楊曉娟 ， 漆文邦 ， 鄭俊 ， 李鵬 ，3

（1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；3.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

發(fā)展小水電站和地方電站事業(yè)是我國能源建設(shè)的重要組成部分[1]。全國已建成小水電站4萬多座，裝機容量達2 485萬kW，占全國水電總裝機的32.4%，年發(fā)電量達800多億kW·h，占全國水電發(fā)電總量的36.2%[2]。目前我國水電建設(shè)正處于高速發(fā)展期，可開發(fā)的大型水電工程很多已開工建設(shè)，待開發(fā)的大型水電工程越來越少，在未來一段時間內(nèi)，投資小、收益高、建設(shè)運行靈活的中小型水電站將逐步成為水電建設(shè)的主力軍。近年來，國外許多國家也非常重視中小水電站的發(fā)展，其中低水頭、長壓力引水系統(tǒng)水電站占多數(shù)。因此，對中小電站有壓隧洞的研究具有重要意義。

按照以往的設(shè)計理念，有壓隧洞斷面一般選取圓形斷面，但是中小型水電站受投資成本及施工技術(shù)等限制有時不宜選取圓形斷面，然而我國現(xiàn)行規(guī)范未明確給出非圓形有壓隧洞鋼筋混凝土襯砌的配筋計算公式，因此有壓隧洞斷面形式的選擇在中小型水電站設(shè)計中是一個難題。本文以知木林水電站有壓引水隧洞為例，通過比較選擇施工難度小、成本低、實用性強的似馬蹄形優(yōu)化斷面，結(jié)合地質(zhì)資料，利用ANSYS有限元分析軟件模擬似馬蹄形有壓隧洞的各種工況，最終得到襯砌配筋方案，可供類似工程參考。

1 工程概況[3]

知木林電站位于四川省黑水縣知木林區(qū)境內(nèi)的仁頭溝電站尾水與小黑水河交匯處下游200 m左右處，為引水式電站，主要水工建筑物有首部樞紐、有壓引水隧洞和調(diào)壓井。電站工程建設(shè)區(qū)有茂黑公路與知木林林區(qū)公路相通，距黑水縣城54 km，距成都市328 km，交通便利。有壓引水隧洞長9 808．74 m， 設(shè)計水頭 195．80 m， 設(shè)計引用流量 14．77 m3/s，裝機容量24 MW，保證出力4．008 MW，年發(fā)電量 11 508．50萬 kW·h， 年利用小時數(shù) 4 795 h，工程等別為四等小 （1）型工程，為高水頭日調(diào)節(jié)式電站。

2 隧洞斷面選擇

結(jié)合知木林水電站發(fā)電任務(wù)、實際地形地質(zhì)及水頭等條件，從工程布置、水力計算、受力情況及運行條件等方面進行技術(shù)經(jīng)濟比較后，選定有壓隧洞方案[4-5]。有壓隧洞一般采用圓形斷面，圓形斷面的水流條件和受力條件較好，襯砌受力均勻不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且計算簡單。但對于尺寸較小 (如直徑一般為3～4 m)的中小水型電站水工隧洞，圓形隧洞施工成本高，且開挖、襯砌施工困難，甚至無法實現(xiàn)。

文獻[6]指出對有壓隧洞和用掘進機或盾構(gòu)法開挖的隧洞，一般均采用圓形斷面。但在地質(zhì)條件優(yōu)良、內(nèi)水壓力不大的情況下，為了方便鉆爆施工，有壓隧洞也可采用馬蹄形，直徑為3、4 m的隧洞開挖斷面接近方圓形。文獻[7]指出，高內(nèi)、外水壓力的隧洞宜優(yōu)先選用圓形斷面；若內(nèi)、外水壓力不大，拐角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中也不大時，為便于運輸出渣，亦可采用圓拱直墻式斷面；在外水壓力較大、地質(zhì)條件較差的洞段，如Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，為了避免局部應(yīng)力集中，采用方圓形或馬蹄形斷面較好。

鑒于知木林水電站屬小型電站，長達10 km的水工隧洞施工成本占整個電站投資的比例相當大，且施工設(shè)備不齊全 （無掘進機等），施工技術(shù)水平低，為提高電站經(jīng)濟效益，選用施工成本較低且受力條件較好的非圓形斷面。該工程隧洞洞徑較小，采用水平底板與側(cè)墻直接以一定角度相接的似馬蹄形斷面更易施工，且安全穩(wěn)定能夠保證，故選用似馬蹄形斷面。似馬蹄形斷面是介于城門洞形和馬蹄形之間的斷面形式，具有過水面積較大、工程量較小、結(jié)構(gòu)受力條件較好、施工立模較方便、施工難度小和工程投資規(guī)模較小等優(yōu)點。

3 地質(zhì)分析

知木林水電站引水隧洞位于小黑水河左岸山體中，全長9 808．74 m，洞線所經(jīng)山體以中硬巖為主，屬完整性較好的薄～中厚層狀結(jié)構(gòu)巖體，洞線所經(jīng)巖層為中生界三迭系西康群上統(tǒng)侏倭組 （T3zh：淺灰色薄～中厚層狀鈣質(zhì)石英砂巖或凝灰質(zhì)砂巖，間夾深灰色、灰黑色薄～中層狀粉砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、鈣質(zhì)粉砂巖等，組成以砂巖為主的不等厚韻律式互層）和中生界三迭系西康群上統(tǒng)新都橋組 （T3x：深灰～灰黑色薄板～葉片狀粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)和少量炭質(zhì)板巖或千板巖為主，間夾少量鈣質(zhì)石英砂巖或凝灰質(zhì)砂巖。局部偶夾透鏡狀砂質(zhì)灰?guī)r)。

從巖體、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面性狀等圍巖特征分析評價，具備成洞條件。整個洞線以Ⅳ類圍巖為主，Ⅲ類、Ⅴ類圍巖次之。

地下水活動主要受構(gòu)造和裂隙發(fā)育程度、張開連通程度控制，大部分洞段洞體埋深大于100 m，裂隙微張或閉合，地下水甚微或呈無水狀態(tài)，但在洞身穿越強風化卸荷巖體、裂隙發(fā)育密集帶、小斷裂破碎帶及深切溪溝底部時，可能會出現(xiàn)股狀、線狀或集中滲流。

4 ANSY S有限元法計算隧洞襯砌配筋

從以上地質(zhì)分析可知，Ⅳ、Ⅴ類圍巖區(qū)段內(nèi)隧洞需要加強鋼筋混凝土作為二次永久支護，且襯砌除一般的構(gòu)造鋼筋外，還應(yīng)通過計算配以適量限制襯砌裂縫開度、確保襯砌完整性的鋼筋 （圍巖是內(nèi)水壓力的主要承載體）。以下具體介紹基于ANSYS有限元分析軟件計算似馬蹄形有壓隧洞鋼筋混凝土襯砌配筋，限于篇幅本文僅以Ⅴ類圍巖為例。

4.1 計算模型的建立

知木林有壓引水隧洞全程無截面漸變及大的轉(zhuǎn)彎，因此可簡化為二維計算模型。隧洞頂拱內(nèi)半徑為1．45 m，計算范圍在水平方向上取15．81 m，豎直方向上取22．12 m，CAD模型見圖1。將CAD建好的模型導入到ANSYS中，通過創(chuàng)建面、定義單元、定義材料、布爾運算、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件及初始條件等操作建立ANSYS計算模型，模型共有940個單元，1 002個節(jié)點，計算參數(shù)見表1。

4.2 計算工況

4.2.1 施工工況

施工工況主要荷載為：圍巖壓力+結(jié)構(gòu)自重+施工期外水壓力。通過查看由開挖引起的圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布，發(fā)現(xiàn)Ⅴ類圍巖產(chǎn)生了較大的應(yīng)力及位移，惡化了施工條件。因此，在施工過程中應(yīng)當特別加強Ⅴ類圍巖段的錨固和支護。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料，模擬計算得出的塑性區(qū)范圍不大，因此施工對Ⅴ類圍巖段隧洞整體穩(wěn)定性影響不大。

圖1 CAD建立的計算模型 （單位：m）

表1 計算參數(shù)

4.2.2 運行工況

運行工況主要荷載為：圍巖壓力+結(jié)構(gòu)自重+可能出現(xiàn)的最大內(nèi)水壓力。最大內(nèi)水壓力取調(diào)壓井最高涌波與隧洞末端底板高程之差，經(jīng)水力計算得到從調(diào)壓井向上游各段隧洞內(nèi)水壓力依次取53．333、47．742、 39．891、 30．592 m。

圍巖壓力也稱山巖壓力，是隧洞開挖后因圍巖變形或塌落作用在支護上的壓力。采用圍巖壓力系數(shù)法，薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力計算式采用如下公式（1）和公式（2）[8]。

式中，qv、qh分別為鉛直向及側(cè)向圍巖壓力強度，kPa；B、H分別為洞室的開挖寬度及高度，m；γR為巖石的容重，kN·m-3。

4.2.3 檢修工況

檢修工況主要荷載為：圍巖壓力+結(jié)構(gòu)自重+可能出現(xiàn)的最大外水壓力。外水壓力采用折減系數(shù)法折減得到?？紤]到地下水在滲流過程中受各種因素的影響，而襯砌又與圍巖緊貼，常將地下水位線以下的水頭乘以折減系數(shù)作為外水壓力的計算值。根據(jù)我國的工程經(jīng)驗，折減系數(shù)值一般在0．1～1．0之間，具體取值可參考地下水活動情況 （見表2）。

表2 地下水壓力折減系數(shù)β值

4.2.4 襯砌內(nèi)力分析與配筋

通過對三種工況計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在運行工況下隧洞的穩(wěn)定最為不利，故選擇運行工況為控制工況。該工況下，襯砌的最大拉應(yīng)力隨內(nèi)水壓力的增大而增大。當內(nèi)水壓力達到最大值53．333 m時，襯砌的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布見圖2。從圖2可以看出，第一主應(yīng)力的最大拉應(yīng)力為6．98 MPa，主要位于底板和側(cè)墻的交接處，由結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力集中引起；第三主應(yīng)力的最大壓應(yīng)力為1．83 MPa，小于C20混凝土的最大抗壓強度 （10 MPa）。

圖2 襯砌的主應(yīng)力分布

利用計算所得到的襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，通過ANSYS后處理技術(shù)運用高斯積分原理求得襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布[9]，從而計算得Ⅴ類圍巖段隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋量 （見表3）。

表3 Ⅴ類圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋量

5 結(jié)論

以知木林水電站引水壓力隧洞為例，分析非圓形斷面有壓隧洞較傳統(tǒng)圓形斷面有壓隧洞在中小型水電工程中應(yīng)用的優(yōu)勢，并利用ANSYS軟件進行有限元模擬，給出了非圓形斷面襯砌配筋的計算方法，基于ANSYS的配筋方法，能夠較真實地模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)及圍巖的彈性抗力，真實反映圍巖是內(nèi)水壓力的主要承載體，明確襯砌拉、壓應(yīng)力大小及分布區(qū)域，實現(xiàn)隧洞襯砌內(nèi)力計算。計算精度可靠，過程簡潔明了，能有效指導實際工程設(shè)計施工，值得借鑒。知木林水電站按照該方案施工，目前狀況良好。投產(chǎn)后運行狀況需結(jié)合監(jiān)測資料作進一步分析研究。

［1］ 黃希元，唐怡生.小型水電站機電設(shè)計手冊—金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：水利電力出版社，1991.

［2］ 陳忠良，吳娜.中小型水電站運行管理淺析［J］.河北水利，2010（8）:22.

［3］ 自貢市水利電力建筑勘測設(shè)計院.四川省阿壩州黑水縣知木林水電站初步設(shè)計調(diào)整報告［R］.2008.

［4］ 段樂齋，楊欣先，夏廣遜，等.水工隧洞和調(diào)壓室——水工隧洞部分［M］.北京：水利電力出版社，1990.

［5］ DL/T 5195—2004 水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］ 華東水利學院.水工設(shè)計手冊——水電站建筑物［M］.北京：水利電力出版社，1991.

［7］DL/T 5195—2004水工隧洞設(shè)計規(guī)范——條文說明［S］.

［8］ 林繼鏞.水工建筑物（第四版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［9］ 張全，方朝陽.基于ANSYS的水工壓力隧洞配筋計算研究［J］.水電能源科學， 2009， 27（2）:109-111.