黄金坪水电站引水隧洞开挖支护及结构设计

宋 慧，秦永涛，牛智勇

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津市 300222）

0 引言

黄金坪水电站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站，上接长河坝梯级水电站，下游为泸定水电站。工程场址位于四川省甘孜藏族自治州康定县姑咱镇上游约3.2km河段，坝址上距丹巴县城约100km。

电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发，枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝，左岸岸边溢洪道和左岸泄洪（放空）洞，右岸坝后式小厂房和左岸混合式大厂房引水发电建筑物等组成。

水库正常蓄水位为1476.00m，水库库容1.28亿m3，最大坝高85.5m，水库具有日调节能力。电站总装机容量850MW，多年平均年发电量36.58亿～38.61亿kW·h，工程于2011年2月获国家核准开工建设，目前已投产发电。

1 引水隧洞的布置

大厂房引水建筑物布置于河道左岸，采用尾部式地下厂房布置方案。引水采用“一洞一室两机”及“单管单机”供水，尾水采用“两机一洞” 布置。引水发电建筑物由一个电站进水口、两条引水隧洞、两个上游调压室、四条压力管道、一个主厂房、一个主变压器室、两条尾水洞等组成。

引水隧洞共布置2条，洞长分别为2634.17m、2680.07m，单洞设计引用流量676.20m3/s，圆形断面，内径14.5m，洞内流速4.09m/s。隧洞进口底高程1446.00m，调压室处隧洞底高程1441.00m，纵坡分别为0.00193、0.00190。1号引水隧洞后接1号调压室，2号引水隧洞后接2号调压室。隧洞平面上轴线间距为43.6m。引水隧洞进口处最大内水水头为30m，隧洞末端最大内水水头47m，隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌。

2 引水隧洞地质条件

引水隧洞沿线山体雄厚，地形陡峻，为高程3000～4500m高山区。洞室围岩主要为斜长花岗岩（γ02（4）），局部石英闪长岩（δ02（3））。区内未发现区域性大断裂，仅发育次级小断层、岩脉接触破碎带及裂隙等Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级结构面。

隧洞进口段埋深较浅，岩体为弱风化强卸荷，裂隙发育，完整性较差，围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主；大部分洞段垂直、水平埋深较大，岩体微风化～新鲜，完整性相对较好，以Ⅲ类为主。

地下洞室围岩物理力学指标建议值见表1。

表1 地下洞室围岩物理力学性指标建议值表Table 1 Parameters of surrounding rockof underground cavern

3 引水隧洞开挖支护及结构设计

3.1 开挖支护设计

引水隧洞洞身结构尺寸较大，最大开挖断面直径达17.8m，圆形断面水力学条件及结构受力状态较优，因此隧洞的结构和开挖断面均采用圆形。

隧洞进口段、Ⅳ、Ⅴ类围岩及进调压室洞段为重点设计洞段。进口段采用φ32、L=9m间距1.0m的两排锁口锚杆锁口。Ⅳ、Ⅴ类围岩局部破碎洞段采用超前导管结合预灌浆加I20工字钢相结合的支撑方式，支护方式见图1。

图1 超前支护示意图Figure 1 Advance support schematic

为充分利用岩体自身强度确保自稳，开挖过程中特别强调支护的及时性。要求单个作业单元开挖完成后立即喷5cm混凝土进行封闭，及时进行锚杆、挂网、喷混凝土等支护作业的施工。

Ⅲ类围岩洞段支护参数：边顶拱240°范围采用系统挂网锚喷支护，钢筋网φ6.5@15cm×15cm，喷C25混凝土厚12cm，砂浆锚杆φ25、L=4.5m与φ28、L=6m梅花形交错布置，间排距1.5～2.0m。

Ⅳ、Ⅴ类围岩及锁口洞段支护参数：边顶拱270°范围采用系统挂网锚喷支护，钢筋网φ6.5@15 cm×15cm，喷C25混凝土厚15cm，砂浆锚杆φ28、L=6m与φ32、L=9m梅花形交错布置，间排距1.0～1.2m，局部不稳定块体锚杆加密或采用锚筋束3φ32、L=9m支护。典型断面支护图见图2。

图2 Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖支护典型断面示意图Figure 2 Excavation and support typical of Ⅳ，Ⅴsurrounding rock

3.2 衬砌结构设计

引水隧洞承受的内水压力随水库水位和调压室涌浪的变化而变化。水库正常蓄水位1476.00m，死水位1472.00m，调压室最高涌浪水位1488.14m，最低涌浪水位1462.96m。隧洞最大内水压力为0.47MPa；隧洞最小内水压力为0.3MPa，此时隧洞末端洞顶最小压力水头为12.37m，满足规范不小于2m的要求。

引水隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌，Ⅲ类围岩衬厚0.8m，Ⅳ、Ⅴ类围岩衬厚1.2m。进口20m为矩形变圆形的渐变段，出口35m为圆形变矩形的渐变段，渐变段衬砌厚度1.5m。全洞段混凝土强度等级为C25，抗渗等级W6，抗冻等级F50。图3为Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌结构典型断面。

图3 Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌结构典型断面示意图Figure 3 Lining structure typical section of Ⅳ，Ⅴsurrounding rock

引水隧洞内水压力0.30～0.47MPa，结合不同的围岩类别和内水压力，按结构力学方法厚壁圆筒作用原理进行结构和配筋计算。计算考虑的荷载有：衬砌自重、山岩压力、内水压力、外水压力、围岩弹性抗力及灌浆压力等。

计算考虑三种工况：

（1）运行工况，荷载包括内水压力、山岩压力、围岩弹性抗力、衬砌自重、外水压力。

（2）检修工况，荷载包括衬砌自重、山岩压力、围岩弹性抗力、外水压力。

（3）施工工况，荷载包括衬砌自重、山岩压力、灌浆压力。

经计算，运行工况为控制工况。最大裂缝长期组合控制在0.25mm以内时，Ⅳ、Ⅴ类围岩环向受力筋每延米配筋面积 15432mm2、21230mm2。

考虑到隧洞断面大，传统结构力学法计算配筋较大，因此采用了三维有限元法进行配筋复核计算。

由于引水隧洞无大坡降段，基本可属于平面应变问题，因此典型剖面的有限元模型采用二维4节点等参实体单元模拟。模型范围为：垂直洞室方向长200m，沿高程方向200m，衬砌洞室内径为14.5m，衬砌厚度分别为0.8m和1.2m。

为分析两条引水隧洞在运行期的最不利组合，计算考虑了2种组合工况。

（1）工况1：1号、2号两条引水隧洞运行工况最大内水压力。

（2）工况2：1号引水隧洞充满水，2号引水隧洞无水。

引水隧洞Ⅴ类围岩典型断面有限元计算模型和工况1应力结果参见图4、图5。

图4 Ⅴ类围岩有限元模型Figure 4 Finite element model of Ⅴsurrounding rock

图5 Ⅴ类围岩应力计算结果（围岩未显示）Figure 5 Stress calculation results ofⅤsurrounding rock（Surrounding rock not shown）

工况1情况下，两条引水隧洞的衬砌结构在自重和内水压力的共同作用下，衬砌结构主要向外变形，竖向最大变形2.74mm，出现在1号、2号引水隧洞底板衬砌内侧；最大水平变形量0.64mm，出现在1号、2号两条引水隧洞外侧的衬砌结构内侧。

混凝土最大拉应力2.54MPa，应力分布如图5所示；压应力极值-0.014MPa出现在1号、2号引水隧洞顶拱衬砌结构内侧。两条引水隧洞，应力分布较为一致，其中衬砌结构内侧在2～2.54MPa，衬砌结构外侧的拉应力在 1.85～2.3MPa。

工况2情况下，1号引水隧洞衬砌结构在自重和内水压力的共同作用下，衬砌结构主要向外变形，竖向最大变形2.55mm，出现在1号引水隧洞底板衬砌内侧。2号引水隧洞受衬砌自重作用，产生沉降变形，最大变形控制在1.26mm以内，出现在左侧拱腰衬砌外侧。

最大拉应力2.43MPa，出现在1号引水隧洞拱底衬砌结构内侧。而2号引水隧洞无水，仅受衬砌自重作用影响，拉应力都在0.058MPa范围之内。

本计算确定截面配筋量的方法是：将有限元分析计算得到的混凝土应力成果，插值到计算剖面特征方向线上，绘制该特征方向线的截面应力图形，再根据拉应力图形面积，确定承载力所要求的钢筋量。

受拉钢筋截面面积As应满足式（1）要求：

式中T——由荷载设计值；

Tc—— 混凝土承担的拉力，Tc=Actb。在此，Act为截面主拉应力在配筋方向投影图形中，拉应力值小于混凝土轴心抗拉强度设计值ft的图形面积（图6中的阴影部分）

As——受拉钢筋截面面积；

fy——钢筋抗拉强度设计值；

γd——钢筋混凝土结构的结构系数。

混凝土承担的拉力Tc不宜超过总拉力T的30%，当弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面高度的2/3时取Tc等于零。

结合有限元应力计算成果，按裂缝控制在0.25mm以内时，Ⅳ、Ⅴ类围岩环向受力筋每延米配筋面积9650mm2、14023mm2。

图6 按弹性应力图形配筋Figure 6 Reinforcement according to the elastic stress

考虑到Ⅳ、Ⅴ类围岩采取固结灌浆措施，现场灌浆试验数据表明，固结灌浆后经声波检测，灌后波速提高12%～25%。

综合考虑2种计算方法，最终按规范推荐的有限元法确定配筋。Ⅲ类围岩衬厚0.8m，内外双层钢筋，环向钢筋φ25@16.7cm，纵向钢筋φ16@20cm。Ⅳ、Ⅴ类围岩衬厚1.2m，内外双层钢筋，环向钢筋φ28～32@12.5～11.1cm，纵向钢筋φ22～25@20cm。

3.3 灌浆设计

引水隧洞全洞段顶拱120°范围内进行回填灌浆，灌浆孔径48mm，入岩0.1m，每排4、5孔交错布置，排距3.0m；灌浆压力0.2～0.3MPa。

Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段及进出口渐变段全洞周进行固结灌浆，灌浆孔径76mm，入岩8m，每排16孔，排距3.0m，排间孔位交错布置；固结灌浆压力0.6～1.0MPa。对隧洞穿过的围岩地质条件较差的局部区域，除加强支护外，固结灌浆孔深加长到10m。

回填灌浆及固结灌浆孔布置见图3。

4 结束语

本文总结了黄金坪水电站引水隧洞的开挖支护和结构设计。强调了大跨度洞室施工期充分利用岩体自身强度确保自稳，开挖过程中及时进行喷锚等初期支护的重要性。分析研究了隧洞衬砌结构不同工况的受力情况。结合有限元分析，对大跨度有压隧洞的设计提出了科学、经济的衬砌方式。

目前黄金坪水电站已顺利投产发电，引水隧洞安全运行。