張惠忠，胡正福

（1. 新疆克州新隆能源開(kāi)發(fā)有限公司，新疆 克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?845450；2. 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院， 湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

夏特水電站位于新疆克州烏恰縣克孜勒蘇河中游，電站從上一級(jí)塔日勒嘎水電站廠房尾水取水，經(jīng)引水系統(tǒng)引水至電站廠房發(fā)電，電站安裝4 臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量62 MW，總裝機(jī)容量248 MW，電站主要建筑物分為前部引水明渠段（主要包括節(jié)制進(jìn)水閘、引水渠、溢流側(cè)堰、前池進(jìn)水閘等）、中部有壓引水洞段（埋涵段、隧洞段）和后部發(fā)電系統(tǒng)（廠房、開(kāi)關(guān)站）及尾水渠段三大部分。電站引水隧洞為內(nèi)徑7.0 m和5.8 m（5.8 m 為鋼襯段）的圓形有壓隧洞，全長(zhǎng)16 989 m，是夏特水電站建設(shè)的關(guān)鍵性控制項(xiàng)目，工程投資占整個(gè)項(xiàng)目建安投資的比例超過(guò)33.8%，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)影響較大。

夏特水電站工程區(qū)域位于南天山地震帶和西昆侖地震帶的交匯處，是全國(guó)地震活動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一，具有地震強(qiáng)度大、頻度高的特點(diǎn)。

2 工程地質(zhì)資料

2.1 區(qū)域地震

工程區(qū)域主體部分屬南天山地震帶，西南角跨西昆侖地震帶。工程場(chǎng)地近場(chǎng)區(qū)基本處在西昆侖山與南天山之間的塔里木盆地西隅坳陷長(zhǎng)廊地帶，是地震活動(dòng)頻繁地域。按照50 年內(nèi)超越概率10%的地震動(dòng)加速度值確定的電站場(chǎng)地地震加速度為0.438 g，對(duì)應(yīng)的基本地震烈度為Ⅸ度。

2.2 工程地質(zhì)條件

夏特水電站引水隧洞位于克孜勒蘇河左岸，屬中低山區(qū)，地表無(wú)植被，沖溝較發(fā)育。隧洞沿線山頂海拔高程在2 570～2 818.8 m 之間。隧洞依次穿過(guò)第三系、白堊系、元古界地層，其中第三系和白堊系內(nèi)斷裂發(fā)育較少，元古界地層中斷層發(fā)育較多。

根據(jù)引水隧洞開(kāi)挖情況，樁號(hào)D2+296～D7+330、D11+900～D12+500、D18+500～D18+860 地下水活動(dòng)較強(qiáng)烈，巖體呈飽水狀態(tài)，其他洞段地下水活動(dòng)輕微，巖體呈稍濕～干燥狀態(tài)。結(jié)合隧洞開(kāi)挖情況，考慮巖體強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面性狀及其走向與洞向交角、節(jié)理裂育程度、地下水活動(dòng)強(qiáng)弱等，夏特水電站引水隧洞圍巖分為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類三大類。

Ⅲ類：主要為新鮮～微風(fēng)化的砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層夾泥巖、石英片巖夾千枚巖以及灰質(zhì)白云巖等較軟巖～中硬巖洞段，厚層～中厚層夾薄層狀，節(jié)理裂隙不發(fā)育，地下水活動(dòng)微弱。圍巖存在塊體掉塊現(xiàn)象，成洞條件較好，初期支護(hù)一般采用系統(tǒng)錨桿噴混凝土加鋼筋網(wǎng)。

Ⅳ類：主要為節(jié)理裂隙發(fā)育較集中的石英片巖、千枚巖，粉砂質(zhì)泥巖、泥巖以及薄層狀的粉砂巖等洞段。節(jié)理裂隙發(fā)育，多張開(kāi)充泥，軟弱結(jié)構(gòu)面分布較多；位于地下水位以下，成洞條件較差。初期支護(hù)一般采用系統(tǒng)錨桿噴混凝土加鋼筋網(wǎng)，局部采用鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)。

Ⅴ類：巖體風(fēng)化強(qiáng)烈或較大規(guī)模斷層破碎帶及影響帶，以及半膠結(jié)的含礫粉砂巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，軟弱結(jié)構(gòu)面多，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，圍巖易發(fā)生坍塌，成洞條件差，初期支護(hù)需要超前錨桿與鋼支撐支護(hù)。

夏特水電站工程引水隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)取值詳見(jiàn)表1。

表1 夏特水電站工程引水隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)取值表

3 計(jì)算工況及典型斷面

3.1 荷載工況

按照運(yùn)行期持久狀況、運(yùn)行期短暫狀況、檢修期工況、施工期工況和運(yùn)行期偶然工況五種工況進(jìn)行考慮。

3.2 荷載組合

荷載組合按照以下四種情況進(jìn)行分析和計(jì)算：①運(yùn)行期持久狀況：正常水位下內(nèi)水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；②運(yùn)行期短暫狀況：甩負(fù)荷水位下內(nèi)水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；③檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；④施工期：灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；⑤地震工況：正常水位下內(nèi)水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+地震作用力。

3.3 相關(guān)參數(shù)的選?。ū?）

表2 計(jì)算工況相關(guān)參數(shù)表

3.4 典型計(jì)算斷面

計(jì)算選取了4 個(gè)典型斷面，計(jì)算需按照圍巖類別、水頭、圍巖覆蓋厚度不同，分段分類進(jìn)行計(jì)算，典型斷面分類詳見(jiàn)表3。

表3 典型斷面分類表

4 計(jì)算原則

1）按照有限元、公式法、邊值法三種方法分別進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。

2）對(duì)圍巖的彈抗進(jìn)行敏感性分析（按圍巖彈抗增減20%）。

3）由于地下水具有硫酸鹽強(qiáng)腐蝕性，計(jì)算對(duì)裂縫控制采用0.15 mm、0.25 mm 分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

4）有限元計(jì)算時(shí)，模擬施工初期支護(hù)措施建模，分析施工期初期支護(hù)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)及配筋的影響。

5 有限元方法計(jì)算

5.1 計(jì)算模型

隧洞計(jì)算初期支護(hù)時(shí)相關(guān)參數(shù)按三種典型初期支護(hù)類型進(jìn)行考慮（表4）。

表4 三類圍巖開(kāi)挖典型支護(hù)型式（上臺(tái)階）匯總表

由于隧洞的埋深均較深，故僅取五倍洞徑的計(jì)算范圍，需要在模型上邊界施加均布荷載以替代上部巖體重量來(lái)反映真實(shí)的地應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算模型底面采取全約束，兩側(cè)采取水平約束，二維計(jì)算采用平面應(yīng)變單元，系統(tǒng)錨桿的模擬采用桿單元，鋼拱架的模擬采用梁?jiǎn)卧?。不同類別圍巖下的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 三類圍巖下的三種典型初期支護(hù)有限元計(jì)算網(wǎng)格

5.2 計(jì)算參數(shù)

襯砌混凝土及鋼材材料參數(shù)見(jiàn)表5，巖體材料參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 襯砌混凝土及鋼材材料參數(shù)

表6 巖體材料參數(shù)

5.3 地震荷載

采用50 年內(nèi)超越概率10%的場(chǎng)地基巖水平峰值加速度0.438 g。按照現(xiàn)行的《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》NB 35047-2015 的要求設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，根據(jù)工程場(chǎng)地條件，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為T(mén)g=0.45 s，反應(yīng)譜的最大值βmax為2.25，隧洞工程有限元抗震分析結(jié)構(gòu)阻尼比取0.07。

5.4 計(jì)算軟件

ADINA 能方便地模擬分期開(kāi)挖、填筑施工、接觸等復(fù)雜的工程問(wèn)題，已在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本次計(jì)算采用大型通用有限元軟件ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）進(jìn)行建模和計(jì)算。

5.5 有限元計(jì)算

本次計(jì)算主要內(nèi)容為各工況下引水隧洞的應(yīng)力變形計(jì)算（含地震工況）和配筋計(jì)算（含地震工況），計(jì)算方案見(jiàn)表7。

表7 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算方案

5.6 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)夏特水電站引水隧洞四類典型斷面的靜動(dòng)力有限元分析及配筋計(jì)算，結(jié)合不同內(nèi)水壓力作用下、不同襯砌厚度和不同圍巖彈性模量情況下隧洞受力特性及配筋情況的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1）圓形有壓隧洞內(nèi)水壓力將在襯砌結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生沿環(huán)向均勻分布的拉應(yīng)力作用，而在襯砌徑向，由內(nèi)壁向外壁拉應(yīng)力逐漸減小，基本呈線性分布。襯砌總體拉應(yīng)力水平隨內(nèi)水水頭增加而增大，配筋隨水頭的增大而增加。

2）增加襯砌厚度增大了結(jié)構(gòu)的受力面積，因此在外荷載不變的條件下，襯砌越厚其最大拉應(yīng)力水平越小。襯砌加厚盡管降低了拉應(yīng)力水平，但由于厚度增加，應(yīng)力沿厚度方向積分后，合拉力的變化不明顯，而結(jié)構(gòu)配筋的原則是假設(shè)斷面上的全部?jī)?nèi)力由鋼筋承受，因此在鋼筋應(yīng)力控制的裂縫寬度計(jì)算中，襯砌加厚不一定會(huì)減小裂縫寬度。從另一個(gè)角度來(lái)看，如果對(duì)隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行限裂設(shè)計(jì)，那么，增加襯砌厚度不會(huì)減小配筋量。因此，在隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，以改善結(jié)構(gòu)受力性態(tài)和優(yōu)化配筋為目的，盲目增加襯砌厚度的方案不可取。

3）提高圍巖的巖體彈模，將直接提高隧洞圍巖的彈性抗力水平，使襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓力作用下受到周圍巖體更強(qiáng)的約束作用，從而減小襯砌拉應(yīng)力水平。當(dāng)其他情況保持不變時(shí)，圍巖彈性模量越大，襯砌內(nèi)壁最大主拉應(yīng)力值越小，最小配筋量越小，最大裂縫寬度也有減小的趨勢(shì)。

4）本工程引水隧洞除2#施工支洞、3#施工支洞之間過(guò)沖溝段覆蓋層較薄，采用了壓力鋼管代替鋼筋混凝土襯砌外其他洞段上部覆蓋層均較厚，地震對(duì)配筋的影響不大，雖然本工程區(qū)域地震烈度達(dá)到Ⅸ度，配筋計(jì)算結(jié)果反映各典型斷面的配筋均由甩負(fù)荷工況控制。

5）有限元計(jì)算方法配筋計(jì)算成果，見(jiàn)表8。

表8 有限元計(jì)算方法配筋計(jì)算結(jié)果匯總表

6）根據(jù)靜動(dòng)力有限元分析成果，各類計(jì)算方案中甩負(fù)荷水位工況下大主應(yīng)力分布相同，且進(jìn)一步驗(yàn)證了Ⅳ類、Ⅴ類圍巖考慮鋼拱架受力的情況下大主應(yīng)力分布有明顯變化，對(duì)隧洞混凝土襯砌配筋的細(xì)化、優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。靜動(dòng)力有限元分析甩負(fù)荷水位工況大主應(yīng)力分布示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 甩負(fù)荷水位工況大主應(yīng)力分布示意圖

根據(jù)本次計(jì)算分析成果以及鋼拱架支護(hù)洞段外部鋼筋大主應(yīng)力分布的特點(diǎn)和具體情況，設(shè)計(jì)單位對(duì)圍巖相對(duì)較好的鋼拱架洞段的配筋進(jìn)行了細(xì)化、優(yōu)化工作，配筋結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表9。

表9 考慮鋼拱架和未考慮鋼拱架選筋結(jié)果對(duì)比表

6 有限元法與邊值法、公式法配筋計(jì)算的成果比較及選取

夏特水電站引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配筋在按照有限元法進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)的同時(shí)也按照邊值法、公式法進(jìn)行了計(jì)算和比較。對(duì)比三種計(jì)算方法的配筋成果可知：相同計(jì)算工況下，Ⅲ類、Ⅳ類圍巖，邊值法配筋最大，有限元法其次，公式法計(jì)算配筋最??；對(duì)于Ⅴ類圍巖，由于圍巖完整性差，巖體極破碎，計(jì)算結(jié)果公式法及邊值法配筋均較大，有限元配筋相對(duì)較小。

經(jīng)分析三種方法計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因是：邊值法襯砌是按厚壁圓筒考慮， 不考慮襯砌開(kāi)裂影響；公式法考慮到了襯砌開(kāi)裂， 但不考慮裂縫處鋼筋應(yīng)力局部增大的影響。有限元法克服了以上兩種方法的不足， 使計(jì)算邊界條件與襯砌實(shí)際受力情況更吻合，配筋計(jì)算成果更符合實(shí)際，更科學(xué)。夏特水電站引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算最終采用有限元法計(jì)算成果。在施工圖階段設(shè)計(jì)單位根據(jù)圍巖類別、內(nèi)水壓力等對(duì)計(jì)算斷面進(jìn)行了細(xì)分，進(jìn)一步細(xì)化內(nèi)水壓力對(duì)計(jì)算成果的影響，保證了計(jì)算成果的準(zhǔn)確性。

夏特水電站引水隧洞施工圖階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋通過(guò)本次深化設(shè)計(jì)與研究，鋼筋總量較招標(biāo)設(shè)計(jì)階段減少約6 260 t，總量減少約21.6%，有效節(jié)約了工程投資。

7 結(jié) 語(yǔ)

夏特水電站復(fù)雜地質(zhì)條件下高地震烈度、大埋深、長(zhǎng)引水隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算研究表明：大埋深圓形斷面引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋有限元法計(jì)算時(shí)各典型斷面的配筋基本不受地震工況控制，但在隧洞進(jìn)出口洞段等特殊部位，須加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的抗震配筋；通過(guò)幾種計(jì)算方法的比較，有限元法更貼合工程實(shí)際工況，計(jì)算成果可信度更高；由于長(zhǎng)引水隧洞對(duì)于長(zhǎng)引水工程的投資影響較大，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算深化研究非常必要。