高压引水隧洞衬砌配筋设计

李小磊

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401121)

0 引 言

目前，国外水电站建设工程中，对高压引水隧洞衬砌结构的设计主要都是基于不透水的衬砌设计，这种方式根据面力理论进行计算可以发现，其会使工程配筋量大大提高，这对工程投资一项很大的支出。同时，由于内水压力过高，衬砌结构开裂，在运转期，内水迅速外渗，在检修期，外水也随之迅速渗入，因而面力理论已经难以较好地反映这种相互作用，更难以真实地模拟隧洞与围岩介质中形成的稳定的渗流场[1]。因此，如果能够改进这种设计方式，有效地降低配筋量，同时又能够保证工程的安全性，提高工程综合效益，那么这将是一件极其有意义的事情。

1 相关研究现状概述

所谓高压隧洞，在《水工隧洞设计规范》中将其定义为洞内压力水头不小于100m的隧洞。对于这类隧洞的衬砌配筋设计，国内外学者进行了大量的研究，笔者整理如下。

国外引水隧洞设计通过施加弹簧，模拟衬砌和围岩的相互作用，通过弹性力学对混凝土、围岩刚度比加以计算，并以此为依据对内水压力进行科学分配。根据实践经验发现，此种设计方案下，难以明确衬砌强度与裂缝问题的关系，认为一旦洞内压力较大，则需要大量配筋量，但是往往与工程实际情况存在较大差异。

国内部分学者通过施工模拟的方式，较好的展现了衬砌开裂时钢筋应力情况，一旦衬砌开裂，则内、外水压力逐渐趋于平衡，相应的衬砌所承受的荷载呈现为下降趋势，对于配筋量的要求减少。还有学者基于体力理论根据衬砌开裂的内力值计算配筋量和裂缝开展宽度，这样子虽然可以实现衬砌开裂的模拟，然而非线性流固耦合也会产生较难收敛情况，存在错综复杂的可变因素，无法判断计算结果[2]。

在高压引水隧洞中，综合考虑混凝土自身属性与衬砌受力情况，要求洞内混凝环向应变≤0.00005。如：在隧洞施工时，选用C21混凝土，则极限拉应力=1.05MPa，当内水水头超过100m时，混凝土一定会开裂。

总而言之，对高压引水隧洞进行衬砌配筋设计就必须考虑开裂的因素。因此文章以衬砌开裂为前提，假设衬砌、围岩构成稳定渗流场，进一步模拟内、外水渗透作用，通过减少压力差进而有效降低配筋量。

2 透水衬砌设计过程

2.1 基本假设

本设计基本假设参数如下：①隧洞衬砌断面：竖向轴对称；②衬砌、围岩无裂缝；③在内压的影响下，衬砌开裂，迅速形成稳定的渗流场，正常运转工况下不需要考虑由于地下水而作用于外壁的外水压力；④围岩松动区、完整区或者固结灌浆区与衬砌混凝土间渗透量相等，混凝土与围岩完全接触，无相互滑动。

2.2 Bedded-beam-spring计算模型

本计算模型下，采取梁单元，单元长度=5°圆心角弧长，对衬砌断面进行模拟，节点位置施以法向、切向弹簧gap单元，对衬砌、围岩的互相作用进行模拟，通过计算内力进一步确定配筋量。

弹簧单元法相刚度计算公式为:

(1)

切向刚度计算公式为:

(2)

式中：kr、kτ为弹簧法向、切向刚度;θ为梁单元圆心角;b为计算宽度;Gr、Er、μ为围岩剪切模量、弹性模量、泊松比。

2.3 透水衬砌设计思路

根据上文分析，决定采用渗流理论展开透水衬砌设计，基本假设参数如下：裂缝宽度、个数分别为2a、n，代入公式计算内水外渗并作用于外表面的压力，同时，计算作用于外壁的压力，建设满足公式(1)、(2)的法/切向刚度要求的Bedded- beam-spring模型，计算出各工况内力，确定配筋量，并检验核算裂缝的宽度与间距，如检验核算结果与假设不符合，则返回前述步骤重新计算。

特别需要注意的是，上面所述渗流计算的重要前提是已知裂缝个数和宽度，并且完整混凝土的渗透系数远远小于开裂混凝土，因此在计算时，绝大多数的内、外水均经由裂缝渗出，由此裂缝宽度是一个重要参数[3]。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

文章仅以某水电站为例，具体分析了高压引水隧洞衬砌配筋设计工作。本项目中，预期装机容量为180MW，计划共设置3台冲击式水轮发电机组，额定引用流量、水头分别为42.3 m3/s，额定水头495m。在水电站建设中，调压室竖井规划为圆形断面，内径、高度分别是7.0m、76m，底板高程1429.00m，井壁上、下部的衬砌厚度分别为100cm、50cm；压力管道竖井内径4.1m，井壁衬砌厚度40-50cm。

通过计算可知，本项目断面内水压力为2.41MPa，根据相关工程经验，隧洞外水压力水头取值2.18MPa。

3.2 相关参数

表1-表4列出了相关计算参数。

表1 围岩力学参数

表2 混凝土、钢筋力学参数

表3 钢筋力学参数

表4 裂缝、渗透参数

3.3 计算工况及其荷载系数

在后续相关计算中，全部采取表5所示的4种工况进行衬砌结构的计算，此外各工况一一对应的荷载系数也在表中相应位置予以标注。

表5 各工况相应载荷系数

3.4 计算模型

以衬砌断面中轴线为原型，构建计算模型，整个衬砌断面共计分为72个梁单元，并在对应节点位置使用弹簧加以约束，根据围岩相关数据分别计算得到Ⅱ、Ⅲ类法向、切向刚度。

3.5 计算结果

由上文分析可得，在正常运行情况下，Ⅱ类围岩外水压力=1.865MPa，通过计算发现其为内水压力的85.6%；Ⅲ类围岩外水压力=1.089 MPa，通过计算发现其为内水压力的50.0%。相应可得，检修阶段，Ⅱ、Ⅲ类围岩的外水压力折减系数分别是0.08、0.12。

随后对上述荷载进行组合，可得如表6计算结果。

表6 围岩内力计算结果

基于上述计算结果可得，Ⅱ、Ⅲ类围岩配筋的内、外侧分别为5Φ20、5Φ25。通过弹性力学法，计算对应的内力，其计算结果如表7所示。Ⅱ类围岩配筋应该为内外侧各4Φ32，Ⅲ类围岩配筋应该为内外侧各6Φ32。

表7 围岩内力计算结果

4 结 语

文章在研究过程中，考虑衬砌开裂问题，分别模拟渗流场、应力场，并对计算结果展开结构计算，总结出一套可以用于高压引水隧洞衬砌配筋设计的方法，随后经案例研究证明，本方法切合实际，可行性高，且计算方法简单灵活。计算结果表明，对于高压引水隧洞，围岩承载力直接关系到整个结构安全，通过衬砌作业，可有效加固、稳定围岩，通过渗流理论计算可在保证结构可靠的基础上减小配筋量，相应的减少工程投资，缩短工程工期。

[1]王毅航.越南昆江水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌设计[J].中国厨卫，2016(08):81-84.

[2]王小军.TBM开挖隧洞管片衬砌结构三维有限元分析及配筋计算[J].南水北调与水利科技，2015，13(03):606-608.

[3]张洋.某水电站引水隧洞围岩稳定与衬砌结构优化计算[J].中国水运月刊，2015(10):216-218.

[4]刘琳琳，赵宁，吴昊.高压引水隧洞受力分析[J].工程技术:全文版，2016(05):190-191.