水工隧洞衬砌底板缺陷诱因及其对结构安全的影响分析

2023-12-15马芳平陈英黄会宝高志良彭涛谢辉

科学技术与工程 2023年33期

马芳平, 陈英, 黄会宝, 高志良, 彭涛, 谢辉

(1.国能大渡河流域水电开发有限公司, 成都 610041; 2. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084;3. 四川水发勘测设计研究有限公司, 成都 610015; 4. 清华四川能源互联网研究院, 成都 610071)

中国是水利水电大国,已建水电工程9.8万座,装机容量达3.5亿kW,稳居世界第一,南水北调、锦屏二级等大型国家战略工程极大地支撑了社会经济发展[1]。作为重大水利水电工程关键构筑物的水工隧洞,其结构安全稳定直接关系着水资源优化调度、能源电力生产等综合效益的正常发挥。水工隧洞常具有洞径大、高水压、结构形式多样等特点,在长年周期性运行过程中会出现冲坑、裂缝、磨损、掉块等典型缺陷,极大影响工程安全[2]。众多学者对水工隧洞缺陷检测及结构安全进行了深入分析,陆丽丽[3]系统分析了隧洞衬砌缺陷的种类及产生原因,在此基础上建立了寒区引水隧洞衬砌结构安全的评价指标。金鑫[4]研究了隧洞发生缺陷的机理,并提出了针对性的防治措施。王石磊等[5]对铁路隧道开展了缺陷检测与分析,为衬砌缺陷治理提供了技术和方法支撑。对于水工隧洞的结构安全性分析,通常以监测仪器和人工巡查所获取的结果,并结合勘测、施工资料,以各类规范为准则,判断隧洞结构是否满足要求。刘颖才[6]采用荷载结构法与地层结构法对衬砌缺陷的断面进行安全性计算,并评估由施工缺陷引起的衬砌不足对隧道的危害影响。郑艾辰等[7]采用室内试验与仿真模拟的结合方法,通过隧道空洞数量、位置和尺寸的变化,研究空洞对衬砌结构的安全性影响。项一恒[8]基于模型试验和数值模拟的方法,分析了隧道拱顶的脱空与衬砌欠厚的影响。李彬等[9]基于荷载结构法分析了运营期公路隧道缺陷对衬砌结构的安全性影响,得出衬砌厚度不足导致结构截面刚度的降低,安全性的下降等结论。相关成果主要聚焦于公路和铁路隧道的研究,而水工隧洞受内外水压及运行期水流冲刷的影响,其破坏形式与荷载分布更为复杂[10-11],有必要对运行期水工隧洞的缺陷进行深入分析与探讨。

现以深溪沟水电站有压隧洞为工程案例,结合工程检修中衬砌表观缺陷的检测成果,从水力学角度分析衬砌底板冲坑产生的原因,并探讨衬砌结构的安全特征与冲坑深度的关系,分别考虑运行与检修条件下内外水压力的影响,分析不同冲坑深度对衬砌结构内力的影响,并对结构安全进行验算,相关成果可对工程运行与加固处理提供数据支撑,计算与研究方法也可为水工隧洞运行期结构安全分析提供参考。

1 工程背景

深溪沟水电站位于大渡河中游汉源县和甘洛县接壤处,为大渡河流域梯级规划的第18级电站,电站装机容量600 MW,年发电量32.25亿kW·h。电站位置及布置图如图1所示。

图1 深溪沟水电站有压隧洞布置图Fig.1 Layout of Shenxigou hydropower spillway tunnel

该电站共布置两条有压隧洞,隧洞由塔式进水口、洞身和出口段组成。两条隧洞的泄流量为4 258 m3/s。隧洞进口闸室段长20 m,出口段由闸室和扩散段组成,闸室长40 m。两洞平行布置,洞轴线中心距56.0 m,1#、2#隧洞分别长1 350.07 m和1 493.54 m,采用城门洞形断面,净高18 m,宽15.5 m。纵向方面,进口底板标高616.0 m,出口底板标高614.0 m,坡降2 m,两条隧洞整体纵坡较小,底坡分别为i=0.148%和i=0.134%。

深溪沟两条隧洞受高速水流的长期冲刷,洞内衬砌表面磨损情况较严重,主要是两侧边墙与底板间存在磨损、冲坑、麻面、空洞等缺陷类型,根据现场安全检测发现,底板混凝土存在不同程度的磨损,局部存在较大的冲坑,其中冲坑面积达到10 m2左右,冲坑深度为0.1～0.3 m,如图2所示。为分析洞内冲坑产生的原因以及冲坑对结构安全的影响,分别开展了隧洞水力学与结构安全数值模拟。

图2 隧洞内冲坑图片Fig.2 Picture of scour hole in spillway tunnel

2 隧洞水力学计算分析

2.1 模型建立及网格划分

根据深溪沟水电站2#有压隧洞的设计图纸,采用CATIA软件进行3D建模。由于计算中采用标准壁面函数,因此选择将无量纲数y+控制为50以保证充分捕捉紊流特征,此时计算可得最小网格尺寸应为0.05 m。按照此尺寸使用ICEM软件进行隧洞网格划分并对隧洞壁面附近网格进行加密,网格划分结果如图3所示。

图3 模型及网格划分Fig.3 Model and grid division

隧洞壁面附近网格最小尺寸为0.05 m,最大网格尺寸为0.5 m,考虑到计算效率的影响,隧洞中心以及水库等部分网格尺寸设置为1 m,最终总网格数为200万左右。

根据《四川省大渡河深溪沟水电站竣工安全鉴定设计自检报告》中的结果,当库水位为正常蓄水位660 m时,2#隧洞泄流量约为2 228.3 m3/s,本次数值模型计算结果出口泄流量为2 307.5 m3/s,相对误差为3.6%,与模型实验结果吻合较好,表明数值模型计算结果可以较为准确地反映真实流动的情况。

2.2 截面水力特征分析

数值模拟计算得到的隧洞整体流场分布如图4、图5所示,在水库水位为正常蓄水位的运行工况下,2#隧洞为全满流有压状态运行,隧洞内流速的纵截面分布情况表明,洞内水流从水库进入隧洞后在过渡段流速逐渐增加,而在断面形状不变的隧洞段基本保持稳定,最大流速为19.3 m/s。

图4 隧洞纵截面流速分布Fig.4 Velocity distribution of tunnel longitudinal section

图5 隧洞横截面流速分布Fig.5 Pressure distribution of tunnel cross-section

隧洞横截面压强分布如图6所示。隧洞横截面上,水压分布整体上呈现出从上到下逐渐增加的趋势,隧洞拱顶处压强最小,而隧洞底板处压强最大。

图6 隧洞横截面压强分布Fig.6 Pressure distribution of tunnel cross-section

隧洞横截面紊动能分布如图7所示。从隧洞横截面的流速及紊动能分布来看,隧洞洞壁附近的流速虽然较小,但受壁面边界影响,紊流强度显著高于中心线附近部位,尤其是拱顶、侧壁以及底板部位,而中心线附近水流比较稳定,紊动能非常小。

图7 隧洞横截面紊动能分布Fig.7 Turbulent kinetic energy distribution in tunnel cross-section

综上所述,隧洞洞壁附近的水流紊动程度较高,其中底板附近流速与紊动能均较大,在运行过程中受到的水流作用最强,因此也最容易产生破坏。当水流中有泥沙杂质时,底板处受冲刷磨蚀影响也是最严重的;而边墙的水压较小,受高速水流影响产生破坏的可能性也比较低;顶拱处尽管水流紊动也比较强烈,但压强小,因此相较于底板与边墙最不易受到破坏。

3 结构安全分析

当隧洞衬砌存在磨损冲坑后,原有衬砌结构尺寸不足,这些结构缺陷对隧洞的安全运行影响较大,衬砌冲坑存在使结构刚度发生改变,可能导致衬砌结构变形增大,围岩抗力大小和分布规律发生变化,衬砌结构承载状态和结构安全系数也可能改变。因此,需要通过深入分析来确定冲坑对结构安全的影响。

3.1 建模方法及模拟工况

一般来讲,衬砌结构的安全特征与冲坑的范围、深度有较大关系。为模拟冲坑产生后衬砌变薄对结构安全的影响,采用Midas GTS NX 有限元软件进行分析,并结合荷载结构法计算理论,选取典型隧洞断面及冲坑深度模拟分析。衬砌按照梁单元考虑,地层反力采用曲面弹簧模拟,并仅考虑弹簧受压。根据施工及勘察资料揭示1#隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占总长77.77%,Ⅳ类占22.23%;2#隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占总长92.06%,Ⅳ类占7.94%,围岩类别偏好。洞身段水平埋深50～200 m不等,上覆岩层以白云岩、白云质灰岩为主,沿线无大的断层破碎带。计算参数根据工程资料,Ⅲ类围岩主要为白云岩。洞身段除边墙1.0 m以下以及底板表面0.4 m厚采用HF C40抗冲磨混凝土,其余部位均采用C30混凝土,计算统一按C30混凝土考虑,主要参数如表1所示。

表1 材料主要参数表Table 1 List of main parameters of materials

由于隧洞围岩整体地质条件较好,且运行已超过10年,此处主要考虑运行工况和检修工况的内外水压对衬砌结构的作用力。

(1)运行工况。在运行阶段,隧洞以内水压力控制,各个断面内水压力水头以51 m(衬砌后底板以上水头)计算,在计算内水压力作用时不同时考虑外水压力作用。

(2)检修工况。在检修阶段,隧洞以外水压力控制,各断面的外水压力水头为 47 m,外水压力折减系数为0.4,在计算外水压力作用时不同时考虑内水压力作用。

Ⅲ类围岩的衬砌设计厚度为1.2 m,根据现检测的冲坑深度,开展底板有冲坑和无冲坑的衬砌结构内力分析,冲坑统一按4.8 m长考虑。分别模拟衬砌厚度分别减少0.2、0.4、0.6 m及衬砌厚度不变等情况,如表2所示。衬砌梁单元结构模型如图8所示。

表2 衬砌底板不同冲坑深度模拟Table 2 Simulation of different scour hole depths of lining bottom plate

图8 衬砌梁单元结构模型Fig.8 Structural model of lining beam element

3.2 模拟结果

运行工况下,开展底板不同深度冲坑形成后在内水压力作用下的数值模拟,其中无冲坑及冲坑深度为0.6 m条件下的模拟结果如图9所示。可以发现,当底板衬砌结构完整时,结构内力完全对称分布。当底板衬砌结构出现冲坑后,结构内力分布发生变化。随着冲坑深度由0 m增加到0.6 m,底板和边墙的弯矩逐渐表现出明显的非对称特征,右边墙弯矩逐渐增加,左边墙弯矩逐渐减小,底板冲坑附近出现明显的弯矩骤减,而底板另一侧弯矩增大,但顶拱的弯矩值受底板冲坑影响较小。通过轴力图和剪力图对比可以发现,底板出现冲坑后,轴力与剪力的对称性相对较好,各位置的数值变化相对较小。

图9 运行工况下不同冲坑深度的内力结果Fig.9 Internal force results of different scour hole depths under operating conditions

可见,冲坑形成后对结构弯矩分布产生显著影响,对剪力、轴力的对称性和数值影响都较小。由于冲刷部分截面厚度变薄,结构为保持变形协调, 因而会出现底板冲坑附近弯矩减小的现象,但截面变薄后抗弯刚度明显减小,直接影响结构的抗弯承载力,因此需对冲刷截面的承载力进行复核验算。

检修工况下,开展底板不同深度冲坑形成后在外水压力作用下的数值模拟,其中无冲坑及冲坑深度为0.6 m条件下的模拟结果如图10所示。可以发现,当底板未受到冲刷破坏时,内力也呈现完全对称分布,当底板出现较大冲坑时,边墙的弯矩对称性变差,右边墙弯矩略大于左边墙,底板弯矩值有一定增大,顶拱的弯矩没有显著的变化。通过轴力图和剪力图对比可以发现,当底板出现冲坑后,虽内力数值略有增加,但各位置的轴力和剪力对称性依然较好。

对比运行工况和检修工况可知,截面底板局部冲刷仅对运行工况下的弯矩分布产生显著影响,而对检修工况下内力分布及数值影响均较小,从弯矩图对比可以发现,运行工况下底板内侧受拉弯矩分布变化明显且冲刷处骤降,检修工况下底板外侧受拉弯矩分布影响很小且冲刷处弯矩分布连续。

3.3 结构安全分析

运行工况下,衬砌结构受内水压力控制,底板和边墙内侧存在较大的拉应力,而冲刷也产生于底板内侧,冲坑较深时内侧钢筋出露失效,截面内侧抗弯刚度急剧减小。检修工况下,衬砌结构受外水压力控制,底板外侧受拉弯矩未发生明显改变,且外侧结构完好,衬砌混凝土与钢筋联合抗弯,截面刚度虽有减小,但截面外侧抗弯刚度仍有较大保留。因此,在结构安全分析时,主要验算运行工况下结构受冲刷后截面承载能力。

根据截面模拟冲坑深度分布以及钢筋混凝土作用原理,承载力验算中,底板未冲刷时,其内侧受力按照钢筋混凝土结构考虑;当底板冲刷深度超过保护层厚度导致钢筋裸露时,结构按照素混凝土进行承载能力验算。参照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[7]要求,混凝土抗弯构件的抗弯承载力应符合规定为

M≤γfctW

(1)

式(1)中:M为弯矩设计值,kN·m;γ为截面抵抗矩塑性影响系数;fct为混凝土轴心抗拉强度设计值,按混凝土轴心抗拉强度设计值ft值乘以系数0.55取用;W为截面受拉边缘的弹性抵抗矩。

对于矩形截面,W计算公式为

(2)

式(2)中:b为截面宽度;h为截面高度。

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010),矩形截面抵抗矩塑性影响系数取1.55,C30混凝土的抗拉强度设计值ft为1.43 MPa,C40混凝土的抗拉强度设计值ft为1.71 MPa。根据以上参数计算不同冲刷深度条件下隧洞底板的抗弯承载力,并与数值模拟计算的截面弯矩进行校验,得到隧洞底板内侧冲刷段截面承载力验算成果如表3所示。

表3 衬砌底板内侧冲刷段截面承载力验算Table 3 Checking calculation of bearing capacity of scouring section inside lining bottom plate

通过表3中数据对比可以发现,当底板未出现冲坑时,冲刷段内底板弯矩计算值较大,但远小于钢筋混凝土结构弯矩设计值,截面承载力满足要求。当底板出现0.2 m冲坑时,冲刷段内弯矩计算最大值远小于冲刷前断面值,考虑钢筋失效后底板内侧素混凝土抗弯承载力尚能满足要求,衬砌结构保持安全,但冗余值较低。当底板冲坑深度达到0.4～0.6 m时,弯矩设计值明显小于计算值,冲刷段截面内侧抗弯承载力不满足要求。可以发现,随着底板冲坑深度逐渐变大,截面冲刷变薄后抗弯刚度降低显著,抵抗外部荷载能力整体降低,结构整体破坏风险增大。

为进一步验证结果,采用近三年隧洞冲坑附近的钢筋计R2、R3、R4监测数据进行对比分析,监测成果如图11所示,其中钢筋应力受拉为负,受压为正。可见,钢筋计R2、R3测值变化较大,钢筋拉应力呈现显著增高,而钢筋计R11的测值稳定保持在0 MPa。因此,可以判断,当衬砌结构出现冲坑破损时,钢筋虽未完全失效,但受力明显增加。

此外,随着结构受冲刷深度加大,钢筋出露、锈蚀、失效以及高速水流对冲坑的进一步冲蚀等作用,可能导致底板冲刷部位冲坑深度和长度的进一步加大,对于结构的安全稳定存在较大威胁。因此,建议针对底板受冲刷段及早进行加固处理,防止水流及外部荷载等作用对结构的进一步破坏。