中小型水电站非圆形有压隧洞衬砌配筋计算

杨晓娟 ， 漆文邦 ， 郑俊 ， 李鹏 ，3

（1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；3.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

发展小水电站和地方电站事业是我国能源建设的重要组成部分[1]。全国已建成小水电站4万多座，装机容量达2 485万kW，占全国水电总装机的32.4%，年发电量达800多亿kW·h，占全国水电发电总量的36.2%[2]。目前我国水电建设正处于高速发展期，可开发的大型水电工程很多已开工建设，待开发的大型水电工程越来越少，在未来一段时间内，投资小、收益高、建设运行灵活的中小型水电站将逐步成为水电建设的主力军。近年来，国外许多国家也非常重视中小水电站的发展，其中低水头、长压力引水系统水电站占多数。因此，对中小电站有压隧洞的研究具有重要意义。

按照以往的设计理念，有压隧洞断面一般选取圆形断面，但是中小型水电站受投资成本及施工技术等限制有时不宜选取圆形断面，然而我国现行规范未明确给出非圆形有压隧洞钢筋混凝土衬砌的配筋计算公式，因此有压隧洞断面形式的选择在中小型水电站设计中是一个难题。本文以知木林水电站有压引水隧洞为例，通过比较选择施工难度小、成本低、实用性强的似马蹄形优化断面，结合地质资料，利用ANSYS有限元分析软件模拟似马蹄形有压隧洞的各种工况，最终得到衬砌配筋方案，可供类似工程参考。

1 工程概况[3]

知木林电站位于四川省黑水县知木林区境内的仁头沟电站尾水与小黑水河交汇处下游200 m左右处，为引水式电站，主要水工建筑物有首部枢纽、有压引水隧洞和调压井。电站工程建设区有茂黑公路与知木林林区公路相通，距黑水县城54 km，距成都市328 km，交通便利。有压引水隧洞长9 808．74 m， 设计水头 195．80 m， 设计引用流量 14．77 m3/s，装机容量24 MW，保证出力4．008 MW，年发电量 11 508．50万 kW·h， 年利用小时数 4 795 h，工程等别为四等小 （1）型工程，为高水头日调节式电站。

2 隧洞断面选择

结合知木林水电站发电任务、实际地形地质及水头等条件，从工程布置、水力计算、受力情况及运行条件等方面进行技术经济比较后，选定有压隧洞方案[4-5]。有压隧洞一般采用圆形断面，圆形断面的水流条件和受力条件较好，衬砌受力均匀不易产生应力集中，且计算简单。但对于尺寸较小 (如直径一般为3～4 m)的中小水型电站水工隧洞，圆形隧洞施工成本高，且开挖、衬砌施工困难，甚至无法实现。

文献[6]指出对有压隧洞和用掘进机或盾构法开挖的隧洞，一般均采用圆形断面。但在地质条件优良、内水压力不大的情况下，为了方便钻爆施工，有压隧洞也可采用马蹄形，直径为3、4 m的隧洞开挖断面接近方圆形。文献[7]指出，高内、外水压力的隧洞宜优先选用圆形断面；若内、外水压力不大，拐角处产生的应力集中也不大时，为便于运输出渣，亦可采用圆拱直墙式断面；在外水压力较大、地质条件较差的洞段，如Ⅳ、Ⅴ类围岩段，为了避免局部应力集中，采用方圆形或马蹄形断面较好。

鉴于知木林水电站属小型电站，长达10 km的水工隧洞施工成本占整个电站投资的比例相当大，且施工设备不齐全 （无掘进机等），施工技术水平低，为提高电站经济效益，选用施工成本较低且受力条件较好的非圆形断面。该工程隧洞洞径较小，采用水平底板与侧墙直接以一定角度相接的似马蹄形断面更易施工，且安全稳定能够保证，故选用似马蹄形断面。似马蹄形断面是介于城门洞形和马蹄形之间的断面形式，具有过水面积较大、工程量较小、结构受力条件较好、施工立模较方便、施工难度小和工程投资规模较小等优点。

3 地质分析

知木林水电站引水隧洞位于小黑水河左岸山体中，全长9 808．74 m，洞线所经山体以中硬岩为主，属完整性较好的薄～中厚层状结构岩体，洞线所经岩层为中生界三迭系西康群上统侏倭组 （T3zh：浅灰色薄～中厚层状钙质石英砂岩或凝灰质砂岩，间夹深灰色、灰黑色薄～中层状粉砂质板岩、钙质板岩、钙质粉砂岩等，组成以砂岩为主的不等厚韵律式互层）和中生界三迭系西康群上统新都桥组 （T3x：深灰～灰黑色薄板～叶片状粉砂质、钙质和少量炭质板岩或千板岩为主，间夹少量钙质石英砂岩或凝灰质砂岩。局部偶夹透镜状砂质灰岩)。

从岩体、岩体结构、结构面性状等围岩特征分析评价，具备成洞条件。整个洞线以Ⅳ类围岩为主，Ⅲ类、Ⅴ类围岩次之。

地下水活动主要受构造和裂隙发育程度、张开连通程度控制，大部分洞段洞体埋深大于100 m，裂隙微张或闭合，地下水甚微或呈无水状态，但在洞身穿越强风化卸荷岩体、裂隙发育密集带、小断裂破碎带及深切溪沟底部时，可能会出现股状、线状或集中渗流。

4 ANSY S有限元法计算隧洞衬砌配筋

从以上地质分析可知，Ⅳ、Ⅴ类围岩区段内隧洞需要加强钢筋混凝土作为二次永久支护，且衬砌除一般的构造钢筋外，还应通过计算配以适量限制衬砌裂缝开度、确保衬砌完整性的钢筋 （围岩是内水压力的主要承载体）。以下具体介绍基于ANSYS有限元分析软件计算似马蹄形有压隧洞钢筋混凝土衬砌配筋，限于篇幅本文仅以Ⅴ类围岩为例。

4.1 计算模型的建立

知木林有压引水隧洞全程无截面渐变及大的转弯，因此可简化为二维计算模型。隧洞顶拱内半径为1．45 m，计算范围在水平方向上取15．81 m，竖直方向上取22．12 m，CAD模型见图1。将CAD建好的模型导入到ANSYS中，通过创建面、定义单元、定义材料、布尔运算、划分网格、设置边界条件及初始条件等操作建立ANSYS计算模型，模型共有940个单元，1 002个节点，计算参数见表1。

4.2 计算工况

4.2.1 施工工况

施工工况主要荷载为：围岩压力+结构自重+施工期外水压力。通过查看由开挖引起的围岩应力、位移及塑性区分布，发现Ⅴ类围岩产生了较大的应力及位移，恶化了施工条件。因此，在施工过程中应当特别加强Ⅴ类围岩段的锚固和支护。结合现场监测资料，模拟计算得出的塑性区范围不大，因此施工对Ⅴ类围岩段隧洞整体稳定性影响不大。

图1 CAD建立的计算模型 （单位：m）

表1 计算参数

4.2.2 运行工况

运行工况主要荷载为：围岩压力+结构自重+可能出现的最大内水压力。最大内水压力取调压井最高涌波与隧洞末端底板高程之差，经水力计算得到从调压井向上游各段隧洞内水压力依次取53．333、47．742、 39．891、 30．592 m。

围岩压力也称山岩压力，是隧洞开挖后因围岩变形或塌落作用在支护上的压力。采用围岩压力系数法，薄层状及碎裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力计算式采用如下公式（1）和公式（2）[8]。

式中，qv、qh分别为铅直向及侧向围岩压力强度，kPa；B、H分别为洞室的开挖宽度及高度，m；γR为岩石的容重，kN·m-3。

4.2.3 检修工况

检修工况主要荷载为：围岩压力+结构自重+可能出现的最大外水压力。外水压力采用折减系数法折减得到。考虑到地下水在渗流过程中受各种因素的影响，而衬砌又与围岩紧贴，常将地下水位线以下的水头乘以折减系数作为外水压力的计算值。根据我国的工程经验，折减系数值一般在0．1～1．0之间，具体取值可参考地下水活动情况 （见表2）。

表2 地下水压力折减系数β值

4.2.4 衬砌内力分析与配筋

通过对三种工况计算结果分析发现，在运行工况下隧洞的稳定最为不利，故选择运行工况为控制工况。该工况下，衬砌的最大拉应力随内水压力的增大而增大。当内水压力达到最大值53．333 m时，衬砌的第一主应力和第三主应力分布见图2。从图2可以看出，第一主应力的最大拉应力为6．98 MPa，主要位于底板和侧墙的交接处，由结构本身应力集中引起；第三主应力的最大压应力为1．83 MPa，小于C20混凝土的最大抗压强度 （10 MPa）。

图2 衬砌的主应力分布

利用计算所得到的衬砌结构的应力分布，通过ANSYS后处理技术运用高斯积分原理求得衬砌结构内力分布[9]，从而计算得Ⅴ类围岩段隧洞衬砌结构配筋量 （见表3）。

表3 Ⅴ类围岩隧洞衬砌结构配筋量

5 结论

以知木林水电站引水压力隧洞为例，分析非圆形断面有压隧洞较传统圆形断面有压隧洞在中小型水电工程中应用的优势，并利用ANSYS软件进行有限元模拟，给出了非圆形断面衬砌配筋的计算方法，基于ANSYS的配筋方法，能够较真实地模拟结构的实际受力状态及围岩的弹性抗力，真实反映围岩是内水压力的主要承载体，明确衬砌拉、压应力大小及分布区域，实现隧洞衬砌内力计算。计算精度可靠，过程简洁明了，能有效指导实际工程设计施工，值得借鉴。知木林水电站按照该方案施工，目前状况良好。投产后运行状况需结合监测资料作进一步分析研究。

［1］ 黄希元，唐怡生.小型水电站机电设计手册—金属结构［M］.北京：水利电力出版社，1991.

［2］ 陈忠良，吴娜.中小型水电站运行管理浅析［J］.河北水利，2010（8）:22.

［3］ 自贡市水利电力建筑勘测设计院.四川省阿坝州黑水县知木林水电站初步设计调整报告［R］.2008.

［4］ 段乐斋，杨欣先，夏广逊，等.水工隧洞和调压室——水工隧洞部分［M］.北京：水利电力出版社，1990.

［5］ DL/T 5195—2004 水工隧洞设计规范［S］.

［6］ 华东水利学院.水工设计手册——水电站建筑物［M］.北京：水利电力出版社，1991.

［7］DL/T 5195—2004水工隧洞设计规范——条文说明［S］.

［8］ 林继镛.水工建筑物（第四版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［9］ 张全，方朝阳.基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究［J］.水电能源科学， 2009， 27（2）:109-111.