王 明

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)迫在眉睫，抽水蓄能電站作為技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)、可大規(guī)模開發(fā)的大型調(diào)節(jié)電源上升為國家戰(zhàn)略。未來一段時間，抽水蓄能電站將迎來一波建設(shè)開發(fā)熱潮。高壓隧洞作為蓄能電站樞紐的重要組成，大多埋深大、承受超高水頭，對于采用鋼筋混凝土襯砌型式的高壓隧洞其結(jié)構(gòu)是設(shè)計工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。目前鋼筋混凝土襯砌高壓隧洞的內(nèi)力及襯砌配筋計算方法主要有以下幾種：① 公式法[1]，將襯砌與圍巖相互分開，采用厚壁圓筒原理推導(dǎo)的公式，將圍巖視為荷載，該方法未考慮巖體聯(lián)合承載作用，配筋結(jié)果偏大；② 邊值法[2]，對非圓形斷面隧洞襯砌靜力計算具有較好的適用性；③ 常規(guī)線彈性有限元法[3]，其對襯砌剛度考慮偏大、圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力較少、計算結(jié)果偏大；④ 透水襯砌非線性有限元法[4-5]，充分考慮襯砌圍巖聯(lián)合作用、襯砌本構(gòu)一致性好、計算結(jié)果適中貼合實(shí)際。

1 工程概況

廣東陽江抽水蓄能電站(以下簡稱陽蓄)位于廣東省陽春市八甲鎮(zhèn)山區(qū)，電站分近期和遠(yuǎn)期進(jìn)行建設(shè)，每期的裝機(jī)容量均為1 200 MW。樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及地面開關(guān)站、連接道路等組成。上水庫、下水庫、泄水建筑物及進(jìn)出水口(含閘門井)在近期一次建成，輸水發(fā)電系統(tǒng)分期建設(shè)。

近期電站輸水系統(tǒng)采用一管三機(jī)、中部式開發(fā)、兩級豎井總體布置，從上游調(diào)壓井至岔管段為高壓隧洞，包括上豎井、中平洞、下豎井、下平洞，均采用鋼筋混凝土襯砌。高壓隧洞地表為陡坡段，南高北低，地面高程為770～410 m，坡角為30°～40°，垂直埋深從71 m增加至582 m。高壓隧洞最大靜水壓力約8 MPa，最大動水壓力超11 MPa，設(shè)計PD值為5 993 m2，遠(yuǎn)高于國內(nèi)已建和在建的蓄能電站，在國際上也處于前列。陽蓄高壓隧洞在項(xiàng)目前期研究階段詳細(xì)論證了最小覆蓋厚度準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則以及滲透穩(wěn)定性準(zhǔn)則的適用情況，最終決策采用鋼筋混凝土透水襯砌作為高壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)水壓力大部分通過襯砌傳遞至外圍巖體承擔(dān)，襯砌配筋與結(jié)構(gòu)力學(xué)相比可大幅減少，由此節(jié)省工程投資，降低施工難度，加快施工進(jìn)度。

2 高壓隧洞地質(zhì)條件及布置

高壓隧洞通過的巖性均為燕山三期中粗?；◢弾r。隧洞沿線斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要表現(xiàn)為小斷層與裂隙，寬度一般小于2 m，以SN、NWW、NE～NEE為主。斷裂構(gòu)造膠結(jié)總體良好，規(guī)模均不大，以陡傾角為主，對圍巖穩(wěn)定影響總體不大。除局部圍巖受斷層影響呈強(qiáng)～弱風(fēng)化，其余大部分洞段深埋于微風(fēng)化～新鮮的巖體內(nèi)。斷層破碎帶以Ⅲ類圍巖為主，夾少量Ⅳ類圍巖，其余洞段以Ⅰ類～Ⅱ類圍巖為主。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，高壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算參數(shù)見表1。

表1 高壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

高壓隧洞上豎井、中平洞、下豎井、下平洞，中心高程分別為702.749～355.01 m、355.01～350 m、350～5.372 m、5.372～-12.6 m。上豎井高度為347.48 m，下豎井高度為344.63 m，中平洞及下平洞坡度均為5%，隧洞內(nèi)徑7.5 m，采用C30鋼筋混凝土襯砌，襯厚為0.6～0.8 m。高壓隧洞各部位內(nèi)水壓力及外水壓力分布見表2。

表2 高壓隧洞各部位內(nèi)外水壓力 m

3 襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值計算

1) 計算原理及方法

由于混凝土結(jié)構(gòu)透水性較低，滲透系數(shù)很小，可以將其視為不透水結(jié)構(gòu)。常規(guī)水工隧洞在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中通常將內(nèi)水壓力作為面力作用在襯砌內(nèi)表面進(jìn)行計算。對于抽水蓄能電站水工隧洞，由于其多承受超高內(nèi)水壓力，如仍按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，配筋計算結(jié)果遠(yuǎn)超合理范圍難以滿足要求。透水襯砌理論認(rèn)為在高內(nèi)水壓作用下鋼筋混凝土襯砌的開裂不可避免，襯砌開裂后透水性增強(qiáng)，高壓水沿裂隙從內(nèi)滲入巖體，最終形成穩(wěn)定滲流場。從而使得混凝土砌體內(nèi)外水壓的壓差逐漸降低并達(dá)到平衡，通過滲流應(yīng)力耦合作用，使內(nèi)水面力轉(zhuǎn)換為滲透體積力作用于襯砌結(jié)構(gòu)，而外部的圍巖成為內(nèi)水壓力的主要承載體[6-7]。通過數(shù)值模擬分析，進(jìn)行滲流場與應(yīng)力場耦合分析計算，求解襯砌單元應(yīng)力分布[8-9]。

滲流場與應(yīng)力場的耦合分析首先通過三維有限元模型計算求解穩(wěn)定滲流場，之后根據(jù)襯砌部位滲流分布將滲透壓力轉(zhuǎn)化為滲透荷載進(jìn)行應(yīng)力求解。滲透荷載通過下式求解:

(1)

疊加滲流荷載按下式進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移計算:

[K]{δ}={R}

(2)

式中:

[K]——彈塑性剛度矩陣;

{δ}——結(jié)點(diǎn)的位移矩陣；

{R}——荷載矩陣。

通過下式計算求解單元應(yīng)力:

{σ}=[D][B]{δ}e

(3)

式中:

{σ}——單元應(yīng)力;

[B]——單元幾何矩陣;

[D]——彈塑性剛度矩陣。

假定巖體各向同性，本構(gòu)采用德魯克-普拉格準(zhǔn)則，襯砌采用各向同性非線性彈性模型，襯砌開裂狀態(tài)下滲透系數(shù)取3×10-7m/s。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果按限制鋼筋應(yīng)力法確定所需的鋼筋面積，同時驗(yàn)算襯砌最大裂縫寬度并根據(jù)結(jié)果調(diào)整，襯砌裂縫最大寬度限值為0.3 mm。

2) 計算模型及邊界條件

綜合考慮高壓隧洞結(jié)構(gòu)、圍巖地質(zhì)條件以及襯砌結(jié)構(gòu)計算需求，分別選取中平洞末端及下平洞末端各10 m長的隧洞建立三維有限元模型(以下簡稱中平洞模型和下平洞模型)。根據(jù)地質(zhì)情況，對兩個模型均按照Ⅱ類及Ⅲ類圍巖進(jìn)行各工況計算求解復(fù)核以使計算結(jié)果兼顧整個高壓隧洞(計算模型見圖1)。

圖1 高壓隧洞計算模型示意

應(yīng)力計算邊界條件：模型上表面為地表設(shè)為自由面，下表面為深部基巖將其節(jié)點(diǎn)完全約束，其他面設(shè)置為法向約束。滲流場計算邊界條件：圍巖兩側(cè)面按實(shí)測地下水情況給定第1類邊界條件。至2019年11月，陽蓄地下洞室群基本開挖完畢，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的情況地下水位在200 m左右，因此，其邊界節(jié)點(diǎn)總水頭為200 m。圍巖其它表面設(shè)定為不透水邊界，隧洞襯砌內(nèi)表面按正常蓄水位773.7 m設(shè)定為第1類邊界條件。

3) 計算工況及荷載

考慮到實(shí)際工程水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，分別計算了下平洞和中平洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖工況，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件情況套用。中平洞模型和下平洞模型的每種圍巖分類計算了以下5個工況(見表3)。

表3 高壓隧洞計算工況

通過建立的圍巖襯砌三維有限元模型，進(jìn)行三維初始地應(yīng)力模擬計算，應(yīng)力場求解按自重應(yīng)力考慮，側(cè)壓力系數(shù)取0.8。模擬隧洞開挖，洞周形成臨空面，開挖卸荷應(yīng)力釋放形成二次應(yīng)力場模擬襯砌和圍巖的相互作用。

作用在高壓隧洞混凝土襯砌和圍巖上的總水頭通過滲流場計算得到，將滲流場結(jié)果轉(zhuǎn)化為單元滲透體積力。檢修期無內(nèi)水壓力作用，在外水壓力作用下襯砌裂縫閉合，假定其為相對不透水結(jié)構(gòu)按水工隧洞規(guī)范折減地下水，將外水壓力按面力作用于襯砌外表面。根據(jù)廣蓄一、二期工程的實(shí)測資料和經(jīng)驗(yàn)，高壓灌漿殘余應(yīng)力取灌漿壓力(中平洞和下平洞分別為6 MPa和10 MPa)的10%。

中平洞P1=6×10%=0.6 MPa

(3)

下平洞P2=10×10%=1.0 MPa

(4)

4) 計算成果分析

運(yùn)行期在正常蓄水位773.7 m的高壓水頭作用下，鋼筋混凝土襯砌開裂，內(nèi)水外滲形成穩(wěn)定的滲流場。考慮灌漿的效果，Ⅱ類圍巖和Ⅲ類圍巖灌漿圈的滲透系數(shù)取3×10-7m/s，Ⅲ類圍巖滲透系數(shù)均取1×10-6m/s。

工況D計算結(jié)果表明，考慮內(nèi)水外滲按透水襯砌滲透體積力計算求解，襯砌應(yīng)力值較小(見圖2、圖3)，這與高壓透水襯砌相關(guān)理論以及大量鋼筋混凝土內(nèi)襯高壓隧洞運(yùn)行監(jiān)測資料是相符合的。

圖2 中平洞Ⅲ類圍巖工況D襯砌應(yīng)力示意

圖3 下平洞Ⅲ類圍巖工況D襯砌應(yīng)力示意

為模擬在外壓作用下圍巖與混凝土外表面的不完全粘結(jié)作用，在外壓工況計算求解時將鋼筋混凝土襯砌外側(cè)0.2 m厚圍巖單元彈模降低為原圍巖彈模值的1/50(見表4)。檢修工況E計算結(jié)果表明隧洞襯砌最大環(huán)向壓應(yīng)力值較大，襯砌的徑向壓應(yīng)力較小，各區(qū)域均處于三向受壓狀態(tài)，且最大壓應(yīng)力都低于混凝土的抗壓強(qiáng)度(見圖4、圖5)。

圖4 中平洞Ⅲ類圍巖工況E襯砌應(yīng)力示意

圖5 下平洞Ⅲ類圍巖工況E襯砌應(yīng)力示意

表4 高壓隧洞計算結(jié)果

4 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)行情況

根據(jù)高壓隧洞三維有限元的計算結(jié)果，依據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范DL/T 10391—2020》按限制鋼筋應(yīng)力法進(jìn)行配筋設(shè)計[1]。類比廣蓄[10]一二期、惠蓄[11]、清蓄[12]、深蓄[7]實(shí)際的配筋及運(yùn)行情況，陽蓄高壓隧洞配筋結(jié)果見表5，隧洞襯砌設(shè)計斷面見圖6。計算結(jié)果顯示，襯砌裂縫最大寬度均小于0.3 mm。采用公式法將內(nèi)水壓力按面力計算對比分析，襯砌配筋需增加2.0～4.0倍，下平洞洞段鋼筋間距小于最小允許值，不滿足結(jié)構(gòu)要求。

表5 高壓隧洞配筋 mm

圖6 高壓隧洞襯砌設(shè)計斷面示意(單位：mm)

陽蓄引水道于2021年11月上旬順利完成水道充水，隨后實(shí)現(xiàn)首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。下平洞設(shè)有鋼筋應(yīng)力、變形及滲壓計相關(guān)監(jiān)測設(shè)施。襯砌混凝土與圍巖間布設(shè)的開合度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，襯砌與圍巖之間的縫隙均減小(閉合)并趨于穩(wěn)定，表明襯砌受內(nèi)壓變形實(shí)現(xiàn)與圍巖聯(lián)合承載。襯砌鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，鋼筋應(yīng)力隨著內(nèi)水壓力的增大緩慢增加并趨于穩(wěn)定，鋼筋最大拉應(yīng)力為208.4 MPa，較充水前增加387.0 MPa，應(yīng)力值小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值，表明襯砌受力條件良好，結(jié)構(gòu)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。高壓隧洞外側(cè)的滲壓機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，地下水緩慢小幅上升并趨于穩(wěn)定，表明襯砌開裂可控，未發(fā)生水力劈裂出現(xiàn)較大規(guī)模內(nèi)水外滲情況。

5 結(jié)語

陽江抽水蓄能電站高壓隧洞為國內(nèi)首條800 m級水頭大直徑鋼筋混凝土襯砌水工隧洞。在襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用透水襯砌設(shè)計理論，通過滲流場和應(yīng)力場的耦合，將高內(nèi)水壓作用下形成的穩(wěn)定滲流場轉(zhuǎn)化為體積力作用于襯砌。大大降低襯砌結(jié)構(gòu)的受力，內(nèi)水壓力主要由圍巖承擔(dān)，從而顯著減少襯砌結(jié)構(gòu)配筋[13]。本文對陽蓄高壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)介紹，設(shè)計成果得以運(yùn)用且監(jiān)測情況表明襯砌結(jié)構(gòu)受力良好。陽蓄高壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的成功運(yùn)用表明大直徑、高水頭鋼筋混凝土襯砌具有廣闊的運(yùn)用前景，可為類似工程提供借鑒。