压力管道下弯段外包钢筋混凝土井壁厚度优化

吴卫东

(新疆兵团水利水电工程集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

近年来，为实现“碳达峰”“碳中和”的宏伟目标，我国水电站迎来广阔发展前景。水力发电资源进一步得到重视，在新疆、西藏等复杂工程条件地区，开始大规模建设水力发电站，多采用引水发电方式，压力管道竖井成为重点和难点工程[1-8]。在软弱地层中建设压力管道竖井时，下弯段外包钢筋混凝土井壁厚度较大，容易出现温度裂缝等情况，施工难度大风险高，已经成为制约西部地区水利工程发展的“卡脖子”难题。本文以新龙口电站压力管道下弯段为例，利用数值模拟方法对下弯段外包钢筋混凝土井壁厚度进行优化，以期对类似工程提供借鉴。

1 工程背景

新龙口电站是奎屯河引水工程的重要组成部分，新疆奎屯河引水工程新龙口电站压力管道工程管长1 450.38 m，钢管净直径为4.1 m，设计引水流量48.5 m3/s,管内流速3.83 m/s，最大水锤压力3.5 MPa，电站装机140 MW。0+710～1+234.20段为地下埋管段，该段由竖井和下平洞组成。竖井和下平洞由下弯段连接。

如图1所示，压力管道竖井下弯段位于1 197.8 m～1 027.6 m范围内，设计采用“初期支护+三层井壁”的复合井壁结构：1)采用锚杆+钢筋网+型钢拱架+挂网喷护形成初期支护结构；2)一衬设计采用3 m厚C30钢筋混凝土衬砌形成一衬支护结构；3)待成井与平巷贯通后，由下至上2 m一节安装Q345R壁厚44 mm的钢衬，在钢衬与外壁间4 m一个循环充填0.7 m厚C25膨胀混凝土，形成“钢-混”复合井壁结构。

2 下弯段支护结构数值模拟

以新疆奎屯河引水工程新龙口电站压力管道高程在1 197.8 m～1 027.6 m范围内的下弯段为模拟对象，由于本数值模型主要讨论下弯端外包混凝土厚度优化，故数值模型只考虑地应力平衡→外包C30钢筋混凝土→700 mm厚C25充填混凝土+壁厚44 mm的钢衬→由内向外3.5 MPa水压力四个阶段。对比不同厚度(包括：1.5 m,2 m,2.5 m和3 m)的C30钢筋混凝土应变场、应力场和损伤等参数，进而获得外包钢筋混凝土的最佳厚度。

2.1 基本假设

本研究数值模型计算的基本假设如下：

1)岩体是理想的弹塑性介质。2)不考虑岩体变形的时间效应和地下水渗流影响。3)忽略土层本身的构造应力及地层界线附近应力集中现象。4)岩体为各向同性的均质体。5)设置初始应力场为围岩的初始地应力场。6)开挖扰动区通过降低扰动区岩体的模量来模拟开挖对岩体造成的扰动影响。7)不考虑由于施工质量出现的施工缝、损伤、缺陷等情况，即假设模型涉及到结构施工质量良好。

2.2 数值模拟步骤

为了使模拟过程简化，模拟分步开挖及支护的顺序可简化为如下步骤：

1)基于现有可用的地应力数据设置模型的初始应力条件。上边界埋深为215 m，故模型上表面压力4.96 MPa，侧压力系数按0.8，底部固定约束。先计算土体的自重应力场，获得土体在自重作用下的初始位移。这个位移是在土体最初形成直到今天的漫长时光中，随着土体固结而发生的沉降，它对竖井开挖没有影响，因此在后续的施工过程模拟中，需要在位移场中减去初始位移场。故先进行初始地应力计算2 000步，位移场清零。

2)不同厚度(包括：1.5 m，2 m，2.5 m和3 m)外包C30钢筋混凝土初次支护。激活其相应区域内外包C30钢筋混凝土。

3)激活相应区域内钢衬及0.7 m厚C25膨胀混凝土。

4)在钢衬施加3.5 MPa水压力。

2.3 参数选取与边界条件

模型选取含水率为45%的砾岩层为现场资料提供实测物理力学参数，其他支护体系参数均以混凝土或Q345钢材的经验物理参数为计算依据，数值模拟物理力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数表

数值模型z方向顶边界为自由边界，并采用附加质量模型模拟上覆土体重量4.96 MPa，通过地应力平衡法施加竖向作用力。底边界为固定边界，x方向左右边界及y方向前后边界设定为法向约束，竖向自由。地应力考虑围岩自重和侧压力系数为0.8的水平应力，采用地应力平衡法施加。综上，获得初始地应力场，混凝土材料模型取为混凝土损伤塑性模型，土体的本构关系采用Mohr-Coulomb模型。

3 下弯段外包钢筋混凝土井壁厚度优化

3.1 下弯段外包C30钢筋混凝土初次支护位移-应力场分析

如图2所示，原设计特厚外包钢筋混凝土浇筑完成后，衬砌内部应力范围为-4.38 MPa～-17.64 MPa，下弯段上方壁座的应力值最大，较大应力区域为沿井筒开挖轴线方向，隧洞周边钢筋混凝土应力值为-6.59 MPa～-14.32 MPa，沿轴向方向由内向外应力逐渐减小。由于本数值模型物理力学参数中，一衬结构弹性模量选用C30钢筋混凝土，故该设计非常安全，最大主应力仅为极限强度的57.9%，存在一定优化空间。

随着外包钢筋混凝土厚度的减小，最大主应力值不断增加，当厚度减小至1.5 m时，衬砌内部应力范围为-4.10 MPa～-21.72 MPa，下弯段上方壁座的应力值最大，较大应力区域为沿井筒开挖轴线方向，隧洞周边钢筋混凝土应力值增长至-7.03 MPa～-21.72 MPa，并且高应力范围明显大于特厚外包混凝土。该阶段2.5 m,2 m,1.5 m厚外包钢筋混凝土最大主应力分别为极限强度的63.3%,70.6%和72.4%。

综上可见，该阶段下弯段外包混凝土能够满足支护的需求，特厚度外包钢筋混凝土最大主应力值远小于极限强度，安全系数较大。

3.2 安装内钢衬及充填膨胀混凝土后位移-应力场分析

安装内钢衬及充填膨胀混凝土后，外包钢筋混凝土应力场分布基本保持不变，最大主应力值均有不同程度的提高。该阶段3 m,2.5 m,2 m,1.5 m厚外包钢筋混凝土最大主应力分别为极限强度的67%,67%,71.3%和73.3%。可见，该阶段不同厚度外包混凝土的最大主应力值差别不大，只是下弯段轴线方向隧道周围的高应力范围不同。特别是当厚度为1.5 m时，下弯段与水平隧道连接处混凝土高应力值为-14.25 MPa。可见，该阶段下弯段外包混凝土能够满足支护的需求，特厚度外包钢筋混凝土最大主应力值与其他厚度基本一致，存在一定优化空间。

如图3所示，C25充填膨胀混凝土后下弯段至水平隧道连接趋于基本不承担地应力，在下弯段与竖井连接区域附近承担一部分竖井向下的压应力，四个工况下的压应力基本一致，为0.20 MPa～-6.27 MPa。最大主应力值远远低于充填混凝土的抗压强度25 MPa，故认为在此阶段各个工况下C25充填膨胀混凝土均应处于安全状态。表明外包混凝土厚度变化基本不会影响到充填混凝土的应力状态。

3.3 钢衬内施加水压力后位移-应力场分析

钢管施加3.5 MPa水压后，厚度为2 m,1.5 m的外包混凝土最大主应力值有所减小。可见，施加水荷载会抵消一部分地应力对外包混凝土的影响。而厚度为 3 m,2.5 m的外包混凝土最大主应力值基本保持不变，可见，随着厚度的增加，内水压力抵消外荷载作用减弱，2 m为隔绝钢管内部水压与外部地应力的极限厚度。

该阶段3 m,2.5 m,2 m,1.5 m厚外包钢筋混凝土最大主应力分别为极限强度的69.1%,69.8%,61.4%和63.2%。可见，厚度为2 m和1.5 m时最大主应力场在该阶段均有所改善。但考虑到未来可能存在由于经济关闸产生的“水锤”效应，故建议选择2 m厚度的外包钢筋混凝土更加有利。

C25充填膨胀混凝土的应力场分布规律有所变化，下弯段至水平隧道连接区域的应力值明显增加，而下弯段与竖井连接区域附近应力增加幅度较小。四个工况下的压应力基本一致，为0.80 MPa～-6.68 MPa。最大主应力值远远低于充填混凝土的抗压强度25 MPa，故认为在此阶段各个工况下C25充填膨胀混凝土均应处于安全状态。表明水荷载主要由钢管承担，而非充填混凝土，充填混凝土主要起到连接钢管与初期支护，形成联合承载体的作用。

如图4所示，满水工况下，钢管的最大主应力场分布出现很大变化，整个钢管最大主应力为拉应力。4个工况下的拉应力随着外包钢筋混凝土厚度的减小而增大，但是增加幅度不明显。该阶段3 m,2.5 m,2 m,1.5 m厚外包钢筋混凝土工况下，钢管最大主应力最大值分别为40.95 MPa,43.02 MPa,46.03 MPa和50.11 MPa。拉应力远远低于钢管的极限抗拉强度，认为在此阶段各个工况下钢管均应处于安全状态。

4 结论

根据以上数值模拟分析，可以得到以下结论：

1)数值模型综合考虑了不同厚度外包C30钢筋混凝土初次支护、布置内钢衬及充填C25膨胀混凝土、施加3.5 MPa水压力三个阶段。其中发现，外包C30钢筋混凝土初次支护主要作用为承担地应力和竖井压力。充填混凝土主要作用为连接钢管和外包钢筋混凝土，使二者形成共同承载体。钢管主要作用为承担水荷载。

2)在初次支护、布置内钢衬及充填C25膨胀混凝土两个施工阶段，不同厚度外包混凝土最大主应力值及等效塑性应变均相差不大，应力值较小，基本处于安全状态，可见C30钢筋混凝土存在一定优化空间。

3)在施加3.5 MPa水压力阶段，发现厚度为2 m,1.5 m 的外包混凝土最大主应力值有所减小，而厚度为3 m，2.5 m的外包混凝土最大主应力值基本保持不变的现象。表明施加水荷载会抵消一部分地应力对外包混凝土的影响，但是随着厚度的增加，内水压力抵消外荷载作用减弱，2 m为隔绝钢管内部水压与外部地应力的极限厚度。

综上所述，外包C30钢筋混凝土厚度为1.5 m和2 m时均能够满足结构的稳定性，特别是在满水阶段外包混凝土受到地应力、水荷载共同作用下的最大主应力值减小，基本达到了应力平衡。但考虑到未来可能存在由于经济关闸产生的“水锤”效应，故建议选择2 m厚度的外包钢筋混凝土更加有利。