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(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶，401120)

1 工程概況

浩口水電站工程位于重慶市武隆縣南部，重慶市彭水縣和貴州省道真縣交界處，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程。本電站在系統(tǒng)中汛期擔(dān)負(fù)峰荷，枯水期進(jìn)行日調(diào)節(jié)運(yùn)行，電站總裝機(jī)135MW，水庫(kù)正常高水位352.00m，總庫(kù)容8962萬(wàn)m3。壩址位于烏江南岸芙蓉江下游武隆縣浩口鄉(xiāng)浩口村附近的河段上，控制集水面積7400km2。樞紐工程距下游江口電站約23km，距武隆縣城32km。浩口水電站工程等別為Ⅲ等中型工程，其永久性水工主要建筑物(大壩、引水系統(tǒng)、廠(chǎng)房)級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。浩口水電站樞紐主要由重力壩、壩頂溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、岸邊廠(chǎng)房等建筑物組成。引水系統(tǒng)由進(jìn)水口和引水隧洞組成，引水隧洞位于左岸河道山體內(nèi)，由兩條平行的有壓隧洞組成，洞軸線(xiàn)間距20.0m，隧洞斷面為圓形，內(nèi)徑7.5m。

2 地質(zhì)情況

引水隧洞自進(jìn)口沿線(xiàn)穿越地層依次為三疊系下統(tǒng)茅口組第三段(P1m3)和第二段(P1m2)中厚-厚層狀灰?guī)r、茅口組第一段(P1m1)薄-中厚層狀眼球狀灰?guī)r、棲霞組第三段(P1q3)有機(jī)質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r和棲霞組第二段(P1q2)中厚層狀含燧石結(jié)核有機(jī)質(zhì)灰?guī)r、棲霞組第一段(P1q1)灰色中厚-厚層狀灰?guī)r、有機(jī)質(zhì)灰?guī)r以及梁山組(P1l)鋁土巖和志留系中統(tǒng)韓家店組(S2h)泥巖、頁(yè)巖。

P1m3、P1m2、P1q3、P1q1地層巖石為中硬巖，P1m1地層為較軟巖，P1l和S2h地層為軟巖。隧洞埋深一般80m～150m，最大埋深約225m；圍巖屬弱～微新巖體，彈抗系數(shù)取值：Ⅱ類(lèi)圍巖5900MN/m2、Ⅲ類(lèi)圍巖2900MN/m2、Ⅳ類(lèi)圍巖1000MN/m2。

3 引水隧洞結(jié)構(gòu)布置

1#、2#引水隧洞平行布置，洞軸線(xiàn)間距20.0m，均由上平段、落管段、下平段三部分組成。1#引水隧洞長(zhǎng)298.85m，上平段長(zhǎng)216.20m，隧洞中心線(xiàn)高程336.25m；落管段長(zhǎng)59.52m；下平段長(zhǎng)23.13m，隧洞中心線(xiàn)高程297.05m。2#引水隧洞長(zhǎng)328.37m，上平段長(zhǎng)210.36m，隧洞中心線(xiàn)高程336.25m；落管段長(zhǎng)59.34m；下平段長(zhǎng)58.67m，隧洞中心線(xiàn)高程297.05m。

引水隧洞為圓形斷面，內(nèi)徑7.5m，采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5m。

4 隧洞計(jì)算控制標(biāo)準(zhǔn)

引水隧洞建筑物級(jí)別為3級(jí)，隧洞安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，裂縫寬度在長(zhǎng)期組合情況下小于0.25mm，分為以下三種荷載組合進(jìn)行計(jì)算：

(1)運(yùn)行期：內(nèi)水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；

(2)檢修期：外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重；

(3)施工期：灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重。

本次水工隧洞計(jì)算主要驗(yàn)證內(nèi)水壓力取值對(duì)計(jì)算成果的影響，內(nèi)水壓力除設(shè)計(jì)洪水位情況下的靜水壓力外，是否考慮水擊壓力兩種情況進(jìn)行比較。

5 計(jì)算斷面選取

根據(jù)引水隧洞開(kāi)挖后的實(shí)際情況，選取水頭較大、地質(zhì)情況較典型的斷面進(jìn)行有無(wú)水擊壓力情況下隧洞的結(jié)構(gòu)計(jì)算比較。經(jīng)分析最終將2#隧洞樁號(hào)2K0+280.0作為典型斷面。該斷面地層巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組第一段(P1q1)灰色厚層狀灰?guī)r，屬中硬巖，局部夾頁(yè)巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整；洞壁多干燥，局部濕潤(rùn)。屬Ⅲ類(lèi)圍巖，彈性抗力取值2900MN/m2。

6 水擊壓力

水工隧洞運(yùn)行過(guò)程中，水流流速發(fā)生急劇變化將引起大幅度波動(dòng)，而產(chǎn)生巨大壓力形成水擊壓力，比如發(fā)電機(jī)組直線(xiàn)啟閉。經(jīng)過(guò)調(diào)保計(jì)算，確定最大內(nèi)水壓力(含水機(jī)壓力)出現(xiàn)在2#引水隧洞，典型計(jì)算斷面位于最大內(nèi)水壓力處，總壓力水頭74.74m。計(jì)算中導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律和2#機(jī)組甩負(fù)荷大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)下圖。

圖1 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

1 導(dǎo)頁(yè)關(guān)閉時(shí)間 2 機(jī)組轉(zhuǎn)速 3 蝸殼壓力 4 尾水管壓力 5 機(jī)組功率

7 計(jì)算方法

7.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

隧洞斷面較大，且兩條隧洞間距較小，隧洞結(jié)構(gòu)采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，圍巖壓力采用系數(shù)法計(jì)算，荷載計(jì)算模型如下：

圖3 隧洞荷載計(jì)算模型

在內(nèi)水壓力作用下，鋼筋面積按下式計(jì)算：

式中：P——均勻內(nèi)水壓力(襯砌內(nèi)緣頂部的內(nèi)水壓力值)，在承載能力極限狀態(tài)為設(shè)計(jì)值，在正常使用極限狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按結(jié)構(gòu)安全級(jí)別采用，本工程取1.0；

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)；

Ko——圍巖單位彈性抗力系數(shù)，kN/m3(kPa/m)；

[σs]——鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值，kPa；

Ec——混凝土彈性模量，kPa。

7.2 正截面裂縫寬度驗(yàn)算

考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長(zhǎng)期作用影響后的最大裂縫寬度，按下列公式計(jì)算：

式中：wmax——最大裂縫寬度，mm；

lf——平均裂縫間距，mm；

ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；當(dāng)ψ<0.3時(shí)，取ψ=0.3；

α1、α2——計(jì)算系數(shù)；

d——受拉鋼筋直徑，mm；

μ——受拉鋼筋配筋率；

ν——與受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù)：對(duì)螺紋鋼筋，取v=0.7。

8 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算分為兩種工況，除內(nèi)水壓力不同外，其余所有參數(shù)相同，兩種工況內(nèi)水壓力情況如下：

工況一：內(nèi)水壓力不考慮水擊壓力，內(nèi)水計(jì)算水頭60.80m；

表1運(yùn)行期持久狀況承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力比較

工況一工況二軸力(kN)彎矩(kN·m)軸力(kN)彎矩(kN·m)相差比例(%)1285.417.071564.618.9921.721307.947.681590.489.8321.601210.526.151517.468.9025.361233.167.561523.819.7223.571179.656.91470.348.8224.64

表2運(yùn)行期持久狀況正常使用極限狀態(tài)內(nèi)力比較

工況一工況二軸力(kN)彎矩(kN·m)軸力(kN)彎矩(kN·m)相差比例(%)1219.26.711485.678.5221.861242.517.321512.199.3721.701146.925.791440.858.4425.631171.47.211448.819.2623.681118.656.551396.058.3724.80

工況二：內(nèi)水壓力考慮水擊壓力，內(nèi)水計(jì)算水頭74.74m。

工況一根據(jù)計(jì)算內(nèi)力配筋，其抗裂度不滿(mǎn)足要求，故工況一配筋受裂縫寬度控制。配筋成果見(jiàn)表3、表4。

表3 工況一按內(nèi)力配筋計(jì)算成果

表4 工況一按裂縫寬度配筋計(jì)算成果

工況二根據(jù)計(jì)算內(nèi)力配筋，其抗裂度不滿(mǎn)足要求，故工況二配筋受裂縫寬度控制。配筋成果見(jiàn)下表5、表6。

表6 工況二按裂縫寬度配筋計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算成果，在考慮水擊壓力的情況下，內(nèi)層布置HRB400直徑32mm鋼筋，間距150mm，外層布置HRB400直徑25mm鋼筋，間距150mm，基本滿(mǎn)足控制裂縫寬度0.25mm。為更好控制裂縫寬度，襯砌斷面內(nèi)層采用HRB400直徑25mm與HRB400直徑20mm焊接的鋼筋束，間距150mm，外層采用HRB400直徑25mm鋼筋，間距150mm。

9 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于本工程引水隧洞，根據(jù)兩種內(nèi)水壓力形成的兩種工況計(jì)算對(duì)比，工況二(考慮水擊壓力)比工況一(不考慮水擊壓力)內(nèi)力增加約21%～25%。為保證壓力隧洞結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中須充分考慮水擊壓力的影響。