应力-渗流耦合下衬砌天角潭引水隧洞围岩承载作用分析

甘晓洁

(海南省水利水电勘测设计研究院有限公司， 海口 570000)

1 概 述

我国抽水蓄能电站建设在早期刚起步阶段时，设计的水头比较小，大多不足100 m。近十几年来，随着我国抽水蓄能电站建设的发展，电站引水隧洞岔管P×D 值(水头×直径)越来越大，针对大直径、高水头压力隧洞，工程中主要采用钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌等结构型式[1-8]。其中，钢板衬砌虽然防渗效果较好，但存在施工、运输、焊接等困难，同时也存在造价高、易锈蚀、耐久性也难以保证等难题[9-10]。大量已建工程实践和试验表明，由于钢筋混凝土的极限抗拉能力较低，在高水头压力作用下，钢筋混凝土衬砌必然会开裂，当衬砌开裂宽度较小时，不会影响高压隧洞正常运行[11-15]；然而，当衬砌的开裂宽度过大时，隧道可能会发生严重的渗水情况，影响隧道的正常运行，甚至影响工程安全。因此，高压隧道采用钢筋混凝土衬砌结构型式设计时，需要合理限制衬砌裂缝的开裂宽度。目前，透水限裂设计已成为高压隧道衬砌的主流设计方法，被工程界广泛接受和应用。

针对高压隧洞衬砌限裂设计方法，目前对压力隧洞衬砌裂缝计算的适用性较差，所得衬砌结构内钢筋应力远小于正常设计值，导致配筋结果偏大，工程费用较高。随着工程实践认识的不断深入，虽然国内外许多学者针对压力隧洞衬砌提出了多种裂缝计算公式，对高压隧洞衬砌的限裂设计方法有了很大发展，但处于半经验半理论阶段。同时，由于高压隧洞的环境条件与工作机理复杂，衬砌产生裂缝的原因错综复杂，影响因素也较多，对高压隧洞衬砌裂缝开展规律的认识仍在探索中。因此，研究高压隧道衬砌开裂与围岩联合作用规律，对于完善高压隧道衬砌限裂设计理论，指导高压隧道衬砌的合理设计具有重要意义。

2 工程概况

天角潭坝后生态电站进水采用坝式进水口，布置在5#坝段。根据下游水生态环境要求，采用分层取水方式，采用叠梁门通仓式进口结构，进水口底坎高程为24.0 m，坝体埋管采用一机一管。根据坝后电站以及生态引水要求，布置有1.2 m内径+0.8 m内径电站引水管和0.8 m内径生态放空叉管。坝后式电站厂房布置在左河床靠左岸，厂房尺寸为37.0 m×25.68 m，安装高程为16.43 m，装机容量为1×500 kW+1×1 500 kW，总装机容量2 000 kW，由主机间、安装间及副厂房等组成。厂区地面高程21.20 m，下游校核洪水位22.78 m，厂区防洪墙墙顶24.70 m，防洪墙采用C30钢筋砼扶壁式挡墙结构。

天角潭引水隧洞布置在左岸，由挡水坝上游左侧横穿左坝肩山体至下游水电站压力钢管进口，由进口闸室段、洞身段和出口段组成。在隧洞出口接压力钢管，压力钢管采用一机一管，分设2条DN1600岔管引入渠首发电厂房，另设一条D1600旁通管，分别放水入渠首电站尾水配水池及锥形阀消能调节后归河，配水池出口连接渠首节制闸及泄水闸。引水隧洞为有压洞，洞线总长为340 m，进水口底坎高程24.0 m，洞径2.8 m。渠首电站布置在主坝下游左岸，为引水式厂房，厂房尺寸为44.80 m×24.74 m，安装高程为25.24 m。引水隧洞由进口闸室段、洞身段和出口段组成。洞线总长为340 m，其中有压隧洞身段均位于弱、微风化岩层。隧洞进出口与坡面基本正交，洞身于岩体中埋藏深为18～52 m。根据天角潭隧洞现场地质资料及相关参考资料可知，围岩类别为Ⅱ 类，其工程物理力学参数见表1。混凝土衬砌为C30混凝土，弹性模量值为30 GPa，轴心抗压设计强度17.5 MPa，抗拉设计强度1.75 MPa。

表1 围岩物理力学参数

在进行数值计算过程中，主要包括以下工况：

1) 天然状态：在隧洞埋深约500 m 情况下，并考虑自重应力以及水平主应力，模拟计算使模型达到天然初始应力状态。

2) 施工开挖：在天然状态基础上进行洞室开挖，且开挖过程采用一次性开挖模拟。

3) 洞身排水：在施工开挖的基础上，进行地下水的排放。

4) 施加支护：在开挖排水基础上，进行钢筋混凝土衬砌支护。

5) 隧洞充水：在钢筋混凝土衬砌支护基础上，对隧洞进行充水模拟，内水压力大小由2 MPa 逐步增加至8 MPa。

3 高压隧道钢筋混凝土衬砌受力敏感性研究

3.1 围岩等级的影响

在进行高压隧道衬砌设计时，由于在高内水作用下，围岩与衬砌之间会产生相互作用，围岩的强度不仅影响围岩自身的结构稳定，还会对衬砌结构产生影响。因此，取不同围岩等级参数研究其影响规律，不同围岩等级参数取值见表2。

表2 不同围岩等级参数取值

3.2 围岩等级对衬砌裂缝宽度的影响

图1为在不同围岩等级下隧洞充水过程中监测的衬砌裂缝最大宽度变化曲线图。由图1可知，随着充水压力的逐渐增大，每一类围岩等级下的衬砌裂缝最大宽度也相应增长。当围岩为 Ⅰ 类围岩时，由于围岩强度较高，衬砌裂缝的最大开度相对较小，最大宽度不超过 3 mm。随着围岩等级的提高，围岩的强度逐渐减弱，导致衬砌裂缝最大宽度大幅度变大，尤其是在 Ⅳ 类围岩情况下，衬砌裂缝最大宽度已经超过 10 mm。

图1 不同围岩等级下衬砌裂缝最大宽度变化曲线图

3.3 围岩等级对衬砌钢筋受力的影响

图 2为在不同围岩等级下隧洞充水过程中监测的衬砌裂缝处最大钢筋拉应力变化曲线图。由图2可知，与衬砌裂缝最大宽度规律相一致，随着充水压力的逐渐增大，每一类围岩等级下的衬砌裂缝处最大钢筋拉应力也相应增长。当围岩为 Ⅰ 类围岩时，最大钢筋拉应力不超过 120 MPa。随着围岩等级的提高，最大钢筋拉应力也相应大幅度提高，在Ⅳ类围岩情况下，最大钢筋拉应力接近240 MPa。

图2 不同围岩等级下最大钢筋拉应力变化曲线图

4 单双层钢筋的影响

在实际工程中，在进行高压隧洞衬砌设计时，采用钢筋混凝土衬砌较素混凝土衬砌能够更有效地限制衬砌开裂。因此，在采用钢筋混凝土衬砌情况下，分别模拟单层钢筋与双层钢筋以探究其影响规律(不考虑钢筋成本情况下))，单双层钢筋模型见图3。模拟过程采用 cable 结构单元模拟钢筋的受力特性，其参数取值见表3。

图3 单双层钢筋模型图

表3 钢筋参数取值

4.1 单双层钢筋对衬砌裂缝宽度的影响

图4为单双层钢筋下隧洞充水过程中监测的衬砌裂缝最大宽度变化曲线图。由图4可知，随着充水压力的逐渐增大，单双层钢筋下的衬砌裂缝最大宽度均相应增长。通过对比可发现，在每级充水压力条件下，单层钢筋情况下的衬砌裂缝均大于双层钢筋时的衬砌裂缝，因此采用双层钢筋一定程度上较单层钢筋能够更有效地限制裂缝张开。

图4 单双层钢筋下衬砌裂缝最大宽度变化曲线图

4.2 单双层钢筋对衬砌钢筋受力的影响

图5为在单双层钢筋下隧洞充水过程中监测的衬砌裂缝处最大钢筋拉应力变化曲线图。由图5可知，随着充水压力的逐渐增大，单双层钢筋下的最大钢筋拉应力均相应增长。通过对比可发现，在每级充水压力条件下，单层钢筋情况下的最大钢筋拉应力均大于双层钢筋时的最大钢筋拉应力，当内水压力达到 8 MPa(外水压力为 7.2 MPa)时，单层钢筋情况下钢筋最大拉应力约为150 MPa。

4.3 衬砌厚度的影响

在进行高压隧洞衬砌设计时，衬砌厚度是一个重要的参数。因此，分别模拟衬砌厚度 t 为 40 cm、60 cm、80 cm 和 100 cm 不同情况下高压隧洞充水后产生的影响。图6为不同衬砌厚度情况下隧洞充水过程中监测的衬砌裂缝最大宽度变化曲线图。通过图6对比可知，在每级充水压力条件下，随着衬砌厚度的提升， 衬砌裂缝在内水作用下开裂的宽度反而降低，且4条不同变化曲线间的间隔较大， 说明衬砌厚度对衬砌裂缝的开裂程度影响较大。当内水压力达到 8 MPa(外水压力为 7.2 MPa)时，衬砌厚度为 40 cm 情况下裂缝最大宽度约为 4.3 mm，而衬砌厚度为 100 cm 情况下，裂缝最大宽度仅约为 2.3 mm，衬砌厚度增加能够大大限制裂缝张开。

图5 单双层钢筋下最大拉应力变化曲线图

图6 不同衬砌厚度情况下衬砌裂缝最大宽度变化曲线图

4.4 衬砌厚度对衬砌钢筋受力的影响

图7为不同衬砌厚度情况下隧洞充水过程中监测的最大钢筋拉应力变化曲线图。由图7可知，与衬砌裂缝宽度在不同衬砌厚度下规律相一致，在每级充水压力条件下，随着衬砌厚度的增加，衬砌裂缝处的钢筋拉应力反而降低，且4条不同变化曲线间的间隔较大，说明衬砌厚度对衬砌裂缝处的钢筋应力大小影响也较大。当内水压力达到 8 MPa(外水压力为 7.2 MPa)时，衬砌厚度为 40 cm 情况下钢筋最大拉应力约为 170 MPa，而衬砌厚度为 100 cm 情况下，最大钢筋拉应力仅约为90 MPa，衬砌厚度增加能够大大降低裂缝处钢筋轴向拉应力。

图7 不同衬砌厚度情况下最大钢筋拉应力变化曲线图

5 结 论

本文主要采用基于面力理论和体力理论相结合的简化模型模拟方法，分别模拟围岩等级参数、衬砌单双层钢筋、衬砌厚度以及隧洞的洞径大小对高压隧洞充水过程中衬砌裂缝开裂情况以及钢筋受力情况的影响。通过对比分析研究，结论如下：

1) 围岩强度等级对钢筋混凝土衬砌裂缝张开和钢筋应力均产生重要影响，且围岩等级越高，越能限制衬砌裂缝张开大小以及钢筋应力。因此，在工程实践中，尽量选择围岩等级较高的位置进行高压隧洞限裂衬砌设计，这也符合限裂衬砌设计理念。

2) 不同衬砌厚度对裂缝张开程度以及钢筋拉应力均影响较大，即衬砌越厚，衬砌整体结构强度提升越大，能够较大程度上有效限制裂缝张开并降低裂缝处钢筋拉应力大小。