水工隧洞衬砌结构加固方案分析

邱曾浩

(中铁水利水电规划设计集团有限公司，南昌 330029)

1 工程概况

P水电站二级压力隧洞从就近大坝取水后输水至电站调压井，隧洞起点和终点底面高程分别为945.6m和776.4m，隧洞全长7.8km，底部纵坡为1.8%。该水电站压力隧洞为地下钢筋混凝土衬砌结构，开挖施工必然打破原岩体结构应力平衡，使得应力重新分布，为此，必须增设支护衬砌结构。内管径5.5m，从起点起至4.5km段衬砌厚度0.3m，其余管段衬砌厚度0.35m。该水电站建成后检测结果显示，121仓段桩号5+423.80右边墙、5+434.10右边墙、5+423.90底板、5+423.00底板、5+431.20右边墙及5+423.10左边墙处混凝土实际强度分别为26.85MPa、24.71MPa、28.02MPa、20.86MPa、30.62MPa、26.68MPa，强度均值达到26.34MPa，比35MPa的设计强度值小。为此必须进行该仓段混凝土衬砌结构加固处理。

2 加固方案选择

水电站工程混凝土结构强度不足必将影响结构承载力和耐久性，引发结构裂缝。当前常见的混凝土加固技术包括综合加固法、直接加固法和间接加固法等，混凝土置换法、黏贴纤维法、锚贴钢板法、外加预应力法、钢衬加固法等均属于直接加固法。其中：①钢衬加固法是圆形水工隧洞常用的加固形式，能有效改善衬砌结构防渗能力，增强衬砌结构抵抗水压性能。该水电站水工隧洞121仓段恰好在压力隧洞末端，承受着较大的外水压力，加强钢衬和混凝土接触面之间以及钢衬起始端止水处理以防止因外水压力过大而引发钢衬失稳是衬砌结构加固的重点。②黏贴纤维法主要通过黏接剂将纤维板材牢固黏贴在衬砌构件待加强位置，对于承受静力作用的受弯拉构件加固较为适用。③增大截面法则使用与原结构相同的材料使混凝土构件截面积增大并增设配筋，提升构件刚度和承载力[1]。

考虑到钢衬生产周期较长，黏贴纤维法在水工隧洞中的应用较为少见，故该水电站二级压力水工隧洞衬砌结构加固采用增大截面法，即凿毛衬砌结构内表面，挂φ6mm@150mm×150mm网，并按照0.15m厚度喷混凝土，并确保喷涂混凝土强度达到26MPa及以上。加固方案设计图详见图1。

图1 加固方案设计图

3 加固方案计算

该水工隧洞围岩为Ⅱ类，岩石地质强度69，饱和单轴抗压强度73MPa，变形模量25Gpa，泊松比0.24，岩石质量指标77%。所使用混凝土材料抗压强度35MPa，弹性模量27608MPa；钢筋材料抗压强度420MPa，弹性模量200000MPa。水工隧洞在运行过程中为承受最大最小水位及水击压力，必须将最低和最高运行水位分别控制在954.0m和968.0m，出现水击后的涌浪水位最大值控制在988.95m。

mm

3.1 计算方法

应用ANSYS有限元软件中的平面应变模式，以水工隧洞衬砌结构为承载主体，进行隧洞衬砌结构加固方案模拟。通过弹簧COMBINE39单元进行围岩和衬砌结构相互作用过程的模拟，且在承受拉力情况下弹簧失效[2]。衬砌断面尺寸具体见图2。

图2 衬砌截面图

m

弹簧材料圆形段和直线段强度分别按照下式确定：

(1)

(2)

式中：Kn为弹簧刚度，kN/m3；Erm为围岩变形模量，kN/m2；B为弹簧材料直线段长度，m；v为泊松比；R为弹簧材料圆弧段半径，m。

3.2 荷载组合及荷载系数

按照以上衬砌结构设计以及长江勘测规划设计研究院所编写的《水工钢筋混凝土结构强度设计规范》(SL 191-2018)相关规定，所得到的水工隧洞衬砌结构有限元模型设计荷载组合和荷载系数取值具体见表1。

表1 有限元模型设计荷载组合和荷载系数

上表中衬砌结构围岩压力主要通过下式进行确定：

Pv=γDeq[(100-RMR)/100]

(3)

运行静水压力为水工隧洞正常运行状态下的内水压力与外水压力最小值之差。瞬态静水压力则是水工运行阀门骤然关闭时，遭遇水击瞬间的内水压力与最小外水压力之差，考虑到该水工隧洞调压井内涌浪水位线最高位于997.98m高程，以此为起点绘出一条连接大坝正常水位的直线，以进行隧洞超压值的确定[3]。

外部静水压力是水工隧洞处于放空状态下隧洞上所作用的外部静水压力最大值。对于荷载组合3而言，隧洞顶部所承受的水柱作用是隧洞直径长度的三倍。对于荷载组合4而言，在研究隧洞快速放空过程中截面承载能力时必须假设外水压力全部作用于混凝土-围岩界面，其取值必定与从大坝运行水位开始所量测得内水压力值相等。

结合上述分析，断面拉应力、压应力取值大小主要受荷载组合1和4控制，而荷载组合2和3均非控制工况。

3.3 衬砌结构设计

根据《水工钢筋混凝土结构强度设计规范》(SL 191-2018)设计标准进行该水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计，并应同时满足：

φMn≥Mu，φVn≥Vu，φPn≥Pu

(4)

式中：Mn为截面的抗弯强度名义值，Nm；φ为强度折减系数，根据相关规范，剪切强度、抗拉强度和抗压强度折减系数分别取0.75、0.90和0.65；Mu为抗弯强度计算值，Nm；Vn为截面的抗剪强度名义值，N；Vu为截面剪力计算值，N；Pn为截面轴向抗力强度名义值；Pu为截面轴力设计值。该水电站水工隧洞过水断面采用圆形衬砌，在遭受径向压力的情况下，内力以环向Pu形式为主，为此在衬砌结构设计中弯矩的影响可以忽略不计。

在该水工隧洞衬砌情况下轴向压缩按照以下公式确定：

fv(ρ+ρ′)bd}

(4)

为抵抗衬砌结构轴向拉伸，必须通过钢筋材料的加固吸收全部负荷，且混凝土抗拉强度应忽略不计，公式如下：

Pn=Pu/φ

(5)

Pu=0.5(σi+σ0)Ag

(6)

As=Pu/φfy

(7)

式中：σi为断面i内点应力，MPa，i=1-4；σ0为断面外点应力，MPa；As为钢筋截面面积，mm2；其余参数含义同前。

根据以上计算所得出的四个应力监测断面最大内力值进行该水工隧洞衬砌结构设计，以荷载组合1工况截面拉力最大值进行配筋面积确定，以荷载组合4工况截面压力最大值进行抗压承载力复核，具体结果详见表2。根据计算结果，在各种荷载组合下，水工隧洞衬砌结构抗力均超出作用力，符合相关规范要求。所以，该水工隧洞采用“挂φ6mm@150mm×150mm网，按照0.15m厚度喷混凝土，确保喷涂混凝土强度达到26MPa及以上”的加固方案，能保证衬砌结构安全。

表2 水工隧洞衬砌结构计算结果

4 结 论

综上所述，水工隧洞衬砌方法很多，必须结合工程实际、施工进度及施工成本控制方面的要求进行综合选用。P水电站二级压力隧洞在满足工程进度的基础上，所选用的增大截面法衬砌方法以及在凿毛衬砌结构内表面后，挂φ6mm@150mm×150mm网，并喷厚度0.15m的混凝土，保证混凝土强度至少达到26MPa的衬砌方案较为适用，在降低工程造价、简化施工过程的同时，确保了水工隧洞衬砌结构的安全与稳定。