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黄金坪水电站引水隧洞开挖支护及结构设计

2019-06-13秦永涛牛智勇

水电与抽水蓄能 2019年2期
关键词:内水隧洞灌浆

宋 慧,秦永涛,牛智勇

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津市 300222)

0 引言

黄金坪水电站位于大渡河上游河段,系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站,上接长河坝梯级水电站,下游为泸定水电站。工程场址位于四川省甘孜藏族自治州康定县姑咱镇上游约3.2km河段,坝址上距丹巴县城约100km。

电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发,枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝,左岸岸边溢洪道和左岸泄洪(放空)洞,右岸坝后式小厂房和左岸混合式大厂房引水发电建筑物等组成。

水库正常蓄水位为1476.00m,水库库容1.28亿m3,最大坝高85.5m,水库具有日调节能力。电站总装机容量850MW,多年平均年发电量36.58亿~38.61亿kW·h,工程于2011年2月获国家核准开工建设,目前已投产发电。

1 引水隧洞的布置

大厂房引水建筑物布置于河道左岸,采用尾部式地下厂房布置方案。引水采用“一洞一室两机”及“单管单机”供水,尾水采用“两机一洞” 布置。引水发电建筑物由一个电站进水口、两条引水隧洞、两个上游调压室、四条压力管道、一个主厂房、一个主变压器室、两条尾水洞等组成。

引水隧洞共布置2条,洞长分别为2634.17m、2680.07m,单洞设计引用流量676.20m3/s,圆形断面,内径14.5m,洞内流速4.09m/s。隧洞进口底高程1446.00m,调压室处隧洞底高程1441.00m,纵坡分别为0.00193、0.00190。1号引水隧洞后接1号调压室,2号引水隧洞后接2号调压室。隧洞平面上轴线间距为43.6m。引水隧洞进口处最大内水水头为30m,隧洞末端最大内水水头47m,隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌。

2 引水隧洞地质条件

引水隧洞沿线山体雄厚,地形陡峻,为高程3000~4500m高山区。洞室围岩主要为斜长花岗岩(γ02(4)),局部石英闪长岩(δ02(3))。区内未发现区域性大断裂,仅发育次级小断层、岩脉接触破碎带及裂隙等Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级结构面。

隧洞进口段埋深较浅,岩体为弱风化强卸荷,裂隙发育,完整性较差,围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主;大部分洞段垂直、水平埋深较大,岩体微风化~新鲜,完整性相对较好,以Ⅲ类为主。

地下洞室围岩物理力学指标建议值见表1。

表1 地下洞室围岩物理力学性指标建议值表Table 1 Parameters of surrounding rockof underground cavern

3 引水隧洞开挖支护及结构设计

3.1 开挖支护设计

引水隧洞洞身结构尺寸较大,最大开挖断面直径达17.8m,圆形断面水力学条件及结构受力状态较优,因此隧洞的结构和开挖断面均采用圆形。

隧洞进口段、Ⅳ、Ⅴ类围岩及进调压室洞段为重点设计洞段。进口段采用φ32、L=9m间距1.0m的两排锁口锚杆锁口。Ⅳ、Ⅴ类围岩局部破碎洞段采用超前导管结合预灌浆加I20工字钢相结合的支撑方式,支护方式见图1。

图1 超前支护示意图Figure 1 Advance support schematic

为充分利用岩体自身强度确保自稳,开挖过程中特别强调支护的及时性。要求单个作业单元开挖完成后立即喷5cm混凝土进行封闭,及时进行锚杆、挂网、喷混凝土等支护作业的施工。

Ⅲ类围岩洞段支护参数:边顶拱240°范围采用系统挂网锚喷支护,钢筋网φ6.5@15cm×15cm,喷C25混凝土厚12cm,砂浆锚杆φ25、L=4.5m与φ28、L=6m梅花形交错布置,间排距1.5~2.0m。

Ⅳ、Ⅴ类围岩及锁口洞段支护参数:边顶拱270°范围采用系统挂网锚喷支护,钢筋网φ6.5@15 cm×15cm,喷C25混凝土厚15cm,砂浆锚杆φ28、L=6m与φ32、L=9m梅花形交错布置,间排距1.0~1.2m,局部不稳定块体锚杆加密或采用锚筋束3φ32、L=9m支护。典型断面支护图见图2。

图2 Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖支护典型断面示意图Figure 2 Excavation and support typical of Ⅳ,Ⅴsurrounding rock

3.2 衬砌结构设计

引水隧洞承受的内水压力随水库水位和调压室涌浪的变化而变化。水库正常蓄水位1476.00m,死水位1472.00m,调压室最高涌浪水位1488.14m,最低涌浪水位1462.96m。隧洞最大内水压力为0.47MPa;隧洞最小内水压力为0.3MPa,此时隧洞末端洞顶最小压力水头为12.37m,满足规范不小于2m的要求。

引水隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌,Ⅲ类围岩衬厚0.8m,Ⅳ、Ⅴ类围岩衬厚1.2m。进口20m为矩形变圆形的渐变段,出口35m为圆形变矩形的渐变段,渐变段衬砌厚度1.5m。全洞段混凝土强度等级为C25,抗渗等级W6,抗冻等级F50。图3为Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌结构典型断面。

图3 Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌结构典型断面示意图Figure 3 Lining structure typical section of Ⅳ,Ⅴsurrounding rock

引水隧洞内水压力0.30~0.47MPa,结合不同的围岩类别和内水压力,按结构力学方法厚壁圆筒作用原理进行结构和配筋计算。计算考虑的荷载有:衬砌自重、山岩压力、内水压力、外水压力、围岩弹性抗力及灌浆压力等。

计算考虑三种工况:

(1)运行工况,荷载包括内水压力、山岩压力、围岩弹性抗力、衬砌自重、外水压力。

(2)检修工况,荷载包括衬砌自重、山岩压力、围岩弹性抗力、外水压力。

(3)施工工况,荷载包括衬砌自重、山岩压力、灌浆压力。

经计算,运行工况为控制工况。最大裂缝长期组合控制在0.25mm以内时,Ⅳ、Ⅴ类围岩环向受力筋每延米配筋面积 15432mm2、21230mm2。

考虑到隧洞断面大,传统结构力学法计算配筋较大,因此采用了三维有限元法进行配筋复核计算。

由于引水隧洞无大坡降段,基本可属于平面应变问题,因此典型剖面的有限元模型采用二维4节点等参实体单元模拟。模型范围为:垂直洞室方向长200m,沿高程方向200m,衬砌洞室内径为14.5m,衬砌厚度分别为0.8m和1.2m。

为分析两条引水隧洞在运行期的最不利组合,计算考虑了2种组合工况。

(1)工况1:1号、2号两条引水隧洞运行工况最大内水压力。

(2)工况2:1号引水隧洞充满水,2号引水隧洞无水。

引水隧洞Ⅴ类围岩典型断面有限元计算模型和工况1应力结果参见图4、图5。

图4 Ⅴ类围岩有限元模型Figure 4 Finite element model of Ⅴsurrounding rock

图5 Ⅴ类围岩应力计算结果(围岩未显示)Figure 5 Stress calculation results ofⅤsurrounding rock(Surrounding rock not shown)

工况1情况下,两条引水隧洞的衬砌结构在自重和内水压力的共同作用下,衬砌结构主要向外变形,竖向最大变形2.74mm,出现在1号、2号引水隧洞底板衬砌内侧;最大水平变形量0.64mm,出现在1号、2号两条引水隧洞外侧的衬砌结构内侧。

混凝土最大拉应力2.54MPa,应力分布如图5所示;压应力极值-0.014MPa出现在1号、2号引水隧洞顶拱衬砌结构内侧。两条引水隧洞,应力分布较为一致,其中衬砌结构内侧在2~2.54MPa,衬砌结构外侧的拉应力在 1.85~2.3MPa。

工况2情况下,1号引水隧洞衬砌结构在自重和内水压力的共同作用下,衬砌结构主要向外变形,竖向最大变形2.55mm,出现在1号引水隧洞底板衬砌内侧。2号引水隧洞受衬砌自重作用,产生沉降变形,最大变形控制在1.26mm以内,出现在左侧拱腰衬砌外侧。

最大拉应力2.43MPa,出现在1号引水隧洞拱底衬砌结构内侧。而2号引水隧洞无水,仅受衬砌自重作用影响,拉应力都在0.058MPa范围之内。

本计算确定截面配筋量的方法是:将有限元分析计算得到的混凝土应力成果,插值到计算剖面特征方向线上,绘制该特征方向线的截面应力图形,再根据拉应力图形面积,确定承载力所要求的钢筋量。

受拉钢筋截面面积As应满足式(1)要求:

式中T——由荷载设计值;

Tc—— 混凝土承担的拉力,Tc=Actb。在此,Act为截面主拉应力在配筋方向投影图形中,拉应力值小于混凝土轴心抗拉强度设计值ft的图形面积(图6中的阴影部分)

As——受拉钢筋截面面积;

fy——钢筋抗拉强度设计值;

γd——钢筋混凝土结构的结构系数。

混凝土承担的拉力Tc不宜超过总拉力T的30%,当弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面高度的2/3时取Tc等于零。

结合有限元应力计算成果,按裂缝控制在0.25mm以内时,Ⅳ、Ⅴ类围岩环向受力筋每延米配筋面积9650mm2、14023mm2。

图6 按弹性应力图形配筋Figure 6 Reinforcement according to the elastic stress

考虑到Ⅳ、Ⅴ类围岩采取固结灌浆措施,现场灌浆试验数据表明,固结灌浆后经声波检测,灌后波速提高12%~25%。

综合考虑2种计算方法,最终按规范推荐的有限元法确定配筋。Ⅲ类围岩衬厚0.8m,内外双层钢筋,环向钢筋φ25@16.7cm,纵向钢筋φ16@20cm。Ⅳ、Ⅴ类围岩衬厚1.2m,内外双层钢筋,环向钢筋φ28~32@12.5~11.1cm,纵向钢筋φ22~25@20cm。

3.3 灌浆设计

引水隧洞全洞段顶拱120°范围内进行回填灌浆,灌浆孔径48mm,入岩0.1m,每排4、5孔交错布置,排距3.0m;灌浆压力0.2~0.3MPa。

Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段及进出口渐变段全洞周进行固结灌浆,灌浆孔径76mm,入岩8m,每排16孔,排距3.0m,排间孔位交错布置;固结灌浆压力0.6~1.0MPa。对隧洞穿过的围岩地质条件较差的局部区域,除加强支护外,固结灌浆孔深加长到10m。

回填灌浆及固结灌浆孔布置见图3。

4 结束语

本文总结了黄金坪水电站引水隧洞的开挖支护和结构设计。强调了大跨度洞室施工期充分利用岩体自身强度确保自稳,开挖过程中及时进行喷锚等初期支护的重要性。分析研究了隧洞衬砌结构不同工况的受力情况。结合有限元分析,对大跨度有压隧洞的设计提出了科学、经济的衬砌方式。

目前黄金坪水电站已顺利投产发电,引水隧洞安全运行。

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