固滴水电站引水隧洞Ⅳ类围岩衬砌配筋设计优化

杨 乐

(四川凉山水洛河电力开发有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

固滴水电站系水洛河干流(额斯～捷可)水电规划“一库十一级”中的第六座梯级电站，上游接钻根水电站，下游接新藏水电站。电站水库正常蓄水位高程2 311 m，总库容104万m3，电站装机容量为138 MW。采用引水式开发，枢纽工程由混凝土闸坝、右岸引水隧洞及地下发电厂房组成。该工程规模为三等、中型，主要水工建筑物之挡泄水建筑物、引水发电系统等为3级建筑物，次要建筑物为4级建筑物。

引水隧洞长10 852 m，布置于水洛河右岸山体中，沿线为由玄武岩、砂板岩等形成的中高山区，轴线地表高程2 400～2 895 m，埋深100～400 m，洞段长7 660 m，约占全洞总长度的72%；其中埋深大于400 m洞段的长度为2 960 m，约占全洞总长度的28%，引水隧洞沿线承受的内水压力为0.13～0.77 MPa。

2 原设计方案中的结构设计

根据设计蓝图，引水隧洞Ⅳ类围岩衬砌洞段均采用双层钢筋衬砌，钢筋及混凝土工程量均较大。Ⅳ类围岩洞段平均单位延米钢筋量为2.08 t/m，平均含筋率为173.1 kg/m3。该配筋量相较类似工程偏大。因此，引水隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段的衬砌配筋具有较大的优化空间。

从节约投资、缩短工期、施工方便以及所具有的类似长引水电站工程经验等方面综合考虑，通过精细化设计，对固滴水电站引水隧洞Ⅳ类围岩洞段结构支护设计可进行适当的优化调整。在目前电力市场形势下，优化设计和降低工程投资可提高电站的市场竞争力。

3 衬砌结构设计优化的思路

(1)参照宝兴河小关子、九龙河溪古、水洛河新藏等类似工程经验，其引水隧洞Ⅳ类围岩洞段均采用单层钢筋。固滴水电站引水隧洞断面直径、设计水头、PD值在同类水电站中均相对较小，因此，固滴水电站引水隧洞Ⅳ类围岩洞段采用单层钢筋是可行的。

(2)固滴水电站引水隧洞全长10 852 m，现按三个标段进行分段结构设计，其中引水一标、二标段分段长度较长，隧洞分段结构设计段段数少，设计精细化不够，若引水一标、二标段的引水隧洞分段结构设计段数按设计水头分为三段，将分段长度控制在1.5～2 km，可以提高结构设计的合理性。

(3)该引水隧洞Ⅳ类围岩洞段开挖后均进行了系统的初期支护，后期还将进行系统的固结灌浆，因此，根据规范要求及类似工程经验，在结构计算时，物理力学参数可取上限值进行计算。

4 设计优化方案的计算

4.1 基本参数

4.1.1 隧洞围岩物理力学参数

隧洞围岩物理力学参数见表1。

4.1.2 分段计算水头

分段计算水头情况见表2。

本次计算Ⅳ类围岩喷混凝土厚度为10 cm，衬砌混凝土厚度为50 cm。有限元计算采用围岩参数中的中值和高值；静力学计算采用低、中、高三组参数计算。

表1 隧洞围岩物理力学参数建议值表

表2 分段计算水头表

注：以顶拱半径计算PD值。

4.2 配筋计算方法

有限元计算应力配筋方法基于隧洞结构并采用围岩整体三维有限元法进行计算。

静力计算按照《水工混凝土结构设计规范》的要求进行配筋计算。

4.3 有限元计算

4.3.1 计算模型

有限元计算选取引水隧洞结构和较大范围围岩体作为整体研究对象，其中计算模型从隧洞中心铅直向向下取30 m，向上取30 m；沿隧洞中心向左右两侧取围岩厚度约50 m。有限元计算坐标系选定为：X轴～在水平面上与引水隧洞轴线方向垂直；Y轴～在水平面上沿引水隧洞轴线方向；Z轴～与X和Y轴垂直，且Z=X×Y，铅直向上。

有限元计算将整个引水隧洞分为14个典型段进行，包括Ⅳ类围岩7个断面(仅内水压力不同)和Ⅴ类围岩7个断面(仅内水压力不同)，共计14个典型断面。有限元计算网格见图1。

4.3.2 有限元计算参数

图1 有限元计算网格图

有限元计算采用的材料力学参数见表3。

表3 有限元计算参数表

衬砌结构采用C25钢筋混凝土，弹模取28 GPa，泊松比取0.167，容重取2 400 kg/m3。

4.3.3 有限元计算结果云图及特征应力点

由于该工程隧洞型式为马蹄形，在结果输出时会利用三个坐标系输出，其中底板以整体笛卡尔坐标系输出，上侧拱及下侧拱以不同的柱坐标系输出。为查看整体应力效果，以整体系统显示衬砌结构大主应力图(以Ⅳ类围岩77 m水头工况计算为例)(图2与表4)。

Ⅳ类围岩77 m水头衬砌结构大主应力 Ⅳ类围岩77 m水头衬砌底板特征应力

Ⅳ类围岩77 m水头衬砌上侧拱特征应力 Ⅳ类围岩77 m水头衬砌下侧拱特征应力图2 衬砌结构大主应力示意图

表4 有限元计算配筋结果表

4.3.4 裂缝值的判断

衬砌裂缝宽度按照《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)中的附录公式进行计算，Ⅳ类围岩取中值时衬砌的最大裂缝宽度为0.287 mm，发生在下侧拱与底板连接处，最大裂缝的宽度小于裂缝宽度允许值0.3 mm，满足规范要求；Ⅳ类围岩取高值时衬砌的最大裂缝宽度为0.293 mm，发生在下侧拱与底板连接处，最大裂缝的宽度小于裂缝的宽度允许值0.3 mm，满足规范要求。

4.4 静力学结构计算

4.4.1 计算模型

选取Ⅳ类围岩1个断面、Ⅴ类围岩1个断面，每种围岩计算7种不同的内水压力，同时考虑低、中、高三种围岩参数，即每种围岩各21种组合。由于Ⅳ类围岩隧洞混凝土厚度为60 cm，但有10 cm厚为喷混凝土，因此，在进行静力学结构计算时，只计算50 cm的衬砌厚度(图3)。

图3 围岩隧洞段静力学模型示意图

4.4.2 静力学结构计算参数

静力学结构计算时采用的材料力学参数见表5。

表5 静力学计算采用的材料力学参数表

衬砌结构采用C25钢筋混凝土，弹模取28 GPa，容重取2 400 kg/m3。

4.4.3 静力学结构计算结果

静力学结构计算结果见表6。

表6 Ⅳ类围岩静力学结构计算成果表

4.5 计算成果

4.5.1 两种方法对比情况

两种计算方法对比结果表明(表7)：静力计算方法较有限元方法在侧拱与底板相交处出现了更为明显的应力集中，在衬砌结构内侧形成了较大的拉应力区；有限元方法计算所得到的衬砌结构应力相对较均匀，因此，在基于静力学结构计算结果进行衬砌结构配筋时，在侧拱内侧下部及底板内侧需要局部添加钢筋，以使配筋结果满足要求而导致配筋量进一步增大。

表7 Ⅳ类围岩静力学结构计算与有限元计算成果比较表

4.5.2 建议配筋

Ⅳ类围岩隧洞布置的单层钢筋情况见表8。

5 设计方案对比分析

设计方案对比分析情况见表9。

表8 Ⅳ类围岩建议配筋表

表9 设计方案对比分析情况表

通过设计优化，在保证安全质量的前提下，按照目前围岩开挖情况，可以将Ⅳ类围岩衬砌配筋由原来的双层优化为单层并降低配筋强度。通过计算分析得知，固滴水电站可以优化6 824.78 t钢筋，降低投资(概算口径)约6 161万元，优化幅度为65.12%，节约了投资并有利于现场施工。

6 结 语

固滴水电站为典型的长引水式电站，水工隧洞的投资和工期是控制整个工程投资和工期的重要因素之一。因此，对水工隧洞衬砌结构设计进行分析计算研究是必要的，可以产生一定的经济效益和社会效益。

固滴水电站引水隧洞长10 852.32 m。根据实际开挖情况，Ⅳ类围岩洞段约占全洞总长的55%，在保证质量安全的前提下，开展隧洞衬砌配筋优化十分必要。根据有限元计算和静力学结构计算，将引水隧洞Ⅳ类围岩衬砌优化为单层配筋，节约了钢筋制安工程量约6 824.78 t，有效地控制了工程投资。

固滴水电站引水隧洞Ⅳ类围岩衬砌配筋设计优化工作的开展，对今后类似工程的设计优化及投资控制具有一定的借鉴作用。