吳俊杰,楊雪蓮,陳顯龍

(1.新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開(kāi)發(fā)有限公司,新疆 喀什 844000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)水電建設(shè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一大批大型和特大型的水利樞紐工程，如阿爾塔什水利樞紐工程[1- 3](砂礫石面板堆石壩最大壩高164.8m)、大石峽水利樞紐工程(最大壩高247.0m)。目前正在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中的大型水利樞紐裝機(jī)容量越來(lái)越大，如古水水電站[4](面板堆石壩最大壩高250.0m)、茨哈峽水電站[5](面板堆石壩最大壩高257.5m)、如美水電站[6](黏土心墻堆石壩最大壩高315.0m)，上述工程利用的水頭也愈來(lái)愈高，為了適應(yīng)水生態(tài)環(huán)境的需要，長(zhǎng)距離混合式電站往往會(huì)配套生態(tài)電站，為了減少開(kāi)挖往往會(huì)在發(fā)電引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔增加一個(gè)混凝土岔管與生態(tài)引水隧洞連接通往壩后生態(tài)電站，針對(duì)超高壓隧洞混凝土岔管為空間組合結(jié)構(gòu)，在高速水流和超高內(nèi)水、圍壓壓力聯(lián)合作用下其受力極其復(fù)雜。伍智欽[7]等人對(duì)廣蓄二期工程的高壓鋼筋混凝土岔管滲漏問(wèn)題進(jìn)行了探討，該工程一洞四機(jī)布置主洞及高壓岔管為鋼筋混凝土襯砌承受最大靜水頭610m。由于位于高壓岔管上方兼作排水廊道的地質(zhì)探洞離岔管過(guò)近(只有32m)它們之間的圍巖的水力梯度達(dá)19m加上灌漿工藝有缺陷，地質(zhì)上又存在微張結(jié)構(gòu)，因而在首次充水過(guò)程中，高壓岔管?chē)鷰r發(fā)生局部水力劈裂，地質(zhì)探洞出現(xiàn)大量漏水，漏水量高達(dá)32L/s。針對(duì)此類(lèi)超高壓岔管?chē)?guó)內(nèi)外一些專(zhuān)家在許多工程設(shè)計(jì)和已建工程中通過(guò)監(jiān)測(cè)資料突破理論，如張巍[8- 11]應(yīng)用透水襯砌設(shè)計(jì)理論對(duì)惠州抽水蓄能電站高壓隧洞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。A·Zagars等[12]在廣州抽水蓄能電站對(duì)最大工作水頭530m的混凝土隧洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。肖明[13]研究了混凝土岔管在內(nèi)水壓力作用下開(kāi)裂后其滲流場(chǎng)改變的特征，并提出了此類(lèi)結(jié)構(gòu)滲流-應(yīng)力相互耦合的數(shù)值計(jì)算分析方法。蘇超等[14]建立了地下鋼筋混凝土岔管優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于粒子群優(yōu)化算法，開(kāi)發(fā)了鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。文喜雨等[15]應(yīng)用透水理論討論了透水襯砌的設(shè)計(jì)方法，給出了使用透水襯砌理論進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的基本步驟。李煊明[16]在福建省周寧水電站為503m超高壓岔管采用透水襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)了高水頭、大PD值高壓岔管設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)。上述工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在運(yùn)行工況下鋼筋應(yīng)力計(jì)值均不大普遍在50MPa以下，這也驗(yàn)證了采用透水理論對(duì)高水頭、大PD值的地下混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配筋是適用的。

阿爾塔什水利樞紐工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程之一，是國(guó)家“十三五”期間100個(gè)重大項(xiàng)目之一，該工程總裝機(jī)容量755MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量21.86億kW時(shí)。樞紐工程對(duì)推動(dòng)南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、助力鄉(xiāng)村振興都具有重要意義。阿爾塔什水利樞紐工程于2015年11月下旬截流，2020年5月29日大壩主體工程完工，計(jì)劃2021年5月底工程完工，總工期為74個(gè)月。2021年8月工程全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電進(jìn)行涉網(wǎng)調(diào)試。由于本工程的地下高壓混凝土岔管襯砌也屬于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，采用以往傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)法已無(wú)法滿(mǎn)足此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。本文根據(jù)以往成功案例自主研發(fā)透水理論并做大量驗(yàn)證計(jì)算后，對(duì)本工程高壓混凝土岔管進(jìn)行聯(lián)合受力分析及配筋，工程目前已經(jīng)涉網(wǎng)調(diào)試，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及后期進(jìn)洞檢查均表明，新疆首個(gè)采用透水理論設(shè)計(jì)的混凝土岔管運(yùn)行狀態(tài)良好。

1 工程研究區(qū)域概況

阿爾塔什水利樞紐工程總庫(kù)容為22.40億m3，屬Ⅰ等大(1)型工程。由砂礫石面板堆石壩、左岸1號(hào)、2號(hào)表孔溢洪洞、中孔泄洪洞，右岸1號(hào)、2號(hào)發(fā)電引水洞、深孔泄洪洞，下游15km處的主發(fā)電站廠房、以及通往壩后的生態(tài)電站廠房的生態(tài)基流引水洞等。右岸1號(hào)、2號(hào)發(fā)電引水洞平行軸線間距50m，最大水頭117.023m，最大洞徑為9.4m，PD值為1100m2均屬于高PD值隧洞。本次研究區(qū)域如圖1(a)所示，研究對(duì)象為2號(hào)發(fā)電引水洞樁號(hào)0+640.106m樁號(hào)段的混凝土岔管如圖1(b)所示，在初設(shè)階段擬定管壁厚度為1.2m，主管內(nèi)徑9.4m，支管內(nèi)徑4.0m，該處最大水頭81.88m，PD值為770m2，初設(shè)階段研究區(qū)域內(nèi)混凝土岔管襯砌按照結(jié)構(gòu)力學(xué)法得到的厚度與含筋量非常不合理[1]。技施階段對(duì)該研究區(qū)域內(nèi)最關(guān)鍵的混凝土岔管襯砌采用透水襯砌理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及配筋設(shè)計(jì)。

圖1 工程區(qū)右岸高壓隧洞研究區(qū)域圖

2 計(jì)算原理

透水理論計(jì)算運(yùn)行工況時(shí)高水頭內(nèi)水外滲形成滲流場(chǎng)產(chǎn)生體積力作用于結(jié)構(gòu)，滲流場(chǎng)的計(jì)算原理為三維穩(wěn)定滲流微分方程[1- 3]如下：

式中，H—總水頭，m；h—壓力水頭，m；z—位置水頭，m；kx、ky、kz—x、y、z三向滲透系數(shù)分量，m/s；Q—有源滲流場(chǎng)，m3/s。

將模型剖分引入水頭插值函數(shù)[A]{H}={F}，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)水頭函數(shù)沿方向求導(dǎo)與水體容重相乘，得的空間三向體積力函數(shù)如下：

求模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)體積力之和：

{f}=?V[N]T{f}dV

dt時(shí)段內(nèi)進(jìn)入單位體積內(nèi)的水量與內(nèi)部增量相同，聯(lián)合推導(dǎo)得出以下方程求得節(jié)點(diǎn)應(yīng)變與體積力關(guān)系：

3 研究區(qū)域模型及計(jì)算參數(shù)

3.1 方案制定

本次研究區(qū)域樁號(hào)發(fā)0+640.106m段為Ⅲ類(lèi)中硬圍巖，局部為堅(jiān)硬巖，考慮混凝土岔管體型需要進(jìn)行優(yōu)化，借鑒國(guó)內(nèi)外[17- 25]同等PD值混凝土岔管及工程經(jīng)驗(yàn)初步擬定管壁厚度為1.4m，為了分析不同管壁厚度的受力狀態(tài)，以0.2m變換管壁厚度，列出以下4組方案，采用透水理論分析不同壁厚混凝土岔管襯砌結(jié)構(gòu)在運(yùn)行工況時(shí)的應(yīng)力，比出最優(yōu)方案用于本工程，見(jiàn)表1。

表1 2號(hào)發(fā)電洞0+640.106m樁號(hào)混凝土岔管優(yōu)化方案 單位：m

3.2 研究區(qū)域及網(wǎng)格剖分

計(jì)算模型選取1號(hào)、2號(hào)發(fā)電洞0+640.106m樁號(hào)順?biāo)飨蛏嫌?50m，向下游150m，兩側(cè)、垂直上下各取150m，建立三維計(jì)算模型如圖2(a)所示，將整體模型離散，總單元數(shù)為58862個(gè)C3D8P節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧?，總?jié)點(diǎn)數(shù)50848個(gè)，研究區(qū)域整體離散網(wǎng)格如圖2(b)所示。1號(hào)發(fā)電洞混凝土襯砌總單元數(shù)為11286個(gè)C3D8P節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧?，總?jié)點(diǎn)數(shù)11342個(gè)，2號(hào)發(fā)電洞混凝土襯砌總單元數(shù)為18812個(gè)C3D8P節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧?，總?jié)點(diǎn)數(shù)19816個(gè)如圖3(a)所示，混凝土岔管總單元數(shù)6000個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)8328如圖3(b)所示。

圖2 工程區(qū)右岸高壓隧洞研究區(qū)域圖

圖3 工程區(qū)右岸高壓隧洞研究區(qū)域圖(1.2m管壁厚度)

3.3 研究區(qū)域計(jì)算邊界及材料參數(shù)

在開(kāi)挖過(guò)程中研究區(qū)域無(wú)地下水或出水現(xiàn)象，根據(jù)地質(zhì)提供山體地下水位可知該處地下水距離模型研究區(qū)尚遠(yuǎn)，同時(shí)根據(jù)三維繞壩滲流計(jì)算成果[23]該部位外水位于混凝土岔管底部2m，因此，這里兩側(cè)巖體沿著洞線方向外水水頭按照低于混凝土岔管2m設(shè)置為第一類(lèi)邊界條件[24- 27]，山體上游面、山體下游面、山體頂面、隧洞內(nèi)部按照實(shí)際水頭設(shè)置成第1類(lèi)透水邊界，模型底部山體以及其它表面設(shè)定成第2類(lèi)不透水邊界。借鑒同類(lèi)型工程并結(jié)合本工程地質(zhì)報(bào)告，本次用于計(jì)算的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)

4 計(jì)算成果分析

采用透水理論計(jì)算擬定4組方案得到混凝土襯砌的最大啦應(yīng)力與最大彎矩其中混凝土岔管所處有水環(huán)境且有輕度侵蝕地下環(huán)境，按照規(guī)范限裂要求進(jìn)行配筋，且混凝土裂縫小于限制校核標(biāo)準(zhǔn)0.25mm，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2號(hào)發(fā)電洞混凝土岔管襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果

方案1—4混凝土岔管襯砌厚度從1.6m降低1.0，內(nèi)水壓力不變的情況下，計(jì)算成果列入表3與圖4可以得出混凝土岔管應(yīng)力隨著管壁厚度減少而降低，方案3主管最大拉應(yīng)力為1.137MPa如圖5(a)所示與方案4主管最大拉應(yīng)力為1.080MPa，均小于C30混凝土允許拉應(yīng)力1.47MPa。隨著管壁厚度減少外水水頭有所增加但不明顯。按照應(yīng)力配筋后滿(mǎn)足配筋與混凝土振搗間距大于8cm要求，每米混凝土配置8根鋼筋管壁最大裂縫也有所降低，然而隨著管壁厚度降低自身強(qiáng)度有限，方案4管壁應(yīng)力下降不明顯，且限裂也不滿(mǎn)足要求，如圖5(b)所示。因此，最終推薦方案3管壁厚度取1.2m，管壁襯砌內(nèi)外各配8根25m的鋼筋即滿(mǎn)足應(yīng)力需求也滿(mǎn)足限裂需求。主管等效巖塑性區(qū)為4.2m如圖5(c)所示，支管等效巖塑性區(qū)為3.8m如圖5(d)所示，最終固結(jié)灌漿深度為5m。限于篇幅限制以下僅列出最優(yōu)方案計(jì)算成果。

圖4 混凝土岔管優(yōu)化應(yīng)力成果圖(單位：MPa)

圖5 2號(hào)發(fā)0+640.106樁號(hào)研究區(qū)域剖面混凝土岔管襯砌最大應(yīng)力與塑性區(qū)成果圖

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)論述我國(guó)廣蓄二期特高壓隧洞混凝土岔管襯砌漏水事件，引出該結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜無(wú)法按照傳統(tǒng)規(guī)范法結(jié)構(gòu)配筋理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，有新疆三峽稱(chēng)號(hào)的阿爾塔什水利樞紐工程中的混凝土岔管也面臨此類(lèi)問(wèn)題，采用透水理論進(jìn)行限裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配筋很好的解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，含筋量巨大等問(wèn)題。

(2)混凝土岔管屬于空間組合結(jié)構(gòu)，在本次優(yōu)化計(jì)算中支管與主管銳角應(yīng)力集中較為明顯這點(diǎn)與面力計(jì)算規(guī)律一致，因此，只能通過(guò)鈍化銳角，建議采用圓倒角降低應(yīng)力集中，從而使得管壁應(yīng)力更加均勻。

(3)國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局先后發(fā)布了《抽水蓄能電價(jià)政策》《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，透水理論為抽水蓄能高壓、超高壓、特高壓隧洞襯砌及混凝土岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐。