢筋配筋量本身就不大。洞形优化成直径为6.28m的圆形后，在衬砌混凝土厚度相同的条件下，钢筋配筋量虽还可以适当减小，但节约投资不明显。

b.引水隧洞(隧4+500～隧17+862.31)承受的内水压力超过50m。洞形优化成直径为6.28m的圆形后，在衬砌混凝土厚度相同的条件下，钢筋用量明显减少，节省工程投资明显。

c.引水隧洞采用圆形断面较马蹄形断面配筋相对减小，钢筋间距相对增大，更能保证施工期混凝土浇筑质量，运行期可更好地发挥衬砌结构与围岩联合承受内水压力作用，衬砌结构的应力状态比较均匀，工作条件较好，对地质条件适应性更强，更能保证工程运行安全，工程投资也相对较省。

［1］SL 55—2005中小型水利水电工程地质勘察规范［S］.

［2］GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］SL 279—2002水工隧洞设计规范［S］.