广东阳江抽水蓄能电站高压隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计

王 明

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

随着我国“双碳”目标的提出，构建以新能源为主体的新型电力系统迫在眉睫，抽水蓄能电站作为技术成熟、经济性优、可大规模开发的大型调节电源上升为国家战略。未来一段时间，抽水蓄能电站将迎来一波建设开发热潮。高压隧洞作为蓄能电站枢纽的重要组成，大多埋深大、承受超高水头，对于采用钢筋混凝土衬砌型式的高压隧洞其结构是设计工作的重点和难点所在。目前钢筋混凝土衬砌高压隧洞的内力及衬砌配筋计算方法主要有以下几种：① 公式法[1]，将衬砌与围岩相互分开，采用厚壁圆筒原理推导的公式，将围岩视为荷载，该方法未考虑岩体联合承载作用，配筋结果偏大；② 边值法[2]，对非圆形断面隧洞衬砌静力计算具有较好的适用性；③ 常规线弹性有限元法[3]，其对衬砌刚度考虑偏大、围岩分担内水压力较少、计算结果偏大；④ 透水衬砌非线性有限元法[4-5]，充分考虑衬砌围岩联合作用、衬砌本构一致性好、计算结果适中贴合实际。

1 工程概况

广东阳江抽水蓄能电站(以下简称阳蓄)位于广东省阳春市八甲镇山区，电站分近期和远期进行建设，每期的装机容量均为1 200 MW。枢纽建筑物主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群及地面开关站、连接道路等组成。上水库、下水库、泄水建筑物及进出水口(含闸门井)在近期一次建成，输水发电系统分期建设。

近期电站输水系统采用一管三机、中部式开发、两级竖井总体布置，从上游调压井至岔管段为高压隧洞，包括上竖井、中平洞、下竖井、下平洞，均采用钢筋混凝土衬砌。高压隧洞地表为陡坡段，南高北低，地面高程为770～410 m，坡角为30°～40°，垂直埋深从71 m增加至582 m。高压隧洞最大静水压力约8 MPa，最大动水压力超11 MPa，设计PD值为5 993 m2，远高于国内已建和在建的蓄能电站，在国际上也处于前列。阳蓄高压隧洞在项目前期研究阶段详细论证了最小覆盖厚度准则、最小地应力准则以及渗透稳定性准则的适用情况，最终决策采用钢筋混凝土透水衬砌作为高压隧洞衬砌结构。由于内水压力大部分通过衬砌传递至外围岩体承担，衬砌配筋与结构力学相比可大幅减少，由此节省工程投资，降低施工难度，加快施工进度。

2 高压隧洞地质条件及布置

高压隧洞通过的岩性均为燕山三期中粗粒花岗岩。隧洞沿线断裂构造发育，主要表现为小断层与裂隙，宽度一般小于2 m，以SN、NWW、NE～NEE为主。断裂构造胶结总体良好，规模均不大，以陡倾角为主，对围岩稳定影响总体不大。除局部围岩受断层影响呈强～弱风化，其余大部分洞段深埋于微风化～新鲜的岩体内。断层破碎带以Ⅲ类围岩为主，夹少量Ⅳ类围岩，其余洞段以Ⅰ类～Ⅱ类围岩为主。根据地质勘察资料，高压隧洞衬砌结构计算参数见表1。

表1 高压隧洞衬砌结构计算参数

高压隧洞上竖井、中平洞、下竖井、下平洞，中心高程分别为702.749～355.01 m、355.01～350 m、350～5.372 m、5.372～-12.6 m。上竖井高度为347.48 m，下竖井高度为344.63 m，中平洞及下平洞坡度均为5%，隧洞内径7.5 m，采用C30钢筋混凝土衬砌，衬厚为0.6～0.8 m。高压隧洞各部位内水压力及外水压力分布见表2。

表2 高压隧洞各部位内外水压力 m

3 衬砌结构数值计算

1) 计算原理及方法

由于混凝土结构透水性较低，渗透系数很小，可以将其视为不透水结构。常规水工隧洞在结构设计过程中通常将内水压力作为面力作用在衬砌内表面进行计算。对于抽水蓄能电站水工隧洞，由于其多承受超高内水压力，如仍按照传统方法进行结构计算，配筋计算结果远超合理范围难以满足要求。透水衬砌理论认为在高内水压作用下钢筋混凝土衬砌的开裂不可避免，衬砌开裂后透水性增强，高压水沿裂隙从内渗入岩体，最终形成稳定渗流场。从而使得混凝土砌体内外水压的压差逐渐降低并达到平衡，通过渗流应力耦合作用，使内水面力转换为渗透体积力作用于衬砌结构，而外部的围岩成为内水压力的主要承载体[6-7]。通过数值模拟分析，进行渗流场与应力场耦合分析计算，求解衬砌单元应力分布[8-9]。

渗流场与应力场的耦合分析首先通过三维有限元模型计算求解稳定渗流场，之后根据衬砌部位渗流分布将渗透压力转化为渗透荷载进行应力求解。渗透荷载通过下式求解:

(1)

叠加渗流荷载按下式进行结构位移计算:

[K]{δ}={R}

(2)

式中:

[K]——弹塑性刚度矩阵;

{δ}——结点的位移矩阵；

{R}——荷载矩阵。

通过下式计算求解单元应力:

{σ}=[D][B]{δ}e

(3)

式中:

{σ}——单元应力;

[B]——单元几何矩阵;

[D]——弹塑性刚度矩阵。

假定岩体各向同性，本构采用德鲁克-普拉格准则，衬砌采用各向同性非线性弹性模型，衬砌开裂状态下渗透系数取3×10-7m/s。根据应力计算结果按限制钢筋应力法确定所需的钢筋面积，同时验算衬砌最大裂缝宽度并根据结果调整，衬砌裂缝最大宽度限值为0.3 mm。

2) 计算模型及边界条件

综合考虑高压隧洞结构、围岩地质条件以及衬砌结构计算需求，分别选取中平洞末端及下平洞末端各10 m长的隧洞建立三维有限元模型(以下简称中平洞模型和下平洞模型)。根据地质情况，对两个模型均按照Ⅱ类及Ⅲ类围岩进行各工况计算求解复核以使计算结果兼顾整个高压隧洞(计算模型见图1)。

图1 高压隧洞计算模型示意

应力计算边界条件：模型上表面为地表设为自由面，下表面为深部基岩将其节点完全约束，其他面设置为法向约束。渗流场计算边界条件：围岩两侧面按实测地下水情况给定第1类边界条件。至2019年11月，阳蓄地下洞室群基本开挖完毕，根据现场监测的情况地下水位在200 m左右，因此，其边界节点总水头为200 m。围岩其它表面设定为不透水边界，隧洞衬砌内表面按正常蓄水位773.7 m设定为第1类边界条件。

3) 计算工况及荷载

考虑到实际工程水文地质条件的复杂性，分别计算了下平洞和中平洞Ⅱ、Ⅲ类围岩工况，根据实际地质条件情况套用。中平洞模型和下平洞模型的每种围岩分类计算了以下5个工况(见表3)。

表3 高压隧洞计算工况

通过建立的围岩衬砌三维有限元模型，进行三维初始地应力模拟计算，应力场求解按自重应力考虑，侧压力系数取0.8。模拟隧洞开挖，洞周形成临空面，开挖卸荷应力释放形成二次应力场模拟衬砌和围岩的相互作用。

作用在高压隧洞混凝土衬砌和围岩上的总水头通过渗流场计算得到，将渗流场结果转化为单元渗透体积力。检修期无内水压力作用，在外水压力作用下衬砌裂缝闭合，假定其为相对不透水结构按水工隧洞规范折减地下水，将外水压力按面力作用于衬砌外表面。根据广蓄一、二期工程的实测资料和经验，高压灌浆残余应力取灌浆压力(中平洞和下平洞分别为6 MPa和10 MPa)的10%。

中平洞P1=6×10%=0.6 MPa

(3)

下平洞P2=10×10%=1.0 MPa

(4)

4) 计算成果分析

运行期在正常蓄水位773.7 m的高压水头作用下，钢筋混凝土衬砌开裂，内水外渗形成稳定的渗流场。考虑灌浆的效果，Ⅱ类围岩和Ⅲ类围岩灌浆圈的渗透系数取3×10-7m/s，Ⅲ类围岩渗透系数均取1×10-6m/s。

工况D计算结果表明，考虑内水外渗按透水衬砌渗透体积力计算求解，衬砌应力值较小(见图2、图3)，这与高压透水衬砌相关理论以及大量钢筋混凝土内衬高压隧洞运行监测资料是相符合的。

图2 中平洞Ⅲ类围岩工况D衬砌应力示意

图3 下平洞Ⅲ类围岩工况D衬砌应力示意

为模拟在外压作用下围岩与混凝土外表面的不完全粘结作用，在外压工况计算求解时将钢筋混凝土衬砌外侧0.2 m厚围岩单元弹模降低为原围岩弹模值的1/50(见表4)。检修工况E计算结果表明隧洞衬砌最大环向压应力值较大，衬砌的径向压应力较小，各区域均处于三向受压状态，且最大压应力都低于混凝土的抗压强度(见图4、图5)。

图4 中平洞Ⅲ类围岩工况E衬砌应力示意

图5 下平洞Ⅲ类围岩工况E衬砌应力示意

表4 高压隧洞计算结果

4 衬砌结构设计及运行情况

根据高压隧洞三维有限元的计算结果，依据《水工隧洞设计规范DL/T 10391—2020》按限制钢筋应力法进行配筋设计[1]。类比广蓄[10]一二期、惠蓄[11]、清蓄[12]、深蓄[7]实际的配筋及运行情况，阳蓄高压隧洞配筋结果见表5，隧洞衬砌设计断面见图6。计算结果显示，衬砌裂缝最大宽度均小于0.3 mm。采用公式法将内水压力按面力计算对比分析，衬砌配筋需增加2.0～4.0倍，下平洞洞段钢筋间距小于最小允许值，不满足结构要求。

表5 高压隧洞配筋 mm

图6 高压隧洞衬砌设计断面示意(单位：mm)

阳蓄引水道于2021年11月上旬顺利完成水道充水，随后实现首台机组投产发电。下平洞设有钢筋应力、变形及渗压计相关监测设施。衬砌混凝土与围岩间布设的开合度监测数据显示，衬砌与围岩之间的缝隙均减小(闭合)并趋于稳定，表明衬砌受内压变形实现与围岩联合承载。衬砌钢筋应力监测数据表明，钢筋应力随着内水压力的增大缓慢增加并趋于稳定，钢筋最大拉应力为208.4 MPa，较充水前增加387.0 MPa，应力值小于钢筋强度设计值，表明衬砌受力条件良好，结构已达到稳定状态。高压隧洞外侧的渗压机监测数据表明，地下水缓慢小幅上升并趋于稳定，表明衬砌开裂可控，未发生水力劈裂出现较大规模内水外渗情况。

5 结语

阳江抽水蓄能电站高压隧洞为国内首条800 m级水头大直径钢筋混凝土衬砌水工隧洞。在衬砌结构设计中，采用透水衬砌设计理论，通过渗流场和应力场的耦合，将高内水压作用下形成的稳定渗流场转化为体积力作用于衬砌。大大降低衬砌结构的受力，内水压力主要由围岩承担，从而显著减少衬砌结构配筋[13]。本文对阳蓄高压隧洞衬砌结构设计进行了详细介绍，设计成果得以运用且监测情况表明衬砌结构受力良好。阳蓄高压隧洞衬砌结构的成功运用表明大直径、高水头钢筋混凝土衬砌具有广阔的运用前景，可为类似工程提供借鉴。