浅析水击压力对浩口水电站引水隧洞结构衬砌计算的影响

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(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆，401120)

1 工程概况

浩口水电站工程位于重庆市武隆县南部，重庆市彭水县和贵州省道真县交界处，是一座以发电为主的中型水电枢纽工程。本电站在系统中汛期担负峰荷，枯水期进行日调节运行，电站总装机135MW，水库正常高水位352.00m，总库容8962万m3。坝址位于乌江南岸芙蓉江下游武隆县浩口乡浩口村附近的河段上，控制集水面积7400km2。枢纽工程距下游江口电站约23km，距武隆县城32km。浩口水电站工程等别为Ⅲ等中型工程，其永久性水工主要建筑物(大坝、引水系统、厂房)级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。浩口水电站枢纽主要由重力坝、坝顶溢洪道、引水发电系统、岸边厂房等建筑物组成。引水系统由进水口和引水隧洞组成，引水隧洞位于左岸河道山体内，由两条平行的有压隧洞组成，洞轴线间距20.0m，隧洞断面为圆形，内径7.5m。

2 地质情况

引水隧洞自进口沿线穿越地层依次为三叠系下统茅口组第三段(P1m3)和第二段(P1m2)中厚-厚层状灰岩、茅口组第一段(P1m1)薄-中厚层状眼球状灰岩、栖霞组第三段(P1q3)有机质灰岩、泥质生物碎屑灰岩和栖霞组第二段(P1q2)中厚层状含燧石结核有机质灰岩、栖霞组第一段(P1q1)灰色中厚-厚层状灰岩、有机质灰岩以及梁山组(P1l)铝土岩和志留系中统韩家店组(S2h)泥岩、页岩。

P1m3、P1m2、P1q3、P1q1地层岩石为中硬岩，P1m1地层为较软岩，P1l和S2h地层为软岩。隧洞埋深一般80m～150m，最大埋深约225m；围岩属弱～微新岩体，弹抗系数取值：Ⅱ类围岩5900MN/m2、Ⅲ类围岩2900MN/m2、Ⅳ类围岩1000MN/m2。

3 引水隧洞结构布置

1#、2#引水隧洞平行布置，洞轴线间距20.0m，均由上平段、落管段、下平段三部分组成。1#引水隧洞长298.85m，上平段长216.20m，隧洞中心线高程336.25m；落管段长59.52m；下平段长23.13m，隧洞中心线高程297.05m。2#引水隧洞长328.37m，上平段长210.36m，隧洞中心线高程336.25m；落管段长59.34m；下平段长58.67m，隧洞中心线高程297.05m。

引水隧洞为圆形断面，内径7.5m，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.5m。

4 隧洞计算控制标准

引水隧洞建筑物级别为3级，隧洞安全级别为Ⅱ级，结构重要性系数1.0，裂缝宽度在长期组合情况下小于0.25mm，分为以下三种荷载组合进行计算：

(1)运行期：内水压力+外水压力+围岩压力+衬砌自重；

(2)检修期：外水压力+围岩压力+衬砌自重；

(3)施工期：灌浆压力+外水压力+围岩压力+衬砌自重。

本次水工隧洞计算主要验证内水压力取值对计算成果的影响，内水压力除设计洪水位情况下的静水压力外，是否考虑水击压力两种情况进行比较。

5 计算断面选取

根据引水隧洞开挖后的实际情况，选取水头较大、地质情况较典型的断面进行有无水击压力情况下隧洞的结构计算比较。经分析最终将2#隧洞桩号2K0+280.0作为典型断面。该断面地层岩性主要为二叠系下统栖霞组第一段(P1q1)灰色厚层状灰岩，属中硬岩，局部夹页岩，节理裂隙不发育，岩体完整；洞壁多干燥，局部湿润。属Ⅲ类围岩，弹性抗力取值2900MN/m2。

6 水击压力

水工隧洞运行过程中，水流流速发生急剧变化将引起大幅度波动，而产生巨大压力形成水击压力，比如发电机组直线启闭。经过调保计算，确定最大内水压力(含水机压力)出现在2#引水隧洞，典型计算断面位于最大内水压力处，总压力水头74.74m。计算中导叶关闭规律和2#机组甩负荷大波动过渡过程曲线见下图。

图1 导叶关闭规律

1 导页关闭时间 2 机组转速 3 蜗壳压力 4 尾水管压力 5 机组功率

7 计算方法

7.1 结构计算

隧洞断面较大，且两条隧洞间距较小，隧洞结构采用有限元法进行计算，围岩压力采用系数法计算，荷载计算模型如下：

图3 隧洞荷载计算模型

在内水压力作用下，钢筋面积按下式计算：

式中：P——均匀内水压力(衬砌内缘顶部的内水压力值)，在承载能力极限状态为设计值，在正常使用极限状态为标准值，kPa；

γ0——结构重要性系数，按结构安全级别采用，本工程取1.0；

γd——结构系数；

Ko——围岩单位弹性抗力系数，kN/m3(kPa/m)；

[σs]——钢筋的允许应力设计值，kPa；

Ec——混凝土弹性模量，kPa。

7.2 正截面裂缝宽度验算

考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度，按下列公式计算：

式中：wmax——最大裂缝宽度，mm；

lf——平均裂缝间距，mm；

ψ——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；当ψ<0.3时，取ψ=0.3；

α1、α2——计算系数；

d——受拉钢筋直径，mm；

μ——受拉钢筋配筋率；

ν——与受拉钢筋表面形状有关的系数：对螺纹钢筋，取v=0.7。

8 计算结果

本次计算分为两种工况，除内水压力不同外，其余所有参数相同，两种工况内水压力情况如下：

工况一：内水压力不考虑水击压力，内水计算水头60.80m；

表1运行期持久状况承载能力极限状态内力比较

工况一工况二轴力(kN)弯矩(kN·m)轴力(kN)弯矩(kN·m)相差比例(%)1285.417.071564.618.9921.721307.947.681590.489.8321.601210.526.151517.468.9025.361233.167.561523.819.7223.571179.656.91470.348.8224.64

表2运行期持久状况正常使用极限状态内力比较

工况一工况二轴力(kN)弯矩(kN·m)轴力(kN)弯矩(kN·m)相差比例(%)1219.26.711485.678.5221.861242.517.321512.199.3721.701146.925.791440.858.4425.631171.47.211448.819.2623.681118.656.551396.058.3724.80

工况二：内水压力考虑水击压力，内水计算水头74.74m。

工况一根据计算内力配筋，其抗裂度不满足要求，故工况一配筋受裂缝宽度控制。配筋成果见表3、表4。

表3 工况一按内力配筋计算成果

表4 工况一按裂缝宽度配筋计算成果

工况二根据计算内力配筋，其抗裂度不满足要求，故工况二配筋受裂缝宽度控制。配筋成果见下表5、表6。

表6 工况二按裂缝宽度配筋计算成果

根据计算成果，在考虑水击压力的情况下，内层布置HRB400直径32mm钢筋，间距150mm，外层布置HRB400直径25mm钢筋，间距150mm，基本满足控制裂缝宽度0.25mm。为更好控制裂缝宽度，衬砌断面内层采用HRB400直径25mm与HRB400直径20mm焊接的钢筋束，间距150mm，外层采用HRB400直径25mm钢筋，间距150mm。

9 结语

对于本工程引水隧洞，根据两种内水压力形成的两种工况计算对比，工况二(考虑水击压力)比工况一(不考虑水击压力)内力增加约21%～25%。为保证压力隧洞结构的安全性和耐久性，在结构计算中须充分考虑水击压力的影响。