高压输水隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计分析

高压输水隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计分析

发表时间：2019-10-12T11:08:30.330Z 来源：《云南电业》2019年4期作者：李建秋

[导读] 本文结合已建成的在运电站输水隧洞作为案例，以其为该类结构形式的代表，对结构设计进行分析，为相似功能、结构的水工建筑物设计提供参考借鉴。

（惠州蓄能发电有限公司广东省惠州市 516100）

摘要：埋藏式高压输水隧洞在我国华南地区抽水蓄能电站得到了广泛，隧洞采用钢筋混凝土衬砌结构，利用围岩承载，大大降低了隧洞经济成本。结合局部灌浆锚固处理，提高了隧洞整体性和防渗能力。本文结合已建成的在运电站输水隧洞作为案例，以其为该类结构形式的代表，对结构设计进行分析，为相似功能、结构的水工建筑物设计提供参考借鉴。

关键词：高压输水隧洞；混凝土衬砌；结构分析

在我国华南地区，抽水蓄能电站输水系统多采用埋藏式高压引水隧洞，其结构形式以现浇钢筋混凝土衬砌为主。为提高围岩的防渗性及整体性，以便能充分利用围岩的自承能力从而达到减小钢筋混凝土衬砌厚度的目的，工程上对输水隧洞部位围岩进行了锚固及灌浆处理，本文以惠州抽水蓄能电站为例，结合输水系统沿线工程地质情况，对相应工程措施做分析研究。

一、结构设计分析

抽水蓄能电站压力输水隧洞衬砌结构设计与作用在衬砌上的各种荷载及围岩和衬砌材料的性质有关，而作用在衬砌上的荷载种类及大小又与隧洞的运行状态有关。

为充分利用围岩的自承能力采取较薄的钢筋混凝土衬砌，输水隧洞的布置是综合分析研究了地形、地质、覆盖层厚度、水力学条件、施工、运行条件和沿线电站建筑物的各自特点并通过不同方案比较优化后最终确定的，使得输水系统主要洞室深埋于以Ⅰ～Ⅱ类围岩为主的微风化～新鲜岩石中，高压岔管位于的部位在Ⅰ、Ⅱ类围岩中，进出水口段、过沟段、断层破碎带以Ⅲ类围岩为主，仅少量为Ⅳ类围岩。

隧洞段承受的内水压力以蜗壳处产生最大动水压力和上游调压井最高涌浪所组成的动水压力分布线取值，隧洞承受的外水压力，根据本工程的工程地质及水文地质条件，参考已建工程经验，假定为洞顶围岩覆盖厚度的0.2倍折减。

隧道钢筋混凝土衬砌按现行设计规范推荐的结构力学以及有限元计算方法进行限裂设计，表1为按规范结构力学方法初步分析计算的隧洞设计成果。

惠蓄电站输水系统隧洞衬砌最终采用考虑渗流场及应力场耦合的非线性有限元计算方法，假定围岩为弹塑性介质，混凝土衬砌为透水的弹性介质，使用ANSYS 5.7软件进行分析计算，分别考虑施工期围岩初始地应力+开挖释放荷载、运行期围岩开挖地应力+结构自重+内水压力（按面力）、运行期围岩开挖地应力+结构自重+内水压力（按渗透体积力）、检修期围岩开挖地应力+结构自重+外水压力+高压固结灌浆残余应力（外水压力和高压固结灌浆残余应力均按面力作用）4种工况，按引水隧洞、尾水隧洞、高压隧洞等不同水头值，分别对各类围岩模型进行计算，采用限制应力配筋法进行配筋，限裂设计的最大裂缝宽度取为0.2mm。计算出的裂缝宽度满足设计要求，按输水隧洞所在位置的围岩情况，结合广蓄电站成功的工程实践，确定输水隧洞配筋采用单层钢筋结构即可满足工程要求。

二、结论

抽水蓄能电站发电引水系统一般都承受高压水头，为满足运行要求，发电引水隧洞洞身皆要衬砌。惠蓄电站隧洞钢筋混凝土衬砌先后

按现行设计规范推荐的结构力学方法计算分析和考虑渗流场及应力场耦合的非线性有限元计算方法进行限裂设计，并用限制应力配筋法进行配筋，满足各种设计工况下的运行要求。

为提高围岩的防渗性及整体性，以便能充分利用围岩的自承能力从而达到减小钢筋混凝土衬砌和压力钢支管厚度的目的，需对输水隧洞、岔管等部位围岩采取锚固及灌浆处理。外水压力往往是高压管道稳定的控制因素，为满足高压段隧洞工况计算结果的稳定要求，工程上在高压段，尤其是岔管和高压钢支管周围，应利用厂房地质探洞设置灌浆防渗帷幕及幕后排水设施，通过帷幕堵截及幕后间接和直接排水网络疏排来降低外水压力。

以围岩承载为主，灌浆锚固为辅，加以适当的引排减压措施，可确保钢筋混凝土衬砌结构即使在高水头工况下，仍可满足计算结果稳定要求，实现混凝土衬砌结构高压输水系统，与全洞段钢衬相比，可大大降低工程造价成本。

参考文献：

[1]侯靖，胡敏云.2001.水工高压隧洞结构设计中若干问题的讨论[J].水利学报，2001（7）：36-40.

[2]顾慰慈.1990.水工隧洞的设计理论和计算[M].北京：水利电力出版社.

[3]王小军.2010.高水头引水隧洞衬砌结构非线性有限元分析[D]：[硕士].西安：西安理工大学.

[4]刘秀珍.1999.水工隧洞衬砌结构设计中的一些基本原则[J].水利水电技术：30（12）：62-64.

[5]陈振.2013.水工导流隧洞混凝土衬砌开裂规律的研究[D]：[硕士].重庆：重庆交通大学.

[6]张孟七.2007. 钢筋混凝土高压隧洞围岩应力场的分析[D]：[硕士].西安：西安理工大学.

[7]冯永冰.2004. 水工高压隧洞性状分析[D]：[硕士].杭州：浙江大学.