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

        2019-06-13 07:20:48秦永濤牛智勇
        水電與抽水蓄能 2019年2期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)水隧洞灌漿

        宋 慧,秦永濤,牛智勇

        (中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司,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22級”的第11級電站,上接長河壩梯級水電站,下游為瀘定水電站。工程場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。

        電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發(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。

        水庫正常蓄水位為1476.00m,水庫庫容1.28億m3,最大壩高85.5m,水庫具有日調(diào)節(jié)能力。電站總裝機容量850MW,多年平均年發(fā)電量36.58億~38.61億kW·h,工程于2011年2月獲國家核準開工建設(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”及“單管單機”供水,尾水采用“兩機一洞” 布置。引水發(fā)電建筑物由一個電站進水口、兩條引水隧洞、兩個上游調(diào)壓室、四條壓力管道、一個主廠房、一個主變壓器室、兩條尾水洞等組成。

        引水隧洞共布置2條,洞長分別為2634.17m、2680.07m,單洞設(shè)計引用流量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號引水隧洞后接1號調(diào)壓室,2號引水隧洞后接2號調(diào)壓室。隧洞平面上軸線間距為43.6m。引水隧洞進口處最大內(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花崗巖(γ02(4)),局部石英閃長巖(δ02(3))。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性大斷裂,僅發(fā)育次級小斷層、巖脈接觸破碎帶及裂隙等Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面。

        隧洞進口段埋深較淺,巖體為弱風化強卸荷,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,巖體微風化~新鮮,完整性相對較好,以Ⅲ類為主。

        地下洞室圍巖物理力學指標建議值見表1。

        表1 地下洞室圍巖物理力學性指標建議值表Table 1 Parameters of surrounding rockof underground cavern

        3 引水隧洞開挖支護及結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.1 開挖支護設(shè)計

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

        隧洞進口段、Ⅳ、Ⅴ類圍巖及進調(diào)壓室洞段為重點設(shè)計洞段。進口段采用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,支護方式見圖1。

        圖1 超前支護示意圖Figure 1 Advance support schematic

        為充分利用巖體自身強度確保自穩(wěn),開挖過程中特別強調(diào)支護的及時性。要求單個作業(yè)單元開挖完成后立即噴5cm混凝土進行封閉,及時進行錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土等支護作業(yè)的施工。

        Ⅲ類圍巖洞段支護參數(shù):邊頂拱240°范圍采用系統(tǒng)掛網(wǎng)錨噴支護,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梅花形交錯布置,間排距1.5~2.0m。

        Ⅳ、Ⅴ類圍巖及鎖口洞段支護參數(shù):邊頂拱270°范圍采用系統(tǒng)掛網(wǎng)錨噴支護,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。典型斷面支護圖見圖2。

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

        3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

        引水隧洞承受的內(nèi)水壓力隨水庫水位和調(diào)壓室涌浪的變化而變化。水庫正常蓄水位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。全洞段混凝土強度等級為C25,抗?jié)B等級W6,抗凍等級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)力學方法厚壁圓筒作用原理進行結(jié)構(gòu)和配筋計算。計算考慮的荷載有: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。

        計算考慮三種工況:

        (1)運行工況,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)計算,運行工況為控制工況。最大裂縫長期組合控制在0.25mm以內(nèi)時,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)力學法計算配筋較大,因此采用了三維有限元法進行配筋復(fù)核計算。

        由于引水隧洞無大坡降段,基本可屬于平面應(yīng)變問題,因此典型剖面的有限元模型采用二維4節(jié)點等參實體單元模擬。模型范圍為:垂直洞室方向長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行期的最不利組合,計算考慮了2種組合工況。

        (1)工況1:1號、2號兩條引水隧洞運行工況最大內(nèi)水壓力。

        (2)工況2:1號引水隧洞充滿水,2號引水隧洞無水。

        引水隧洞Ⅴ類圍巖典型斷面有限元計算模型和工況1應(yīng)力結(jié)果參見圖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、2號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、2號兩條引水隧洞外側(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、2號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號引水隧洞底板襯砌內(nèi)側(cè)。2號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號引水隧洞拱底襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)。而2號引水隧洞無水,僅受襯砌自重作用影響,拉應(yīng)力都在0.058MPa范圍之內(nèi)。

        本計算確定截面配筋量的方法是:將有限元分析計算得到的混凝土應(yīng)力成果,插值到計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)計值;

        Tc—— 混凝土承擔的拉力,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度設(shè)計值ft的圖形面積(圖6中的陰影部分)

        As——受拉鋼筋截面面積;

        fy——鋼筋抗拉強度設(shè)計值;

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

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

        結(jié)合有限元應(yīng)力計算成果,按裂縫控制在0.25mm以內(nèi)時,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)場灌漿試驗數(shù)據(jù)表明,固結(jié)灌漿后經(jīng)聲波檢測,灌后波速提高12%~25%。

        綜合考慮2種計算方法,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

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

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

        回填灌漿及固結(jié)灌漿孔布置見圖3。

        4 結(jié)束語

        本文總結(jié)了黃金坪水電站引水隧洞的開挖支護和結(jié)構(gòu)設(shè)計。強調(diào)了大跨度洞室施工期充分利用巖體自身強度確保自穩(wěn),開挖過程中及時進行噴錨等初期支護的重要性。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,對大跨度有壓隧洞的設(shè)計提出了科學、經(jīng)濟的襯砌方式。

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

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