黃金坪水電站引水隧洞開(kāi)挖支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋 慧，秦永濤，牛智勇

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222）

0 引言

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫(kù)22級(jí)”的第11級(jí)電站，上接長(zhǎng)河壩梯級(jí)水電站，下游為瀘定水電站。工程場(chǎng)址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮(zhèn)上游約3.2km河段，壩址上距丹巴縣城約100km。

電站采用水庫(kù)大壩和“一站兩廠”的混合式開(kāi)發(fā)，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩，左岸岸邊溢洪道和左岸泄洪（放空）洞，右岸壩后式小廠房和左岸混合式大廠房引水發(fā)電建筑物等組成。

水庫(kù)正常蓄水位為1476.00m，水庫(kù)庫(kù)容1.28億m3，最大壩高85.5m，水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)能力。電站總裝機(jī)容量850MW，多年平均年發(fā)電量36.58億～38.61億kW·h，工程于2011年2月獲國(guó)家核準(zhǔn)開(kāi)工建設(shè)，目前已投產(chǎn)發(fā)電。

1 引水隧洞的布置

大廠房引水建筑物布置于河道左岸，采用尾部式地下廠房布置方案。引水采用“一洞一室兩機(jī)”及“單管單機(jī)”供水，尾水采用“兩機(jī)一洞” 布置。引水發(fā)電建筑物由一個(gè)電站進(jìn)水口、兩條引水隧洞、兩個(gè)上游調(diào)壓室、四條壓力管道、一個(gè)主廠房、一個(gè)主變壓器室、兩條尾水洞等組成。

引水隧洞共布置2條，洞長(zhǎng)分別為2634.17m、2680.07m，單洞設(shè)計(jì)引用流量676.20m3/s，圓形斷面，內(nèi)徑14.5m，洞內(nèi)流速4.09m/s。隧洞進(jìn)口底高程1446.00m，調(diào)壓室處隧洞底高程1441.00m，縱坡分別為0.00193、0.00190。1號(hào)引水隧洞后接1號(hào)調(diào)壓室，2號(hào)引水隧洞后接2號(hào)調(diào)壓室。隧洞平面上軸線間距為43.6m。引水隧洞進(jìn)口處最大內(nèi)水水頭為30m，隧洞末端最大內(nèi)水水頭47m，隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌。

2 引水隧洞地質(zhì)條件

引水隧洞沿線山體雄厚，地形陡峻，為高程3000～4500m高山區(qū)。洞室圍巖主要為斜長(zhǎng)花崗巖（γ02（4）），局部石英閃長(zhǎng)巖（δ02（3））。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性大斷裂，僅發(fā)育次級(jí)小斷層、巖脈接觸破碎帶及裂隙等Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面。

隧洞進(jìn)口段埋深較淺，巖體為弱風(fēng)化強(qiáng)卸荷，裂隙發(fā)育，完整性較差，圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主；大部分洞段垂直、水平埋深較大，巖體微風(fēng)化～新鮮，完整性相對(duì)較好，以Ⅲ類為主。

地下洞室圍巖物理力學(xué)指標(biāo)建議值見(jiàn)表1。

表1 地下洞室圍巖物理力學(xué)性指標(biāo)建議值表Table 1 Parameters of surrounding rockof underground cavern

3 引水隧洞開(kāi)挖支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)

引水隧洞洞身結(jié)構(gòu)尺寸較大，最大開(kāi)挖斷面直徑達(dá)17.8m，圓形斷面水力學(xué)條件及結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較優(yōu)，因此隧洞的結(jié)構(gòu)和開(kāi)挖斷面均采用圓形。

隧洞進(jìn)口段、Ⅳ、Ⅴ類圍巖及進(jìn)調(diào)壓室洞段為重點(diǎn)設(shè)計(jì)洞段。進(jìn)口段采用φ32、L=9m間距1.0m的兩排鎖口錨桿鎖口。Ⅳ、Ⅴ類圍巖局部破碎洞段采用超前導(dǎo)管結(jié)合預(yù)灌漿加I20工字鋼相結(jié)合的支撐方式，支護(hù)方式見(jiàn)圖1。

圖1 超前支護(hù)示意圖Figure 1 Advance support schematic

為充分利用巖體自身強(qiáng)度確保自穩(wěn)，開(kāi)挖過(guò)程中特別強(qiáng)調(diào)支護(hù)的及時(shí)性。要求單個(gè)作業(yè)單元開(kāi)挖完成后立即噴5cm混凝土進(jìn)行封閉，及時(shí)進(jìn)行錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土等支護(hù)作業(yè)的施工。

Ⅲ類圍巖洞段支護(hù)參數(shù)：邊頂拱240°范圍采用系統(tǒng)掛網(wǎng)錨噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)φ6.5@15cm×15cm，噴C25混凝土厚12cm，砂漿錨桿φ25、L=4.5m與φ28、L=6m梅花形交錯(cuò)布置，間排距1.5～2.0m。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖及鎖口洞段支護(hù)參數(shù)：邊頂拱270°范圍采用系統(tǒng)掛網(wǎng)錨噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)φ6.5@15 cm×15cm，噴C25混凝土厚15cm，砂漿錨桿φ28、L=6m與φ32、L=9m梅花形交錯(cuò)布置，間排距1.0～1.2m，局部不穩(wěn)定塊體錨桿加密或采用錨筋束3φ32、L=9m支護(hù)。典型斷面支護(hù)圖見(jiàn)圖2。

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖開(kāi)挖支護(hù)典型斷面示意圖Figure 2 Excavation and support typical of Ⅳ，Ⅴsurrounding rock

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引水隧洞承受的內(nèi)水壓力隨水庫(kù)水位和調(diào)壓室涌浪的變化而變化。水庫(kù)正常蓄水位1476.00m，死水位1472.00m，調(diào)壓室最高涌浪水位1488.14m，最低涌浪水位1462.96m。隧洞最大內(nèi)水壓力為0.47MPa；隧洞最小內(nèi)水壓力為0.3MPa，此時(shí)隧洞末端洞頂最小壓力水頭為12.37m，滿足規(guī)范不小于2m的要求。

引水隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類圍巖襯厚0.8m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚1.2m。進(jìn)口20m為矩形變圓形的漸變段，出口35m為圓形變矩形的漸變段，漸變段襯砌厚度1.5m。全洞段混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗?jié)B等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F50。圖3為Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)典型斷面。

圖3 Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)典型斷面示意圖Figure 3 Lining structure typical section of Ⅳ，Ⅴsurrounding rock

引水隧洞內(nèi)水壓力0.30～0.47MPa，結(jié)合不同的圍巖類別和內(nèi)水壓力，按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法厚壁圓筒作用原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)和配筋計(jì)算。計(jì)算考慮的荷載有：襯砌自重、山巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、圍巖彈性抗力及灌漿壓力等。

計(jì)算考慮三種工況：

（1）運(yùn)行工況，荷載包括內(nèi)水壓力、山巖壓力、圍巖彈性抗力、襯砌自重、外水壓力。

（2）檢修工況，荷載包括襯砌自重、山巖壓力、圍巖彈性抗力、外水壓力。

（3）施工工況，荷載包括襯砌自重、山巖壓力、灌漿壓力。

經(jīng)計(jì)算，運(yùn)行工況為控制工況。最大裂縫長(zhǎng)期組合控制在0.25mm以內(nèi)時(shí)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖環(huán)向受力筋每延米配筋面積 15432mm2、21230mm2。

考慮到隧洞斷面大，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算配筋較大，因此采用了三維有限元法進(jìn)行配筋復(fù)核計(jì)算。

由于引水隧洞無(wú)大坡降段，基本可屬于平面應(yīng)變問(wèn)題，因此典型剖面的有限元模型采用二維4節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元模擬。模型范圍為：垂直洞室方向長(zhǎng)200m，沿高程方向200m，襯砌洞室內(nèi)徑為14.5m，襯砌厚度分別為0.8m和1.2m。

為分析兩條引水隧洞在運(yùn)行期的最不利組合，計(jì)算考慮了2種組合工況。

（1）工況1：1號(hào)、2號(hào)兩條引水隧洞運(yùn)行工況最大內(nèi)水壓力。

（2）工況2：1號(hào)引水隧洞充滿水，2號(hào)引水隧洞無(wú)水。

引水隧洞Ⅴ類圍巖典型斷面有限元計(jì)算模型和工況1應(yīng)力結(jié)果參見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 Ⅴ類圍巖有限元模型Figure 4 Finite element model of Ⅴsurrounding rock

圖5 Ⅴ類圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（圍巖未顯示）Figure 5 Stress calculation results ofⅤsurrounding rock（Surrounding rock not shown）

工況1情況下，兩條引水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)在自重和內(nèi)水壓力的共同作用下，襯砌結(jié)構(gòu)主要向外變形，豎向最大變形2.74mm，出現(xiàn)在1號(hào)、2號(hào)引水隧洞底板襯砌內(nèi)側(cè)；最大水平變形量0.64mm，出現(xiàn)在1號(hào)、2號(hào)兩條引水隧洞外側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)。

混凝土最大拉應(yīng)力2.54MPa，應(yīng)力分布如圖5所示；壓應(yīng)力極值-0.014MPa出現(xiàn)在1號(hào)、2號(hào)引水隧洞頂拱襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)。兩條引水隧洞，應(yīng)力分布較為一致，其中襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)在2～2.54MPa，襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)的拉應(yīng)力在 1.85～2.3MPa。

工況2情況下，1號(hào)引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在自重和內(nèi)水壓力的共同作用下，襯砌結(jié)構(gòu)主要向外變形，豎向最大變形2.55mm，出現(xiàn)在1號(hào)引水隧洞底板襯砌內(nèi)側(cè)。2號(hào)引水隧洞受襯砌自重作用，產(chǎn)生沉降變形，最大變形控制在1.26mm以內(nèi)，出現(xiàn)在左側(cè)拱腰襯砌外側(cè)。

最大拉應(yīng)力2.43MPa，出現(xiàn)在1號(hào)引水隧洞拱底襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)。而2號(hào)引水隧洞無(wú)水，僅受襯砌自重作用影響，拉應(yīng)力都在0.058MPa范圍之內(nèi)。

本計(jì)算確定截面配筋量的方法是：將有限元分析計(jì)算得到的混凝土應(yīng)力成果，插值到計(jì)算剖面特征方向線上，繪制該特征方向線的截面應(yīng)力圖形，再根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積，確定承載力所要求的鋼筋量。

受拉鋼筋截面面積As應(yīng)滿足式（1）要求：

式中T——由荷載設(shè)計(jì)值；

Tc—— 混凝土承擔(dān)的拉力，Tc=Actb。在此，Act為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形中，拉應(yīng)力值小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft的圖形面積（圖6中的陰影部分）

As——受拉鋼筋截面面積；

fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

γd——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

混凝土承擔(dān)的拉力Tc不宜超過(guò)總拉力T的30%，當(dāng)彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度大于結(jié)構(gòu)截面高度的2/3時(shí)取Tc等于零。

結(jié)合有限元應(yīng)力計(jì)算成果，按裂縫控制在0.25mm以內(nèi)時(shí)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖環(huán)向受力筋每延米配筋面積9650mm2、14023mm2。

圖6 按彈性應(yīng)力圖形配筋Figure 6 Reinforcement according to the elastic stress

考慮到Ⅳ、Ⅴ類圍巖采取固結(jié)灌漿措施，現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，固結(jié)灌漿后經(jīng)聲波檢測(cè)，灌后波速提高12%～25%。

綜合考慮2種計(jì)算方法，最終按規(guī)范推薦的有限元法確定配筋。Ⅲ類圍巖襯厚0.8m，內(nèi)外雙層鋼筋，環(huán)向鋼筋φ25@16.7cm，縱向鋼筋φ16@20cm。Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚1.2m，內(nèi)外雙層鋼筋，環(huán)向鋼筋φ28～32@12.5～11.1cm，縱向鋼筋φ22～25@20cm。

3.3 灌漿設(shè)計(jì)

引水隧洞全洞段頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，灌漿孔徑48mm，入巖0.1m，每排4、5孔交錯(cuò)布置，排距3.0m；灌漿壓力0.2～0.3MPa。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段及進(jìn)出口漸變段全洞周進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔徑76mm，入巖8m，每排16孔，排距3.0m，排間孔位交錯(cuò)布置；固結(jié)灌漿壓力0.6～1.0MPa。對(duì)隧洞穿過(guò)的圍巖地質(zhì)條件較差的局部區(qū)域，除加強(qiáng)支護(hù)外，固結(jié)灌漿孔深加長(zhǎng)到10m。

回填灌漿及固結(jié)灌漿孔布置見(jiàn)圖3。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了黃金坪水電站引水隧洞的開(kāi)挖支護(hù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)了大跨度洞室施工期充分利用巖體自身強(qiáng)度確保自穩(wěn)，開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行噴錨等初期支護(hù)的重要性。分析研究了隧洞襯砌結(jié)構(gòu)不同工況的受力情況。結(jié)合有限元分析，對(duì)大跨度有壓隧洞的設(shè)計(jì)提出了科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的襯砌方式。

目前黃金坪水電站已順利投產(chǎn)發(fā)電，引水隧洞安全運(yùn)行。