大流量地下水电站建设中,常常采用大断面城门洞形尾水洞,如三峡、彭水、水布垭、乌东德等地下电站.这些地下电站深埋于山体下,地下水位一般较高.在远离主厂房或尾水出口且岩体较好的洞段,如II、III 类岩体区,一般可在衬砌结构上布设排水孔以降低外水压力.但在不良地质洞段,如岩体破碎、遇水泥化、崩解、软化、IV、V 类岩体区,为避免长期运行过程中衬砌排水孔部位内外水往复冲刷造成的围岩局部掏空,常常采用不透水衬砌设计理念,衬砌配筋采用限裂设计.如此,衬砌结构将承受较大的外水压力,导致衬砌配筋量巨大,甚至难以施工.我国水利部门和电力部门的水工隧洞设计规范[1,2],对该问题均建议进行专门研究.
三峡右岸地下电站[3]尾水洞采用城门洞形,断面尺寸达到 25m×15m(高×宽),衬砌厚度 1.2m,外水控制工况下水头 27.0m,若采用常规钢筋混凝土结构限裂配筋计算,需内外侧各布设两层 Φ36@15cmII 级钢筋.实际结构计算中,采用围岩锚杆对衬砌结构有一定拉拔作用的设计理念,通过锚杆外露一定长度与衬砌钢筋网焊接并整体浇筑等工程措施,将衬砌结构配筋降低到内外侧各布设一层 Φ36@20cm II 级钢筋;彭水地下电站[4]尾水洞采用城门洞形,断面尺寸达到 27.5m×12.6m(高×宽),衬砌厚度 1.1m,外水控制工况下水头 25.0m,实际结构计算中,采用锚索预应力为衬砌提供反力抵抗外水压力的设计理念,通过在边墙中部增设对穿预应力锚索等工程措施,将衬砌结构配筋降低到内外侧各布设一层 Φ32@20cm II 级钢筋;同时,三峡、彭水等地下电站尾水洞出口段均采用了增加衬砌厚度以抵抗外水压力的工程措施.
已建的地下电站尾水洞工程为大型水工隧洞的衬砌结构设计积累了丰富经验,工程实践中涌现出的各种设计理念值得后续工程借鉴.本文结合我国金沙江上在建的某大型水电站地下厂房工程,采用上述不同的设计理念对城门洞形尾水洞衬砌结构受力及配筋进行对比研究,探讨高外水水头城门洞形衬砌结构的设计原则,以便实际工程设计参考.
1 工程概况及研究方法
金沙江某大型水电站尾水洞断面为城门洞形,断面尺寸 27m×19.5m(高×宽),局部处于 IV 类岩体区.
衬砌结构按照不透水衬砌设计,配筋采用限裂设计.隧洞平均埋深约 200m,外压控制工况下外水水头80.0m.隧洞纵剖面见图 2.1,横断面见图 2.2.
研究方法主要为数值计算,采用有限元法对衬砌厚度、锚杆约束、预应力锚索等多种降低衬砌配筋量的工程措施进行结构受力计算.为突出研究重点,本文仅考虑外水荷载和衬砌自重荷载,不考虑围岩压力、内水水头、灌浆压力等荷载,荷载采用标准值,设计状况系数Ψ=0.95,结构重要性系数γ0=1.1,结构系数γd=1.2.衬砌材料 C30 混凝土,围岩为 IV 类岩体,力学本构均采用弹性本构,力学参数详见表 2.1.衬砌顶部、边墙与围岩接缝部位采用"垫层"单元模型.衬砌配筋量根据水工混凝土结构设计规范[5,6]规定的应力图形法计算.
2 衬砌厚度对配筋量的影响
拟定衬砌厚度 h 分别为 1.2m、1.5m、2.0m、2.5m,采用 2 小节的计算条件和研究方法,计算外水荷载作用下衬砌结构的配筋量.
不同衬砌厚度的结构主拉应力分布见图 3.1,主拉应力分布规律基本一致.顶拱为弧形结构,在外水荷载作用下未出现拉应力,一般采用构造配筋;边墙拉应力区主要分布在边墙中下部内侧和下部支座(边墙与底板交接处)外侧,其中最大拉应力量值出现在支座外侧部位;底板拉应力区主要分布在底板中部上侧和支座下侧,其中最大拉应力量值出现在支座下侧部位.
不同衬砌厚度的结构配筋面积和设计配筋方案见表 3.1.计算结果表明,随着衬砌厚度的增加,截面配筋量逐渐减小.在本算例中,当衬砌厚度增加约一倍时,配筋量减小约一倍.因此,工程设计中,在高外水水头情况下城门洞形衬砌结构计算配筋量较大时,可采用适当增加衬砌厚度以降低衬砌配筋量的设计思路.最终衬砌厚度,需在综合考虑经济性、施工质量等因素的基础上确定.
3 锚杆约束对配筋量的影响
为限制城门洞形水工隧洞衬砌在高外水压力下的变形量和配筋量,工程设计时常考虑将围岩系统锚杆外露 0.5~0.8m 与衬砌钢筋网焊接,并整体浇筑以减小衬砌变形,改善衬砌受力情况,进而降低衬砌配筋量.
本文在衬砌厚度 1.5m 的基础上,分别考虑Φ36@1.5m×1.5m,L=6.0m 和Φ36@0.75m×0.75m,L=6.0m 系统锚杆对衬砌的约束作用,计算外水荷载作用下衬砌结构的配筋量.
从衬砌结构主拉应力分布规律看,在锚杆作用下衬砌主拉应力分布规律与无锚杆作用下基本相同,但量值有所降低.衬砌变形量值看,锚杆在一定程度上约束了衬砌变形,衬砌变形量有所减小(见表 4.1).可见,考虑锚杆作用可以在一定程度上限制衬砌裂缝的开展.
从衬砌结构配筋量看,随着系统锚杆数量的增加,截面配筋量逐渐减小(见表 4.1).在本算例中,当采用Φ36@0.75m×0.75m,L=6.0m 系统锚杆时,衬砌配筋量降低约 30%.可见,工程设计中,在高外水水头情况下城门洞形衬砌结构计算配筋量较大时,可采用适当增加与衬砌浇筑为整体的系统锚杆数量以降低衬砌配筋量的设计思路.最终系统锚杆数量,需在综合考虑经济性、围岩稳定需要、施工质量等因素的基础上确定.
从图 4.1 可见,两种锚杆锚固方案下,锚杆应力均在设计强度范围内,而对应的衬砌配筋却较大.说明,衬砌结构的刚度较系统锚杆的刚度大,外水荷载主要由衬砌承担.
4 预应力锚索对配筋量的影响
在多条尾水洞平行布置时,若洞间岩柱较薄一般考虑布设对穿预应力锚索以防止围岩失稳.此时,可结合洞间预应力锚索施工,将衬砌与预应力锚索锚头浇筑为整体以减小衬砌变形,改善衬砌受力情况,进而降低衬砌配筋量.本文在衬砌厚度 1.5m 的基础上,考虑 1500KN@3.0 m×3.0m 预应力锚索对衬砌的约束作用,计算外水荷载作用下衬砌结构的配筋量.
从衬砌结构配筋量看,考虑预应力锚索作用后,边墙衬砌配筋量由 15162mm2降低到 11893mm2,降幅约 20%;从衬砌变形量看,考虑预应力锚索作用后,边墙衬砌变形量由 12.9mm 降低到 10.0mm.可见,工程设计中,在高外水水头情况下城门洞形衬砌结构计算配筋量较大时,可采用增设预应力锚索以降低衬砌配筋量的设计思路.最终预应力锚索数量,需在综合考虑经济性、围岩稳定需要、施工质量等因素的基础上确定.
5 结论
水电站地下厂房尾水洞衬砌结构设计中,在外水工况下衬砌结构配筋量一般较大.三峡地下电站、彭水地下电站等工程均采用了增加衬砌厚度、锚杆锚固、预应力锚索等工程措施以降低配筋量.本文针对三种降低衬砌配筋量的工程措施进行了对比研究,结果表明增加衬砌厚度、系统锚杆锚固、预应力锚索等措施均能在一定程度上降低衬砌配筋量.
工程设计之初,一般可初拟衬砌厚度 1.0~1.5m,经计算若配筋量过大,可考虑将围岩系统锚杆外露一定长度,锚固进衬砌,以降低配筋量.锚固措施可采用锚杆与钢筋网焊接、锚杆外露端设钢垫片、预留足够的锚固长度等.若考虑系统锚杆作用后,衬砌配筋量依然较大,可考虑增加衬砌厚度、增加系统锚杆或增设预应力锚索的措施,并经过综合比较确定.
参考文献:
[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. DL/T5195-2004 水工隧洞设计规范[S]. 北京:中国电力出版社.
[2] 中华人民共和国水利部. SL279-2002 水工隧洞设计规范[S]. 北京:中国水利水电出版社.
[3] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 三峡右岸地下电站可行性研究报告[R].
[4] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 彭水水利枢纽可行性研究报告[R].
[5] 中华人员共和国国家能源局. DL/T5057-2009 水工混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国电力出版社.
[6] 中华人民共和国水利部. SL191-2008 水工混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国水利水电出版社.
