耿慶柱,許 艇
(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)
引水隧洞是引水式電站中的重要組成部分,而針對不同洞徑、圍巖等條件下采用不同的襯砌方案是引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要解決的重要問題。根據(jù)當前規(guī)范,針對引水隧洞襯砌配筋計算方法包含公式法及邊值法,在眾多工程隧洞襯砌設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。近年來,隨著理論及研究的不斷深入,透水襯砌理論也逐漸被廣大學(xué)者所認可。
詹振彪[1]針對均勻內(nèi)水壓力作用下圓形混凝土襯砌進行了探討;張帆[2]根據(jù)透水襯砌理論,總結(jié)出了高壓引水隧洞襯砌配筋的簡化算法;劉波[3]結(jié)合有限元程序,模擬了混凝土開裂后圍巖-混凝土-鋼筋的聯(lián)合作用,最終得到任意部位的鋼筋應(yīng)力及混凝土裂縫分布規(guī)律;伍鶴皋等[4]基于面力和體力理論,對高壓隧洞透水襯砌結(jié)構(gòu)進行了研究;文喜雨等[5]根據(jù)透水襯砌理論,結(jié)合工程實例總結(jié)出了透水襯砌的設(shè)計方法;等等。
本文基于國外某水電站高壓長引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu),選取不同計算方法對當前隧洞襯砌進行配筋計算,對結(jié)果進行對比分析及探討,最終給出不同方案間可行性及差異,并給出推薦方案,旨在為水工壓力隧洞鋼筋混凝土襯砌配筋計算與設(shè)計提供參考。
結(jié)合當前理論及最新規(guī)范,目前采用的襯砌內(nèi)力計算和襯砌配筋設(shè)計方法可歸結(jié)為以下幾種方法。
(1)公式法。公式法參考《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5195-2004)[6],假定在內(nèi)水壓力作用下,厚壁圓筒已經(jīng)裂解成為文克爾地基上的曲梁,“筒壁”不能承擔拉應(yīng)力,襯砌中只有所配鋼筋可以承擔拉應(yīng)力。在此條件下,根據(jù)襯砌與圍巖變形一致原則,建立力的平衡方程式,并假定鋼筋已達許用應(yīng)力,計算出所需鋼筋面積和圍巖抗力。
(2)邊值法。邊值法將厚壁圓筒分為有限個微段,將平衡方程和位移方程作為微分方程組,通過龍格-庫塔法逐次漸進地求解其位移、圍巖抗力和“筒壁”承擔的內(nèi)力。
(3)應(yīng)力配筋法。有限單元法(FEM)當前越來越廣泛地應(yīng)用于水工隧洞的設(shè)計,可借助有限元軟件,采用二維平面單元連續(xù)介質(zhì)模擬襯砌,求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應(yīng)力圖形,再根據(jù)應(yīng)力圖形面積,確定承載力所要求的配筋數(shù)量[7,8]。
(4)透水襯砌法。前節(jié)計算均采用面力理論假定,面力理論假定鋼筋混凝土襯砌不透水,將內(nèi)水壓力作為面力來計算襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力。而體力理論認為襯砌結(jié)構(gòu)是透水的,將內(nèi)水壓力作為體力來計算襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力。在內(nèi)水壓力及各種荷載作用下,鋼筋混凝土襯砌一般會受力開裂,隧洞內(nèi)水必然外滲加劇。襯砌開裂后,襯砌中水的滲流主要為裂隙流,滲水壓力按線性衰減。作用在襯砌外表面的水壓力與襯砌內(nèi)表面的內(nèi)水壓力方向相反,相當于圍巖與襯砌共同承擔內(nèi)水壓力。
國外某水電站工程為低壩長隧洞高水頭電站,開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。電站包含2 條引水隧洞平行布置,兩洞中心線間距45 m,隧洞單洞長約17.4 km,綜合縱坡3‰,隧洞一般埋深在400~800 m,最大埋深達1 150 m。隧洞采用鉆爆法開挖,斷面為圓形,直徑8.5 m,設(shè)計流速3.74 m/s。
2.2.1 圍巖特征
根據(jù)巖石(體)試驗結(jié)果,以試驗資料為基本依據(jù),結(jié)合實際地質(zhì)條件,提出隧洞地下洞室的巖石(體)物理力學(xué)指標建議值詳見表1。
表1 隧洞段各類圍巖指標
2.2.2 支護特征
隧洞襯砌后直徑 8.5 m,對 Q3~Q4、Q5、Q63 種圍巖類型施加C30強度混凝土襯砌。除一次支護外,3種圍巖類別下分別采用0.4、0.6 及0.8 m 厚鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。
鋼筋參考美標規(guī)范ASTM A615M 中相應(yīng)規(guī)定,選取Grade 60等級鋼筋,屈服強度設(shè)計值為420 MPa。
2.3.1 計算荷載
(1)內(nèi)水壓力。考慮水錘壓力的隧洞最大內(nèi)水壓力為107 m水頭。
(2)外水壓力。根據(jù)地下水位線并進行相關(guān)折減,地下水外水壓力取值為0~97 m水頭。
(3)灌漿壓力。回填灌漿壓力計算按實際施工狀況考慮灌漿荷載取0.2 MPa。
(4)圍巖壓力。由于隧洞洞室在開挖過程中采取了錨噴支護、鋼架支撐等施工加固措施,圍巖處于基本穩(wěn)定或已穩(wěn)定狀態(tài),所以計算時不計作用在永久支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力。
2.3.2 荷載組合工況
考慮施工期(短暫狀況)、正常運行期(持久狀況)和檢修期(偶然狀況)3 種工況,承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)作用時荷載組合和荷載分項作用系數(shù),詳見表2—3。
表2 承載能力極限狀態(tài)作用時荷載組合及荷載分項系數(shù)
表3 正常使用極限狀態(tài)作用時荷載組合及荷載分項系數(shù)
采用《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5195-2004)中附錄G中方法進行配筋計算,受篇幅所限,僅列出最終配筋計算結(jié)果詳見表4。
表4 公式法配筋結(jié)果
正常使用極限狀態(tài)下,由于裂縫寬度限制要求,對應(yīng)配筋量普遍大于承載力極限狀態(tài)下配筋量;頂拱由于灌漿壓力作用,導(dǎo)致其配筋量較大。
利用邊值法,選取荷載-結(jié)構(gòu)模型,按照模型建模方式不同,將建立Model 1 及Model 2 兩種模型分別進行計算。
(1)Model 1。將襯砌分成多個梁單元,徑向彈簧被施加在每個單元節(jié)點來模擬圍巖和襯砌之間的彈性作用。
(2)Model 2。參照《Tunnels and Shafts in Rock》(EM 1110-2-2901)[9],建 立 Beded-beam-spring 模型,采用梁單元,以每5°圓心角對應(yīng)弧長為單元長度模擬一次及二次襯砌段面,中間用剛性單元連接,并在最外側(cè)節(jié)點處施加法向及切向彈簧單元,模擬襯砌與圍巖間的相互作用。
2種模型,如圖1—2所示。
圖1 Model 1模型
圖2 Model 2模型
選取部分內(nèi)力計算結(jié)果,如圖3所示。
圖3 承載力極限狀態(tài)檢修期內(nèi)力云圖(Q6類圍巖)
根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果進行配筋,對應(yīng)配筋結(jié)果詳見表5—6。
表5 Model 1配筋結(jié)果
表6 Model 2配筋結(jié)果
通過內(nèi)力及配筋結(jié)果可知,內(nèi)水壓力是控制隧洞配筋量的主要因素;Q6類圍巖條件下,Model 2 模型配筋結(jié)果稍小于Model 1配筋結(jié)果,可看出當圍巖條件較差時,一次襯砌可起到一定支撐作用。因而,在實際工程中,采用適當?shù)囊淮沃ёo措施可增強隧洞整體穩(wěn)定性,減小內(nèi)水、外水及圍巖荷載對隧洞產(chǎn)生的不良影響,也可由此適當減小永久襯砌配筋量,進而減小工程投資、縮短工期。
將襯砌結(jié)構(gòu)視為非桿件的連續(xù)介質(zhì)單元,通過求得的應(yīng)力結(jié)果進行配筋。部分內(nèi)力計算結(jié)果,如圖4所示。
圖4 承載力極限狀態(tài)檢修期內(nèi)力云圖(Q6類圍巖)
根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果進行配筋,對應(yīng)配筋結(jié)果詳見表7。
表7 應(yīng)力配筋法配筋結(jié)果
在前文計算中,正常運行工況下不考慮外水壓力,因而導(dǎo)致配筋量偏大。本文結(jié)合相關(guān)理論及方法[2],通過計算襯砌開裂后內(nèi)水外滲流量進而計算內(nèi)水作用下外水滲透壓力,再計算相應(yīng)內(nèi)力并進行配筋計算。
通過計算,可得Q3/Q4、Q5、Q6類圍巖下對應(yīng)襯砌混凝土外側(cè)水壓力分別為922、714、111 kPa。將滲透壓力帶入模型中進行計算,配筋結(jié)果詳見表8。
表8 透水襯砌法配筋結(jié)果
綜上,將配筋面積及相應(yīng)配筋率進行匯總,結(jié)果詳見表9。
表9 配筋結(jié)果匯總
綜上,可以得出以下結(jié)論。
(1)本工程由裂縫寬度限制控制,正常使用極限條件下配筋量普遍高于承載力極限狀態(tài)下配筋量。
(2)相同邊界條件下,邊值法中Model 1 模型配筋量大于Model 2模型配筋量;應(yīng)力配筋法及透水襯砌法計算所得配筋量較邊值法有所減小,但仍大于公式法。
(3)透水襯砌設(shè)計方法結(jié)合圍巖滲透特性,計算得出內(nèi)水壓力作用下對應(yīng)的外水壓力值,再采用荷載-結(jié)構(gòu)法進行計算,更加符合實際情況。
(4)選取每種方法配筋量小值進行比較:不考慮限裂時,配筋量邊值法(Model 1)>應(yīng)力配筋法>邊值法(Model 2)>透水襯砌法>公式法;考慮限裂時,配筋量公式法>邊值法(Model 1)>應(yīng)力配筋法>邊值法(Model 2)>透水襯砌法。
本文針對高壓長引水隧洞鋼筋混凝土襯砌配筋設(shè)計方法進行了探討,采用公式法、邊值法、應(yīng)力配筋法、透水襯砌法多種方法進行計算分析,并對比相應(yīng)配筋結(jié)果,可得出最終公式法及透水襯砌法配筋量相對較小,能更好地反映水工壓力隧洞襯砌開裂后的實際受力情況。工程實際中可根據(jù)多種方法計算結(jié)果,綜合考慮選取配筋結(jié)果。與此同時,需配合相應(yīng)其他支護措施,如選取適合的一次支護措施,采取固結(jié)灌漿、回填灌漿等多種方式,保證各種工況下隧洞及襯砌的穩(wěn)定,可為類似工程設(shè)計提供一定參考。