EPC項(xiàng)目引水隧洞襯砌之鋼筋的設(shè)計(jì)優(yōu)化

林 曉 旭, 夏 維 學(xué)

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上,系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級”中的第五個(gè)梯級,采用引水式開發(fā),上游與俄公堡電站銜接,下游與立洲電站相連。電站裝機(jī)容量為4×43 MW,正常蓄水位高程為2 215.00 m,水庫總庫容為48.4 萬m3,利用落差127 m,具有日調(diào)節(jié)能力。工程的主要任務(wù)為發(fā)電,兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求。電站多年平均年發(fā)電量,單獨(dú)運(yùn)用時(shí)為6.856億kW·h,聯(lián)合運(yùn)用時(shí)為7 387億kW·h。工程靜態(tài)總投資為18.92億元,總投資為21.60億元。

工程樞紐由攔河閘壩、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道、地面發(fā)電廠房組成。閘壩軸線位于小溝河溝口下游 400 m處,從右至左依次為右岸連接壩、泄洪閘、沖沙閘、左岸連接壩和進(jìn)水口。

引水隧洞布置在木里河右岸,全長11.036 km,平面上共設(shè)置5個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn),除第一個(gè)拐點(diǎn)轉(zhuǎn)彎半徑為150 m外,其他拐點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑均為300 m。進(jìn)口底板高程以及調(diào)壓井底板高程均與初設(shè)階段一致,分別為2 198.00 m和2 175.00 m,縱坡i=2.086 9‰。

引水隧洞的開挖與襯砌均為馬蹄型,過流斷面的尺寸為 6.1 m×7.8 m(底寬×高)[1],并根據(jù)不同圍巖類別(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類)[2]采用不同的支護(hù)形式。

2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前的施工方案

原設(shè)計(jì)方案:引水隧洞K0+006.5～K11+036.119范圍內(nèi)不同圍巖的鋼筋布置情況為:

(1) Ⅲ類圍巖(單層鋼筋):K0+006.5～K5+500段的分布筋布置為C12@25 cm,主筋布置為C20@20 cm,每延米鋼筋單耗為0.47 t;K5+500～K11+036段的分布筋布置為C16@25 cm,主筋布置為C22@16.7 cm,每延米鋼筋單耗為0.71 t。

(2) Ⅳ類圍巖(雙層鋼筋):K0+006.5～K1+400段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)均為C16@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)C20@20 cm,外環(huán)C16@20 cm,每延米鋼筋單耗為0.95 t;K1+400～K3+500段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)均為C16@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)C22@20 cm,外環(huán)C20@20 cm,每延米鋼筋單耗為1.16 t;K3+500～K5+550段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)均為C18@25 cm,內(nèi)環(huán)頂拱及外環(huán)均設(shè)置C22@16.7 cm主筋,內(nèi)環(huán)底板設(shè)置C28@16.7 cm主筋,每延米鋼筋單耗為1.5 t;K5+550～K7+600段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)均為C18@25 cm,主筋設(shè)置為內(nèi)環(huán)C18@16.7 cm,外環(huán)C25@16.7 cm,每延米鋼筋單耗為2.02 t;K7+760～K9+700段的內(nèi)外環(huán)設(shè)置的分布筋均為C20@25 cm,主筋設(shè)置為內(nèi)環(huán)C18@14.3 cm,外環(huán)C25@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為2.39 t;K9+760～K11+036段的內(nèi)外環(huán)設(shè)置的分布筋均為C20@25 cm,內(nèi)環(huán)設(shè)置的主筋為C18@12.5 cm,外環(huán)設(shè)置的主筋為C25@12.5 cm,每延米鋼筋單耗為2.66 t。

(3) Ⅴ類圍巖(雙層鋼筋):K0+006.5～K1+400段分布筋的設(shè)置內(nèi)外環(huán)均為C16@25 cm,主筋設(shè)置為C22@20 cm,每延米鋼筋單耗1.26 t;K1+400～K3+500段分布筋的設(shè)置內(nèi)外環(huán)均為C16@25 cm,主筋設(shè)置為C25@20 cm,每延米鋼筋單耗為1.54 t;K3+500～K5+550段分布筋的設(shè)置內(nèi)外環(huán)均為C20@25 cm,主筋設(shè)置為C25@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為2.21 t;K5+550～K7+600段分布筋的設(shè)置內(nèi)外環(huán)均為C20@25 cm,主筋設(shè)置為C28@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為2.74 t;K7+760～K9+700段分布筋的設(shè)置內(nèi)外環(huán)均為C25@25 cm,主筋設(shè)置為C32@14.3 cm,每延米鋼筋單耗為3.73 t;K9+760～K11+036段分布筋的設(shè)置內(nèi)外環(huán)均為C25@25 cm,主筋設(shè)置為C32@12.5 cm,每延米鋼筋單耗為4.13 t。

原設(shè)計(jì)報(bào)告中的襯砌配筋方案于2018年11月2日上報(bào),并于2018年11月30日經(jīng)監(jiān)理工程師審批執(zhí)行。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的原因及過程

3.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的原因

(1)由于原設(shè)計(jì)方案中的襯砌配筋未將初期支護(hù)作用效果與永久襯砌作用聯(lián)合統(tǒng)一考慮,而是按照水頭壓力的大小及圍巖類別不同計(jì)算配筋的。

(2)由于所揭示的地質(zhì)條件較招投標(biāo)階段發(fā)生了較大變化,若按照原設(shè)計(jì)方案實(shí)施,其實(shí)施工程量較清單工程量將增加1 672.333 t,并在施工成本增大的同時(shí)施工工期將延長,不利于固增水電站發(fā)電目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

(3)通過設(shè)計(jì)優(yōu)化變更,可以將鋼筋斷面減小,在長引水隧洞施工中可以減小施工難度,提高施工效率,節(jié)省工期。

3.2 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化過程

2019年7月初,項(xiàng)目部進(jìn)行了內(nèi)部方案討論,并對引水隧洞洞內(nèi)襯砌鋼筋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,提出了優(yōu)化建議;2019年7月16日,業(yè)主單位、監(jiān)理單位同意施工單位提出的鋼筋設(shè)計(jì)優(yōu)化建議,同意進(jìn)行進(jìn)一步研究并簽署了現(xiàn)場備忘錄;項(xiàng)目部于2019年9月委托河海大學(xué)開展了襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值分析工作并出具了相關(guān)成果;然后由水電七局組織外部專家并邀請項(xiàng)目業(yè)主單位、監(jiān)理單位等各參建方共同對河海大學(xué)提供的計(jì)算成果進(jìn)行了評審驗(yàn)收。評審會(huì)委員一致認(rèn)為該科研成果與固增水電站引水隧洞開挖支護(hù)施工的實(shí)施情況緊密結(jié)合,可以作為引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋優(yōu)化的重要技術(shù)支撐。2020 年 9 月 13 日,業(yè)主與監(jiān)理單位同意按科研成果報(bào)告進(jìn)行引水隧洞襯砌配筋的優(yōu)化調(diào)整。

4 圍巖穩(wěn)定性的研究與分析

(1)項(xiàng)目承包部針對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的整體穩(wěn)定性開展了分析研究,建立了二維模型和三維數(shù)值模型。計(jì)算了考慮初期支護(hù)(噴錨支護(hù)[4]、工字鋼支護(hù))與不考慮初期支護(hù)情況下不同圍巖類別不同工況下典型斷面的洞室圍巖穩(wěn)定性,分析了永久襯砌、初期支護(hù)及圍巖聯(lián)合受力時(shí)不同工況下的應(yīng)力[5]狀態(tài)與變形情況,根據(jù)襯砌的應(yīng)力計(jì)算成果開展了相應(yīng)的配筋及裂縫寬度計(jì)算。

(2)針對不良地質(zhì)洞段,選取斷層所處斷面作為典型截面進(jìn)行建模分析,計(jì)算了不考慮初期支護(hù)和考慮初期支護(hù)兩種情況下襯砌、支護(hù)及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)與變形情況,開展了該斷面襯砌結(jié)構(gòu)配筋及裂縫寬度計(jì)算。

(3)針對施工過程中出現(xiàn)的大變形洞段,選取開挖過程中變形量最大的斷面作為典型斷面,根據(jù)監(jiān)測資料反演巖體參數(shù)和初始地應(yīng)力場,并考慮到圍巖浸水后其強(qiáng)度會(huì)發(fā)生劣化的性質(zhì),開展了干燥與浸水兩種不同狀態(tài)下典型斷面圍巖的應(yīng)力、變形及塑性區(qū)范圍等計(jì)算,評價(jià)了圍巖穩(wěn)定性,提出了加強(qiáng)支護(hù)的建議;分析了支護(hù)系統(tǒng)與襯砌的受力和變形,開展了該斷面襯砌結(jié)構(gòu)配筋及裂縫寬度計(jì)算。

按照變形收斂率和塑性區(qū)開展深度的標(biāo)準(zhǔn),Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖在支護(hù)后都是穩(wěn)定的。所有斷面在各工況下的圍巖最大豎向位移均在規(guī)范允許范圍內(nèi),所受到的應(yīng)力強(qiáng)度均未超過其抗拉和抗壓強(qiáng)度,塑性區(qū)開展深度均未超出與其相對應(yīng)的錨桿長度。

按照運(yùn)行期襯砌與圍巖接觸的不良情況,將接觸層頂拱 90°范圍內(nèi)的部分單元進(jìn)行了脫空處理,計(jì)算顯示圍巖位移、圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律和大小沒有出現(xiàn)太大的改變,但襯砌結(jié)構(gòu)的受力局部明顯增加。經(jīng)對比是否施加初期支護(hù)時(shí)圍巖穩(wěn)定計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)值結(jié)果可以看出:施加初期支護(hù)能夠有效改善圍巖的變形和受力情況,控制塑性區(qū)開展范圍,提高圍巖的穩(wěn)定性。例如破碎帶部位未施加初期支護(hù)時(shí)其圍巖變形和應(yīng)力均較大,圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);采取加強(qiáng)支護(hù)措施后,圍巖的承載能力明顯提高。計(jì)算顯示:實(shí)施支護(hù)后圍巖的最大變形和相對位移均沒有超出規(guī)范中的規(guī)定值,其應(yīng)力強(qiáng)度在抗拉和抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi),臨時(shí)支護(hù)能夠較好地改善塑性區(qū)開展范圍,在該支護(hù)體系下,圍巖穩(wěn)定性能夠滿足安全運(yùn)行要求。針對斷層部位的圍巖穩(wěn)定性,由計(jì)算結(jié)果可知:在無初期支護(hù)的情況下圍巖的豎向位移較大,所受應(yīng)力較大,塑性區(qū)開展已超過灌漿圈厚度,故必須對斷層洞段進(jìn)行支護(hù)。施加支護(hù)后,圍巖變形得到了有效控制,未超過規(guī)范允許的變形量,且其所受到的應(yīng)力強(qiáng)度均未超過其抗拉和抗壓強(qiáng)度,圍巖能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 優(yōu)化后的施工方案

2020年9月26日,總承包項(xiàng)目部正式報(bào)送了“固增水電站引水隧洞鋼筋圖”,監(jiān)理單位于2020年10月6日進(jìn)行了批復(fù):同意實(shí)施。優(yōu)化后的各類圍巖在不同水頭段的配筋情況為:

(1) Ⅲ類圍巖(單層鋼筋):漸變段末端～K3+500～K5+500段的分布筋布置為C12@25 cm,主筋布置為C20@20 cm,每延米單耗為0.47 t;K5+500～K11+036.119段的分布筋布置為C16@25 cm,主筋布置為C22@16.7 cm,每延米單耗為0.71 t。

(2) Ⅳ類圍巖(雙層鋼筋):漸變段末端～K1+400段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C12@25 cm,主筋布置為C16@20 cm,每延米單耗為0.66 t;K1+400～K3+500段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C12@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C18@20 cm,內(nèi)環(huán)底板為C20@20 cm,每延米單耗為0.8 t;K3+500～K5+500段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C12@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C20@20 cm,內(nèi)環(huán)底板為C22@20 cm,每延米單耗為0.95 t;K5+500～K7+600段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C16@25 cm,主筋布置為內(nèi)外環(huán)C22@20 cm,每延米單耗為1.23 t;K7+600～K9+700段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C16@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C22@20 cm,內(nèi)環(huán)底板為C25@20 cm,每延米單耗為1.27 t;K9+700～K11+036.119段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C16 mm@25,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C25@20 cm,內(nèi)環(huán)底板為C28@20 cm,每延米單耗為1.27 t。

(3) Ⅴ類圍巖(雙層鋼筋):漸變段末端～K1+400段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C12@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)C20@20 cm,外環(huán)C16@20 cm,每延米單耗為0.81 t;K1+400～K3+500段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C16@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C22@20 cm,內(nèi)環(huán)底板為C25@20 cm,每延米單耗為1.3 t;K3+500～K5+500段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C16@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C25@16.7 cm,內(nèi)環(huán)底板為C28@16.7 cm,每延米單耗為1.82 t;K5+500～K7+600段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C20@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C25@14.3 cm,內(nèi)環(huán)底板為C28@14.3 cm,每延米單耗為2.35 t;K7+600～K9+700段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C22@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C28@14.3 cm,內(nèi)環(huán)底板為C32@14.3 cm,每延米單耗為2.93 t;K9+700～K11+036.119段的分布筋布置為內(nèi)外環(huán)C22@25 cm,主筋布置為內(nèi)環(huán)邊墻頂拱及外環(huán)C28@14.3 cm,內(nèi)環(huán)底板為C32@14.3 cm,每延米單耗為2.95 t。

6 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后的對比情況

通過對設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后的施工方案進(jìn)行對比得知:優(yōu)化后的方案因原設(shè)計(jì)圖紙對于Ⅲ類圍巖按構(gòu)造配筋,故對其配筋未做調(diào)整,仍按原方案執(zhí)行;對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖典型洞段的鋼筋直徑、間距均進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后Ⅳ、Ⅴ類圍巖典型洞段鋼筋布置情況見表1。

表1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后Ⅳ、Ⅴ類圍巖典型洞段鋼筋布置表

新的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化了鋼筋型號,對鋼筋間排距進(jìn)行了加大,使每延米的耗筋量降低。通過對引水隧洞襯砌鋼筋的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,加快了隧洞混凝土襯砌的施工進(jìn)度,大大降低了施工成本,同時(shí),經(jīng)專家組、監(jiān)理部審查并實(shí)施的優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案的圍巖穩(wěn)定性要求滿足施工要求,工程安全得到了保證。該設(shè)計(jì)方案優(yōu)化為項(xiàng)目的整體建設(shè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也提前完成了引水隧洞的襯砌施工,為首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

7 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析

原設(shè)計(jì)方案中的襯砌鋼筋為16 770.333 t,設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后的襯砌鋼筋實(shí)施工程量為13 484.771 t,減少了3 285.562 t。

該工程采用EPC模式,通過設(shè)計(jì)方案優(yōu)化減少了實(shí)施工程量,降低了施工成本,取得直接經(jīng)濟(jì)效益約1 925.76萬元。引水隧洞襯砌鋼筋方案優(yōu)化后縮短了現(xiàn)場施工工期,使每倉鋼筋轉(zhuǎn)運(yùn)的次數(shù)減少,安裝鋼筋的工序時(shí)間縮短,優(yōu)化后的配筋經(jīng)受力驗(yàn)算得知:在引水隧洞實(shí)施及運(yùn)行階段無安全隱患,整體受控。

8 結(jié) 語

此次設(shè)計(jì)方案優(yōu)化結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際交地情況,從工期和成本的角度出發(fā),在保證圍巖穩(wěn)定和施工安全的前提下對引水隧洞的襯砌鋼筋進(jìn)行了優(yōu)化,增大了鋼筋間距,節(jié)約了鋼筋用量,優(yōu)化后的施工方案其施工工藝得到了簡化,節(jié)省了隧洞鋼筋制安的時(shí)間,減少了施工工期,創(chuàng)造出較大的經(jīng)濟(jì)效益。