蓄集峡引水发电洞结构设计

2016-11-30周雪梅包芬芬黄河勘测规划设计有限公司

河南水利与南水北调 2016年10期

□周雪梅 □包芬芬（黄河勘测规划设计有限公司）

蓄集峡引水发电洞结构设计

□周雪梅 □包芬芬（黄河勘测规划设计有限公司）

蓄集峡水利枢纽工程位于青海巴音河峡谷出口上游，根据工程特点，结合地形、地质条件布置了引水发电洞。根据围岩类型选择合理的隧洞锚喷支护设计，通过结构计算，采取合适的衬砌类型，对高压引水隧洞采用合适的衬砌类型，隧洞整体设计安全、合理、经济、满足运行要求。

引水发电洞；结构设计；蓄集峡水利枢纽工程

1 工程概况

蓄集峡水利枢纽工程位于巴音河峡谷出口上游约6 km处，距海西州德令哈市东北60 km左右，坝址控制流域面积4 970 km2，坝址多年平均流量8.73 m3/s，年径流量2.75亿m3。蓄集峡水利枢纽工程是巴音河干流骨干调蓄工程，其开发任务以城镇生活和工业供水为主，兼顾发电、防洪等综合利用的大（2）型工程。水库总库容1.62亿m3，正常蓄水位3 468 m，正常蓄水位以下有效库容1.39亿m3。枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、放空洞、生态基流放水管等组成。电站为岸边式地面厂房，厂内安装3台单机容量为11 MW的混流式水轮发电机组，电站总装机容量为33 MW，年发电量10 405万KWh。

引水发电系统布置在左岸，由竖井式进水口、压力引水洞、调压井、压力管道、地面厂房、尾水渠等建筑物组成。引水发电洞总长约6 440.54 m，引水流量为20.40 m3/s，采用一洞三机供水方式。引水发电洞采用圆形钢筋混凝土衬砌，横跨包饶浩饶沟部位及调压井后洞段采用钢衬。隧洞在桩号1+225 m之前洞径为3.20 m，之后洞径为3.00 m，在Ⅲ、Ⅳ类等围岩隧洞衬砌厚0.40 m，Ⅴ类围岩隧洞衬砌厚0.50 m，钢管外回填0.70 m厚素混凝土。

2 引水发电洞地质条件

引水线路沿线地貌单元属于中高山区到中山区的过渡地带，临河最高山峰海拔4 324 m，河床最低处（巴音河的峡谷出口处）3 265 m，相对高差500～1 000 m，地势北高南低。因受宗务隆山强烈上升的影响，沿线山体雄厚、沟谷深切、支沟发育。岸坡坡度一般50～60°，局部近直立。引水发电洞围岩大部分为石炭系上统的大理岩、板岩互层，属Ⅲ类围岩，断层穿过处为Ⅳ类围岩。引水洞出口位于断层带中，为Ⅴ类围岩。

3 隧洞结构设计

3.1 隧洞衬砌型式选择

3.1.1 断面形状的选择

有压隧洞多采用圆型，它的优点是：水力特性好，同样的断面面积，具有最大的过水能力；在内外压力作用下，受力条件最佳，高内、外水压力的隧洞都宜优先选用圆断面。圆形断面施工期围岩二次应力调整后应力状态较有利于发挥围岩的自稳能力，运行期圆形断面有压隧洞可更好地发挥衬砌结构与围岩联合承受内水压力作用，衬砌结构的应力状态比较均匀，工作条件较好；圆形有压隧洞配筋量小，节省投资。其缺点是：弧形底板在开挖过程中，交通运输较为不便。考虑到本工程引水隧洞沿线承受的内水压在134.20～214.50 m（静水头）之间，外水压最高约5MPa，内、外水压均较大，且沿线地质条件复杂，从隧洞的用途、水力学、地质条件、衬砌工作条件、施工方法（施工期交通运输可采用有轨运输方案解决）等方面综合考虑，引水隧洞采用圆形断面。

3.1.2 衬砌型式的选择

引水隧洞沿线承受的最高内水压为0.80～2.60 MPa，由于引水隧洞洞线与河道大致平行，围岩以Ⅲ类为主，局部Ⅳ～Ⅴ类，岩层走向与河流总体走向近于垂直，岩层近于直立，围岩裂隙发育，洞线与河谷水平距离较近（大多在170～500 m范围内），在高压水作用下，易发生流向河谷方向的渗漏，并危及围岩稳定及附近边坡安全。根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）规定：不衬砌隧洞只宜在Ⅰ、Ⅱ类围岩使用；锚喷衬砌只宜在低压隧洞中使用。综合上述因素，引水隧洞采用常规的钢筋混凝土衬砌型式，对于围岩厚度不满足最小埋深要求的洞段（跨包饶浩饶沟处）、调压井后衬砌段（该段处于断层挤压破碎带）采用钢衬型式。

3.2 隧洞喷锚支护设计

根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）附录F锚喷支护类型及其参数表，隧洞洞身开挖洞径D＜5 m，锚喷支护措施：A型衬砌（Ⅲ类围岩洞段）∶喷C20混凝土厚0.10 m，边墙和顶拱240°范围挂钢筋网Φ6@150，设随机锚杆Φ25，L=2 m。B型衬砌（Ⅳ类围岩洞段）∶喷C20混凝土厚0.10m，边墙和顶拱240°范围挂钢筋网Φ6@150，设系统锚杆Φ25@1.25 m，L=2 m。

C型衬砌（Ⅴ类围岩洞段）：喷C20混凝土厚0.15 m，边墙和顶拱240°范围挂钢筋网Φ6@150，设系统锚杆Φ25@1 m，L=2 m。D型衬砌（Ⅴ类围岩、且原位监测变形大的洞段）：开挖形状为马蹄形，喷C20混凝土厚0.20 m，边墙和顶拱240°范围挂钢筋网Φ6@150，设系统锚杆Φ25@1 m，L=2 m；配置钢拱架，间距0.80～1 m，型号：工字钢Ⅰ14。

3.3 隧洞结构计算

衬砌结构按承载能力极限状态允许开裂设计，正常使用极限状态长期组合时，最大裂缝宽度允许值为0.25 mm，短期组合时最大裂缝宽度允许值为0.30 mm。

按承载能力极限状态设计时，考虑正常运用工况、校核洪水位工况、检修工况。各种工况下荷载效应组合如表1承载能力极限状态（荷载）效应组合表。

表1 承载能力极限状态（荷载）效应组合表

3.3.1 计算方法

在正常运行工况和校核洪水位运行工况中，内水为控制荷载，可应用衬砌承受均匀内水压力时的静力计算方法，根据弹性厚壁圆筒作用原理进行计算。计算假定在均匀内水压力作用下，隧洞混凝土衬砌沿径向开裂。正常使用极限状态，根据设计要求，进行裂缝宽度的验算。在检修工况中，地下水压力为控制荷载，可用结构力学方法进行计算，计算采用理正岩土计算程序。

3.3.2 衬砌结构配筋计算

3.3.2.1 受均匀内水压力作用时的衬砌计算：

钢筋面积计算：假定在均匀内水压力作用下，隧洞混凝土衬砌沿径向开裂。按双层配筋计算，钢筋面积计算按下式：

式中：p—均匀内水压力；r0—衬砌外半径；ri—衬砌内半径；Es—钢筋弹性模量；K0—围岩单位弹性抗力系数］—钢筋的允许应力设计值

在其他荷载作用下，按下式计算，最后相应叠加，但不得小于最小配筋率。

钢筋应力校核：

衬砌裂缝宽度的验算：隧洞衬砌最大裂缝宽度，可按下式计算：

式中：ωmax—最大裂缝宽度；lf—平均裂缝间距；ψ—裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；α1、α2—计算系数；σs—衬砌结构正常使用情况受拉钢筋应力（标准值）；d—受拉钢筋直径；μ—受拉钢筋配筋率；H—衬砌厚度；ftk—混凝土轴心抗拉强度标准值；ν—与受拉钢筋表面形状有关的系数；e0—轴向力对截面重心的偏心距。具体计算结果如表2、表3、表4、表5。