水电站引水隧洞衬砌优化设计探讨

导语：水电站引水隧洞衬砌优化设计探讨一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要：水电站建设中，引水隧洞是工程施工的关键线路，在永久衬砌前开展优化设计研究，加快工程进度、减少工程投资具有重大意义。本电站根据现场地质设代资料和现场试验成果，对已划分的围岩类别进行复核，并进一步对隧洞围岩类别进行细分，将Ⅳ类围岩分为Ⅳ上、Ⅳ下。通过试验成果对影响围岩分摊内水压力比例的弹性抗力系数进行复核。并根据试验成果所提供的围岩参数，采用公式法进行优化设计研究，最终确定优化后的衬砌厚度和配筋面积。

关键词：隧洞；衬砌；配筋优化

1概述

某水电站位于四川省甘孜藏族自治州乡城县境内，是硕曲河干流乡城、得荣段“一库六级”梯级开发方案中的“龙头水库”电站。水电站采用混合式开发，电站装机容量205.4MW。工程规模为大(2)型工程，工程等别为Ⅱ等。截止2019年3月，引水隧洞开挖长约14.44km，占总长20.363km的71%。其中Ⅲ类围岩约占70%，Ⅳ类围岩约占15.5%，Ⅴ类围岩约占14.5%。开挖揭示隧洞围岩地质条件与可研报告预测基本一致，前段围岩好于可研预测，后段围岩较可研预测差，主要为Ⅳ类和Ⅴ类围岩，其中Ⅴ类围岩比例较预测高。本工程引水隧洞是工程的施工关键线路，在永久衬砌前开展优化设计研究[1]，加快工程进度、减少工程投资具有重大意义。本次优化重点针对IV、V类围岩进行。

2优化设计工作思路

优化工作主要从现场变形试验确定合理的围岩参数、细分围岩类别和公式法计算着手，具体如下：（1）根据现场地质设代资料和现场试验成果，对已划分的围岩类别进行复核，并进一步对隧洞围岩类别进行细分，将Ⅳ类围岩分为Ⅳ上、Ⅳ下；（2）在现场已开挖的隧洞内，针对不同的岩性、不同的围岩类别分别进行声波、变形模量实验，通过试验成果对影响围岩分摊内水压力比例的弹性抗力系数进行复核。并根据各类围岩类别复核后的弹性抗力系数，采用与之相对应的弹性抗力系数进行衬砌计算；（3）根据试验成果所提供的围岩参数，采用公式法进行优化设计计算，并最终确定优化后的衬砌厚度和配筋面积。

3工程地质和现场试验

3.1引水隧洞工程地质条件

引水线路沿线山体雄厚，谷坡陡峻，基岩大多出露，两岸自然坡度一般40～55º，局部为陡崖，沿线山顶高程多为4000～5000m。隧洞沿线物理地质现象主要表现为岩体的风化卸荷及局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地质现象不发育。河谷两岸基岩大多裸露，常形成陡崖，岩体风化较弱，一般表现为节理裂隙面的风化锈染，板岩及局部顺层挤压破碎带风化相对较强。可研与施工阶段工程地质条件复核对比发现地层岩性与可研报告基本一致;地质构造和软弱结构面，沿线未见大的断层分布，优势节理和软弱结构面特征与可研报告预测基本一致；引水隧洞地下水类型主要为基岩裂隙水；围岩类别截止2019年3月，已完成开挖引水隧洞长约14.44km，占总长20.363km的71%。已开挖洞段Ⅲ类围岩约占70%类，Ⅳ类围岩约占15.5%，Ⅴ类围岩约占14.5%。开挖揭示引水隧洞前段围岩好于可研预测，后段围岩较可研预测差，主要为Ⅳ类和Ⅴ类围岩，其中Ⅴ类围岩比例增加较多。在隧洞优化设计过程中，现场对隧洞围岩类别进行复核鉴定，将Ⅳ类围岩细分为Ⅳ上、Ⅳ下两个亚类。

3.2现场变形试验

试验采用刚性承压板法，本次变形试验加载方向均为水平方向，采用逐级一次循环法加荷。试验时对加压设备运行情况、试点周围岩体隆起或裂纹开展和变形等进行记录和描述。本次优化设计变形试验主要布置在隧洞底板侧壁，即变形试验加载方向主要为垂直层面，试验所得岩体变形模量较顺层方向加载偏小，与实际隧洞内水压力方向基本吻合，试验所得岩体变形模量数据可靠。

3.3波速-模量关系式的建立

通过现场变形试验和波速测试成果[2]，由同一位置获得的岩体波速和对应的变形模量，建立波速~变形模量关系，推算各类围岩松动圈及未扰动岩体变形模量。本次变形试验位置选在隧洞壁底板下约1m位置，根据声波试验隧洞围岩松动圈厚度以及变形试验点位岩体地质特征，并结合试验加载影响深度，综合分析认为：Ⅲ类围岩岩体松动圈厚度较小，变形试验点岩体多为未扰动岩体，变形试验所得试验结果主要反应未扰动岩体变形模量；Ⅳ类围岩松动圈范围相对较大，变形试验点岩体存在一定厚度的松动圈，变形试验所得试验结果反应了部分松动圈岩体变形模量；Ⅴ类围岩因最大松动圈达到1.8m，变形试验点岩体主要为松动圈岩体，变形试验所得试验结果主要反应松动圈岩体变形模量。用现场实测变形试验所得变形模量，以及每组变形试验对应声波孔中相应范围内的波速平均值，分别采用excel和origin软件进行数据拟合，最终确定最优的声波Vp(km/s)与变形模量E0(MPa)的拟合关系，拟合回归关系式如式（1）：（1）该拟合公式采用了大量的实测数据，相关系数R达到0.963，决定系数R2达到0.93，说明该公式合理可行。由建立的波速~模量关系式可分别对松动圈波速和未扰动围岩波速进行计算。3.4现场试验成果试验点均布置在具有代表性的各类围岩洞段，试验成果具有较好的代表性，试验数据较多，可取均值作为参数取值成果。综合前述试验成果分析整理，波速和变形模量试验取值成果Ⅲ类围岩松动圈厚度0.7mm，变形模量试验均值为6698Mpa;Ⅳ上类围岩松动圈厚度0.8mm，变形模量试验均值为2441Mpa;Ⅳ下类围岩松动圈厚度0.8mm，变形模量试验均值为1553Mpa;Ⅴ类围岩松动圈厚度1.0mm，变形模量试验均值为549Mpa。结合岩体变形和声波测试成果，考虑内水外渗可能出现的渗透破坏和对沿线道路和覆盖层边坡稳定等的影响和危害，建议水工根据隧洞内水压力、隧洞埋深、岩体渗透坡降、危害程度等各种因素进行综合分析，对特殊洞段加强衬砌和防渗设计。

4引水隧洞优化设计计算

4.1优化设计计算

综合已建工程实例，本次优化设计衬砌厚度根据地质条件和作用水头分段拟定如下：(隧)0+000～(隧)17+770km洞段的Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌厚度为40cm和60cm；(隧)17+770km至隧洞末端洞段的Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌厚度分别为50cm和70cm。根据隧洞开挖揭示的地质条件显示，本次优化设计将混合衬砌段及全衬段的界限调整为(隧)13+000，其中前段采用喷锚混凝土衬砌+钢筋混凝土衬砌的混合衬砌方式，后段采用全线钢筋混凝土衬砌型式。本次采用公式法进行优化设计计算。公式法主要研究对象为有压圆形隧洞[3]，假定围岩是均质、连续、各项同性的理想弹性体。在内水压力作用下，厚壁圆筒已开裂，筒壁不承担拉应力，只有衬砌中所配钢筋可以承担拉应力，在此条件下，根据衬砌与围岩变形一致原则，建立力的平衡方程式，并假定钢筋已达许用应力，计算出所需钢筋面积和围岩的抗力。按照结构设计基本原则[4]进行引水隧洞衬砌结构设计，计算时公式法主要考虑运行工况、施工完建工况和检修工况。下面以Ⅴ类围岩运行工况下衬砌为例，对隧洞进行配筋计算。按照规范附录中的双层筋钢筋混凝土衬砌计算，计算公式如式（2）：（2）其中：式中：P——均匀内水压力(隧洞衬砌内缘顶部的内水压力)，kN/m2；K0——围岩单位弹性抗力系数，N/cm3；Ec——混凝土弹性模量，N/mm2；Es——钢筋弹性模量，N/mm2；f——钢筋断面面积，mm2；[σs]——钢筋允许应力设计值；fy——钢筋抗拉强度设计值；r0——衬砌外缘半径，mm；ri——衬砌内缘半径，mm；rd——结构系数。引水隧洞正常水位工况Ⅴ类围岩衬砌结构实际配筋采用主要形式，最大裂缝宽度均满足0.3mm以下，衬砌厚度60mm-70mm，钢筋最大允许应力均小于222.2MPa。

4.2引水隧洞优化成果

公式法对引水隧洞进行优化衬砌时Ⅳ类围岩采用单层配筋，Ⅴ类围岩采用双层对称配筋。本次优化没考虑引水隧洞固结灌浆作用，固结灌浆作为储备考虑。引水隧洞Ⅳ上类围岩洞段优化后衬砌厚度从原本的50cm改为40cm，钢筋直径显著变细，钢筋间距基本保持不变；Ⅳ上类围岩洞段优化后衬砌厚度从原本的50cm改为40cm，钢筋直径略有变细，钢筋间距基本保持不变；Ⅴ类围岩洞段优化后衬砌厚度改为60cm和70mm，钢筋直径显著变细，钢筋间距基本保持不变。

5结论

在永久衬砌前开展优化设计研究，其主要优势在于以下几点：（1）围岩复核优化：对现场收集的地质资料进行梳理复核，对隧洞围岩进行了优化，将Ⅳ类围岩细分为两个亚类，在确保工程安全的前提下，将少部分Ⅳ类和Ⅴ类围岩分别调整为Ⅲ类和Ⅳ下类，为隧洞优化设计和试验布置提供地质资料。（2）衬砌形式优化：内水压力较大，引水隧洞布置采用绕沟方式，洪祖沟和洼龙沟浅埋段采用钢衬过沟，隧洞采用圆形断面型式，衬砌根据水头段(隧)13+000之前段采用喷锚+混凝土衬砌的混合衬砌型式[5]，(隧)13+000之后采用全线混凝土衬砌型式。（3）节省工程直接投资：优化后某水电站引水隧洞可节省钢筋3074t，节省混凝土10110m3，优化前后成果进行了直接投资分析，优化后工程直接投资节省了2891万元。通过计算表明，某水电站引水隧洞混凝土衬砌结构及钢筋配置做适当优化是必要的。

参考文献

[1]张作光.瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测及支护结构优化研究[D].四川大学.2006.

[2]吕阿谈.地质雷达在引水隧洞衬砌检测中的正演模拟研究[J].山西建筑.2021,47(12):140-142.

[3]郭巍巍，刘春锋，卫力．青山冲水库引水放空隧洞衬砌结构计算方法对比与配筋优化[J].水利水电工程设计,2020,39(01):1-3．

[4]DL/T5195-2004.水工隧洞设计规范[S].2004.

[5]陈桂友.探讨中小型水工隧洞设计与施工优化[J].建材与装饰.2020,(05)：293-294.

作者：朱李英 梁勇 单位：四川水利职业技术学院 四川省清源工程咨询有限公司