某水电站地下交通隧洞岔洞衬砌结构设计

2021-11-29彭睿哲

西北水电 2021年5期

李超，彭睿哲，葛瑶

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001)

1 工程概况

某水电站地下厂房三大洞室对外交通主要通过进厂交通洞、主变运输洞、尾闸运输洞与地面公路相连。进厂交通洞采用城门洞型，净断面8 m×8 m(宽×高)，尾闸运输洞也采用城门洞型，净断面7.5 m×7.5 m(宽×高)，尾闸运输洞连接至进厂交通洞时形成非对称人字形岔洞，夹角60°，原设计方案衬砌厚度0.6 m，采用C25混凝土，原设计方案岔洞衬砌平面见图1，原设计方案岔洞衬砌典型剖面见图2。岔洞处因结构复杂、开挖宽度大，需深入研究[1]。采用通用ANSYS三维有限元计算软件，对岔洞衬砌结构进行建模[2-4]，针对几种不同结构设计方案进行数值分析。选取SOLID65单元划分网格，单元边长0.15 m，共划分单元214 652个，节点270 985个[5]。岔洞所处的围岩类别以Ⅲ类围岩为主，计算时选取Ⅲ类围岩参数，弹性模量取10 GPa，泊松比取0.28。由于地下交通隧洞岔洞所受荷载类型较少，计算中仅考虑控制工况，即运行期持久工况，考虑衬砌自重、围岩压力和外水压力[6-7]。

2 原设计方案结构分析

原设计方案岔洞衬砌第一主应力S1云图及总位移USUM云图如图3，从计算结果云图分析，岔洞衬砌在自重、围岩压力和外水压力联合作用下，第一主应力较大的区域主要出现在顶拱中心部位内表面，顶拱拱脚部位外表面，顶拱中心部位内表面第一主应力的最大值为14.34 MPa；总位移较大的区域主要出现在顶拱中心部位，最大值为29.62 mm。拉应力最大值远大于混凝土抗拉强度设计值，通过应力图形法配筋，衬砌单侧需要HRB400钢筋双层Ø36@200，在厚度0.6 m的衬砌中需要配置4层钢筋，钢筋间距过小，与混凝土的握裹力难以保证，同时配筋率过大容易发生混凝土压碎先于钢筋屈服的脆性破坏，混凝土难以振捣密实的情况，方案不可行。

图1 原设计方案岔洞衬砌平面图单位：cm

图2 原设计方案岔洞衬砌典型剖面图单位：cm

图3 原设计方案岔洞衬砌计算结果云图

分析岔洞结构本身，顶拱衬砌可以看做支撑在边墙衬砌上部，由于自身跨度大、衬砌薄，顶拱衬砌刚度很小，在外界竖向荷载作用下，结构产生较大的竖向变形，从而引起了较大的第一主应力。因此，新增各设计方案务必能够增加顶拱结构刚度，减小第一主应力，控制配筋率在合理范围。

3 各设计方案结构分析

为了能够增加岔洞顶拱衬砌结构刚度，提出局部加钢梁、局部加钢筋混凝土梁、局部加厚衬砌和整体加厚衬砌等设计方案，各设计方案措施见表1，各设计方案有限元模型见图4，第一主应力S1云图见图5，总位移USUM云图见图6，顶拱第一主应力及总位移值汇总见表2。

表1 各设计方案措施表

表2 各设计方案顶拱第一主应力及总位移汇总表

从各设计方案计算结果看，通过增加各种措施，岔洞顶拱中心部位第一主应力及总位移均有不同程度的减小，说明通过增加岔洞顶拱刚度的思路可行。

对比原设计方案与方案1，增加钢梁使得钢梁与钢筋混凝土衬砌联合受力，形成型钢混凝土组合结构。但从计算结果看，岔洞顶拱刚度提高甚微，主要是因为钢梁截面小、间距大，对组合结构刚度贡献不大。对比原设计方案与方案2，顶拱局部增加高度1.2 m(两倍衬砌厚度)的钢筋混凝土梁，抗弯刚度得到提高，岔洞顶拱刚度提高效果较方案1大幅增加。对比原设计方案与方案3，顶拱局部衬砌厚度增加到1.2 m，抗弯刚度得到提高，岔洞顶拱刚度提高效果较方案1大幅增加。对比方案2与方案3，顶拱局部整体性提高，整体刚度各向分配均匀，方案3刚度提高效果较方案2有所增加。对比原设计方案、方案4和方案5，岔洞衬砌整体厚度增加，抗弯刚度得到提高，岔洞顶拱刚度提高效果随着衬砌厚度的增加而提高。对比方案3与方案5，方案3为顶拱局部衬砌厚度增加到1.2 m，而方案5为岔洞衬砌整体厚度增加到1.0 m；单从截面抗弯刚度分析，方案3比方案5截面高度多了0.2 m，抗弯刚度更大，岔洞顶拱刚度提高效果应该更优，而结果却相反，分析原因在于方案5与方案3相比，增加了3个端部跨度较小洞断衬砌厚度，对中部跨度较大洞段衬砌有支撑约束作用，整体刚度大，刚度分布更均匀，与岔洞空间受力状态跟贴近，传力路径更优；从整体混凝土用量上看，方案3混凝土用量885 m3，方案5混凝土用量1 190 m3，方案3较为节省，但考虑到方案3衬砌局部加厚处，衬砌内部应对应力集中需采取构造配筋措施、局部体型变化混凝土浇筑不易密实、局部围岩临空面增加导致不稳定楔形体增加等不利影响，从施工便利性、施工质量和施工安全方面考虑，方案5较优。