水工压力隧洞结构配筋计算分析

周　伟，喇　路，王　健

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)



水工压力隧洞结构配筋计算分析

周伟，喇路，王健

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

四川地区某水电站引水发电洞压力隧洞结构受力情况复杂，隧洞衬砌结构配筋计算是工程的重要环节。运用三维有限元仿真技术进行模拟计算分析，选定衬砌结构配筋的参数。实践证明三维有限元仿真计算方法可靠工程运行多年，隧洞衬砌监测数据正常。

隧洞；衬砌；应力；配筋

烟岗水电站工程引水发电洞全长5 840 m，纵向坡比i=3‰，设计引水流量23.6 m3/s，浅埋段隧洞内水压力水头最大可达到60 m，为压力隧洞衬砌结构计算的控制部位。本文结合工程实际情况，对各种工况下压力隧洞结构及配筋进行了研究。

1　工程概况

烟岗水电站工程位于四川省凉山州木里县境内，是雅砻江中游右岸一级支流鸭嘴河干流规划的第二级电站。工程为Ⅲ等中型工程，其主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。工程由首部枢纽、引水建筑物和厂区建筑物等组成。首部枢纽工程设防烈度为Ⅶ度，相应地震动峰值加速度an=0.139 g。水库正常蓄水位为3 136.5 m，水库总库容140万 m3。

引水发电洞布置于鸭嘴河左岸山体内，全长5 840 m，洞进口底板高程3 126 m，纵向坡比i=3‰，设计引水流量23.6 m3/s；发电洞末端设置调压室，调压室前为浅埋隧洞段(上覆岩层厚63.8～50 m)，浅埋段采用城门洞型断面，断面尺寸为3 m×3 m，衬砌结构见图1所示。

图1　浅埋段衬砌结构图

隧洞沿线揭示地层为志留系通化组岩层，以石英岩和二云片岩为主；其中浅埋段围岩类别为Ⅴ类，岩性为灰白色石英岩。隧洞开挖后，对洞身围岩进行固结灌浆和一期钢拱架与锚喷综合支护；加固后，现场施工地质编录确定的围岩主要地质参数为：围岩坚固系数f=3.0、容重γ=26.5 kN/m3、泊松比μ=0.3、单位弹力系数Ko=25 MPa/cm、纵波速度Vp=1 300 m/s。地下水位低于洞底板4 m。

经分析，电站机组关闭时(甩负荷)，沿隧洞和压力管道段的最高压力线发生在调压室，出现最高涌浪的工况，调压井最高涌浪水位达到高程3 146.26 m，此时浅埋段隧洞内水压力水头达到60 m，为压力洞衬砌结构计算的控制部位。

2　压力隧洞结构计算

2.1计算目的、内容

(1)隧洞开挖作业完成后，依据施工地质编录揭示的洞身围岩相关参数，确定合适的结构计算方法。

(2)当运行期调压井最高涌浪水位达到高程3 146.26 m，分析浅埋段Ⅴ类围岩洞段砼衬砌结构的应力状况。

(3)通过对衬砌结构的应力状况进行计算分析，提出相应的配筋建议，为最终配筋方案的确定提供依据。

2.2计算工况

引水发电洞浅埋段长183 m，上覆岩层厚度63.8～50.0 m；初期地勘及施工开挖地质编录揭示的地下水位均低于洞底板，但考虑水库蓄水以后，可能会使洞身地下水位有所抬升。

三维有限元计算分析时假定混凝土和围岩材料为均质弹性、各向同性的连续体，不考虑钢筋和混凝土的应力重分布；计算中未考虑隧洞一次衬砌中锚杆、钢拱架、喷混凝土的作用，认为隧洞经固结灌浆后围岩与衬砌之间结合紧密，已成为联合受力体系；因施工开挖作业已完成，忽略岩石构造应力、围岩压力、围岩的弹性抗力的影响，只考虑岩体的自重应力；假定洞段围岩结构完整、无断层及不利的软弱结构面。

浅埋段隧洞衬砌结构主要荷载及组合工况见表1所示。

表1　浅埋段隧洞计算工况及其组合荷载

2.3计算模型

隧洞整体模型范围，取Ⅴ类围岩洞段一个标准施工段(10 m长)，洞顶上部覆盖岩层厚度取50 m，左右侧及底部取10D(D为隧洞衬砌底宽，为4 m)，即各取40 m。

边界约束条件为：模型的左右及上下游岩石边界施加法向约束，底部边界施加全约束。

整体模型单元类型采用8节点六面体单元(solid45)，隧洞整体有限元模型单元总数54 280个，节点总数59 661个。

网格划分范围，隧洞衬砌结构，网格控制尺寸为0.25～0.5 m，隧洞顶部及底部岩体网格尺寸为0.5～5 m，网格以隧洞为中心逐步放大。有限元计算模型见图2所示。

a.整体模型　　b.隧洞模型

2.4计算结果

运行期电站甩负荷时，使得洞身衬砌结构承受最大内水压力；水库蓄水后亦有可能抬升山体的地下水位，进而增加洞身外水压力。通过对浅埋段地下水位抬升前后及空洞运行情况下洞身衬砌结构进行仿真计算，各工况下衬砌结构应力变化的对比分析见表2所示，工况3隧洞衬砌结构的主拉应力、主压应力、竖向位移云图见图3所示，应力单位为MPa，位移单位为 m。

表2　跨沟段隧洞洞顶堆碴方案衬砌结构计算成果对比分析

a.主拉应力

b.主压应力

c.竖向位移

3　分析及配筋

3.1分析

由计算结果表2、图3对比分析可见：

1)引水发电洞运行期空洞检修且地下水位抬高至水库正常蓄水位情况为本隧洞结构计算的控制工况，即工况3为衬砌结构计算的控制工况；

2)隧洞最大拉应力出现在底板内侧中部，最大压应力出现在侧墙内侧与底板倒角部位，顶拱中央发生最大竖向位移。

图4　按弹性应力图形配筋示意图

3.2配筋计算

依据《水工混凝土结构设计规范SL 191—2008》[2]中给出了“非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则”。按主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算钢筋截面积As，并应符合下式要求：

(1)

式中 K为承载力安全系数；fy为钢筋抗拉强度设计值(N/mm2)；T为由钢筋承担的拉力设计值(N)，T=ωb；ω为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积扣除其中拉应力值小于0.45ft后的图形面(N/mm)，但扣除部分的面积(如图中的阴影部分所示)不宜超过总面积的30%，此处，ft为混凝土轴心拉强度设计值(N/mm2)；b为结构截面宽度(mm)。

根据《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008规定的非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则，底板采用C25混凝土，其轴心抗拉强度的设计值ft为1.27 MPa，故0.45 ft=0.57 MPa；混凝土结构的轴心抗压强度设计值11.9 MPa，由各工况的计算结果可见：

(1)衬砌底板的最大拉应力值为3.34 MPa，超过C25砼构件的抗拉强度，按弹性应力图形配筋计算的得底板内、外侧环向每米宽度所需配筋面积为1 283 mm2、845 mm2，即在底板内侧配置一层φ20@200(单m配筋面积为1 570 mm2)的钢筋，在底板外侧配置一层φ16@200(单m配筋面积为1 005 mm2)的钢筋即可满足要求；衬砌顶拱和侧墙仅需按构造配筋即可满足要求。衬砌底板与侧墙内侧倒角部位最大压应力值为9.22 MPa，小于C25混凝土结构的轴心抗压强度设计值11.9 MPa，故衬砌结构的抗压强度满足要求。

(2)采用《水工隧洞设计规范》SL279-2002确定的常规算法，算得衬砌底板需配置双层φ32@200(每层单m配筋面积为4 021mm2)的钢筋。

(3)结合三维有限元仿真计算及规范算法计算结果，并参考类似工程配筋经验，最终确定本工程浅埋段衬砌主筋为配置双层φ22@150(每层单m配筋面积为2 661 mm2)的钢筋。

电站已并网发电运行多年，引水发电洞身衬砌监测数据正常。

4　结语

对洞身衬砌结构的计算分析，采用规范确定的常规算法计算配筋量较为保守。随着三维有限元仿真技术的应用和发展，使得模拟分析衬砌结构的应力状况成为可能，采用隧洞开挖过程中地质编录的最新参数，模拟隧洞衬砌结构的受力情况，分析其应力分布特征，并采用弹性应力图形面积计算衬砌结构配筋量的方法已逐渐被设计人员采纳并推广运用。

因水电站压力隧洞运行工况多样，结构受力情况复杂。洞身配筋的确定宜综合分析三维有限元仿真计算结果、规范常规算法计算成果，并参考类似工程配筋经验确定最终配筋参数。该思路和方法可供类似工程设计参考。

[1]潘昌石.隧洞力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社.1995.

[2]SL279-2002.水工隧洞设计规范[S].北京：中华人民共和国水利部.2002.

[3]熊启钧.隧洞[M].北京：中国水利水电出版社.2002.

2016-05-30

周伟(1982-)，男，陕西延安人，工程师，主要从事水利水电勘察设计工作。

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1004-1184(2016)05-0155-03