水工壓力隧洞結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算分析

周　偉，喇　路，王　健

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

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水工壓力隧洞結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算分析

周偉，喇路，王健

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

四川地區(qū)某水電站引水發(fā)電洞壓力隧洞結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算是工程的重要環(huán)節(jié)。運(yùn)用三維有限元仿真技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，選定襯砌結(jié)構(gòu)配筋的參數(shù)。實(shí)踐證明三維有限元仿真計(jì)算方法可靠工程運(yùn)行多年，隧洞襯砌監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。

隧洞；襯砌；應(yīng)力；配筋

煙崗水電站工程引水發(fā)電洞全長(zhǎng)5 840 m，縱向坡比i=3‰，設(shè)計(jì)引水流量23.6 m3/s，淺埋段隧洞內(nèi)水壓力水頭最大可達(dá)到60 m，為壓力隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的控制部位。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)各種工況下壓力隧洞結(jié)構(gòu)及配筋進(jìn)行了研究。

1　工程概況

煙崗水電站工程位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)，是雅礱江中游右岸一級(jí)支流鴨嘴河干流規(guī)劃的第二級(jí)電站。工程為Ⅲ等中型工程，其主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。工程由首部樞紐、引水建筑物和廠(chǎng)區(qū)建筑物等組成。首部樞紐工程設(shè)防烈度為Ⅶ度，相應(yīng)地震動(dòng)峰值加速度an=0.139 g。水庫(kù)正常蓄水位為3 136.5 m，水庫(kù)總庫(kù)容140萬(wàn) m3。

引水發(fā)電洞布置于鴨嘴河左岸山體內(nèi)，全長(zhǎng)5 840 m，洞進(jìn)口底板高程3 126 m，縱向坡比i=3‰，設(shè)計(jì)引水流量23.6 m3/s；發(fā)電洞末端設(shè)置調(diào)壓室，調(diào)壓室前為淺埋隧洞段(上覆巖層厚63.8～50 m)，淺埋段采用城門(mén)洞型斷面，斷面尺寸為3 m×3 m，襯砌結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1　淺埋段襯砌結(jié)構(gòu)圖

隧洞沿線(xiàn)揭示地層為志留系通化組巖層，以石英巖和二云片巖為主；其中淺埋段圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)，巖性為灰白色石英巖。隧洞開(kāi)挖后，對(duì)洞身圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿和一期鋼拱架與錨噴綜合支護(hù)；加固后，現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)編錄確定的圍巖主要地質(zhì)參數(shù)為：圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=3.0、容重γ=26.5 kN/m3、泊松比μ=0.3、單位彈力系數(shù)Ko=25 MPa/cm、縱波速度Vp=1 300 m/s。地下水位低于洞底板4 m。

經(jīng)分析，電站機(jī)組關(guān)閉時(shí)(甩負(fù)荷)，沿隧洞和壓力管道段的最高壓力線(xiàn)發(fā)生在調(diào)壓室，出現(xiàn)最高涌浪的工況，調(diào)壓井最高涌浪水位達(dá)到高程3 146.26 m，此時(shí)淺埋段隧洞內(nèi)水壓力水頭達(dá)到60 m，為壓力洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的控制部位。

2　壓力隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1計(jì)算目的、內(nèi)容

(1)隧洞開(kāi)挖作業(yè)完成后，依據(jù)施工地質(zhì)編錄揭示的洞身圍巖相關(guān)參數(shù)，確定合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

(2)當(dāng)運(yùn)行期調(diào)壓井最高涌浪水位達(dá)到高程3 146.26 m，分析淺埋段Ⅴ類(lèi)圍巖洞段砼襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況。

(3)通過(guò)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況進(jìn)行計(jì)算分析，提出相應(yīng)的配筋建議，為最終配筋方案的確定提供依據(jù)。

2.2計(jì)算工況

引水發(fā)電洞淺埋段長(zhǎng)183 m，上覆巖層厚度63.8～50.0 m；初期地勘及施工開(kāi)挖地質(zhì)編錄揭示的地下水位均低于洞底板，但考慮水庫(kù)蓄水以后，可能會(huì)使洞身地下水位有所抬升。

三維有限元計(jì)算分析時(shí)假定混凝土和圍巖材料為均質(zhì)彈性、各向同性的連續(xù)體，不考慮鋼筋和混凝土的應(yīng)力重分布；計(jì)算中未考慮隧洞一次襯砌中錨桿、鋼拱架、噴混凝土的作用，認(rèn)為隧洞經(jīng)固結(jié)灌漿后圍巖與襯砌之間結(jié)合緊密，已成為聯(lián)合受力體系；因施工開(kāi)挖作業(yè)已完成，忽略巖石構(gòu)造應(yīng)力、圍巖壓力、圍巖的彈性抗力的影響，只考慮巖體的自重應(yīng)力；假定洞段圍巖結(jié)構(gòu)完整、無(wú)斷層及不利的軟弱結(jié)構(gòu)面。

淺埋段隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要荷載及組合工況見(jiàn)表1所示。

表1　淺埋段隧洞計(jì)算工況及其組合荷載

2.3計(jì)算模型

隧洞整體模型范圍，取Ⅴ類(lèi)圍巖洞段一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)施工段(10 m長(zhǎng))，洞頂上部覆蓋巖層厚度取50 m，左右側(cè)及底部取10D(D為隧洞襯砌底寬，為4 m)，即各取40 m。

邊界約束條件為：模型的左右及上下游巖石邊界施加法向約束，底部邊界施加全約束。

整體模型單元類(lèi)型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元(solid45)，隧洞整體有限元模型單元總數(shù)54 280個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)59 661個(gè)。

網(wǎng)格劃分范圍，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格控制尺寸為0.25～0.5 m，隧洞頂部及底部巖體網(wǎng)格尺寸為0.5～5 m，網(wǎng)格以隧洞為中心逐步放大。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2所示。

a.整體模型　　b.隧洞模型

2.4計(jì)算結(jié)果

運(yùn)行期電站甩負(fù)荷時(shí)，使得洞身襯砌結(jié)構(gòu)承受最大內(nèi)水壓力；水庫(kù)蓄水后亦有可能抬升山體的地下水位，進(jìn)而增加洞身外水壓力。通過(guò)對(duì)淺埋段地下水位抬升前后及空洞運(yùn)行情況下洞身襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，各工況下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的對(duì)比分析見(jiàn)表2所示，工況3隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力、豎向位移云圖見(jiàn)圖3所示，應(yīng)力單位為MPa，位移單位為 m。

表2　跨溝段隧洞洞頂堆碴方案襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算成果對(duì)比分析

a.主拉應(yīng)力

b.主壓應(yīng)力

c.豎向位移

3　分析及配筋

3.1分析

由計(jì)算結(jié)果表2、圖3對(duì)比分析可見(jiàn)：

1)引水發(fā)電洞運(yùn)行期空洞檢修且地下水位抬高至水庫(kù)正常蓄水位情況為本隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算的控制工況，即工況3為襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的控制工況；

2)隧洞最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板內(nèi)側(cè)中部，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻內(nèi)側(cè)與底板倒角部位，頂拱中央發(fā)生最大豎向位移。

圖4　按彈性應(yīng)力圖形配筋示意圖

3.2配筋計(jì)算

依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范SL 191—2008》[2]中給出了“非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算原則”。按主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積計(jì)算鋼筋截面積As，并應(yīng)符合下式要求：

(1)

式中 K為承載力安全系數(shù)；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；T為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值(N)，T=ωb；ω為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應(yīng)力值小于0.45ft后的圖形面(N/mm)，但扣除部分的面積(如圖中的陰影部分所示)不宜超過(guò)總面積的30%，此處，ft為混凝土軸心拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；b為結(jié)構(gòu)截面寬度(mm)。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL191-2008規(guī)定的非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算原則，底板采用C25混凝土，其軸心抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值ft為1.27 MPa，故0.45 ft=0.57 MPa；混凝土結(jié)構(gòu)的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa，由各工況的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：

(1)襯砌底板的最大拉應(yīng)力值為3.34 MPa，超過(guò)C25砼構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，按彈性應(yīng)力圖形配筋計(jì)算的得底板內(nèi)、外側(cè)環(huán)向每米寬度所需配筋面積為1 283 mm2、845 mm2，即在底板內(nèi)側(cè)配置一層φ20@200(單m配筋面積為1 570 mm2)的鋼筋，在底板外側(cè)配置一層φ16@200(單m配筋面積為1 005 mm2)的鋼筋即可滿(mǎn)足要求；襯砌頂拱和側(cè)墻僅需按構(gòu)造配筋即可滿(mǎn)足要求。襯砌底板與側(cè)墻內(nèi)側(cè)倒角部位最大壓應(yīng)力值為9.22 MPa，小于C25混凝土結(jié)構(gòu)的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa，故襯砌結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

(2)采用《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL279-2002確定的常規(guī)算法，算得襯砌底板需配置雙層φ32@200(每層單m配筋面積為4 021mm2)的鋼筋。

(3)結(jié)合三維有限元仿真計(jì)算及規(guī)范算法計(jì)算結(jié)果，并參考類(lèi)似工程配筋經(jīng)驗(yàn)，最終確定本工程淺埋段襯砌主筋為配置雙層φ22@150(每層單m配筋面積為2 661 mm2)的鋼筋。

電站已并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行多年，引水發(fā)電洞身襯砌監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)洞身襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，采用規(guī)范確定的常規(guī)算法計(jì)算配筋量較為保守。隨著三維有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使得模擬分析襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況成為可能，采用隧洞開(kāi)挖過(guò)程中地質(zhì)編錄的最新參數(shù)，模擬隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況，分析其應(yīng)力分布特征，并采用彈性應(yīng)力圖形面積計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)配筋量的方法已逐漸被設(shè)計(jì)人員采納并推廣運(yùn)用。

因水電站壓力隧洞運(yùn)行工況多樣，結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜。洞身配筋的確定宜綜合分析三維有限元仿真計(jì)算結(jié)果、規(guī)范常規(guī)算法計(jì)算成果，并參考類(lèi)似工程配筋經(jīng)驗(yàn)確定最終配筋參數(shù)。該思路和方法可供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)參考。

[1]潘昌石.隧洞力學(xué)數(shù)值方法[M].北京：中國(guó)鐵道出版社.1995.

[2]SL279-2002.水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國(guó)水利部.2002.

[3]熊啟鈞.隧洞[M].北京：中國(guó)水利水電出版社.2002.

2016-05-30

周偉(1982-)，男，陜西延安人，工程師，主要從事水利水電勘察設(shè)計(jì)工作。

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