柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌

电力18讯：    摘　要：柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌出现开裂，本文采用钢筋混凝土非线性随机有限元方法对隧洞钢筋混凝土衬砌结构进行了计算，求出了相对应的可靠指标，并对结构的可靠性进行了分析。
　　关键词：水电站；引水隧洞；钢筋砼；裂缝；有限元法；衬砌；可靠性分析；柘溪水电站
1　前　　言
　　柘溪水电站采用单支墩大头坝岸边引水式厂房布置方案，坝高104m，坝顶高程174m，正常蓄水位167．5m。电站的引水发电系统布置在右岸，主要由进水口、引水隧洞和厂房等组成，共装机6台，均为单独隧洞供水。6条引水隧洞从大坝、进水口穿过高山，然后引入厂房，其中1、2、3号引水隧洞由渐变段起至下弯管前为钢筋混凝土衬砌，下弯管以后为钢板衬砌，4、5、6号引水隧洞全为钢板衬砌。6条引水隧洞投产运行已近四十年，均不同程度地出现了钢筋混凝土衬砌开裂和钢板衬砌鼓包等问题，特别是1、2、3号引水隧洞的钢筋混凝土衬砌，裂缝达一百多条，缝宽约0．1～0．2mm。衬砌段开裂后，虽经多次修复，均不能明显根治，使衬砌长期带裂缝工作，不仅导致钢筋锈蚀，降低衬砌本身的承载能力，而且内水外渗，危及山体和边坡的稳定。
　　为了详细、全面地查清导致裂缝产生的根本原因和估计钢筋混凝土衬砌结构的承载能力，采用钢筋混凝土非线性有限元法进行了计算，并利用相似性原理对引水洞衬砌结构进行了仿真材料模型试验。在数值计算和模型试验的基础上，根据《水工钢筋混凝土结构设计规范SDJ20－78（试行）》［1］求得了结构的实际安全系数KR。
　　采用单一安全系数K来描述结构的安全性缺乏科学的依据，难以真实地反映结构的可靠程度，新规范《水工混凝土结构设计规范（DL／T5057―1996）》［2］提出了以概率统计理论为基础的极限状态设计法。其实质就是用结构或构件的失效概率（或可靠概率）描述结构的可靠性，并近似用可靠指标与失效概率的对照关系来反映可靠性的数量关系。新规范适用于基本构件的截面设计计算，但对于引水洞衬砌这种非杆系结构，还不能直接采用。
    笔者经过多年的理论研究，提出了将概率理论与钢筋混凝土非线性有限元方法相结合的钢筋混凝土非线性随机有限元方法。用本方法可直接求得结构的荷载效应和相应的可靠指标，并用可靠指标（或失效概率）描述结构的可靠性。本文将采用此方法对柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌结构的可靠性进行计算分析。关于钢筋混凝土非线性随机有限元的理论可参见文献［3］和［4］，限于篇幅，本文不再详细介绍。
2　基本资料分析
2．1　原设计方案分析
　　在原设计方案中，引水隧洞衬砌按苏联水工隧洞设计规范（Ty－11－51）设计，即按一般结构力学方法，取各单洞衬砌断面计算，沿洞轴线方向取若干控制断面。引水隧洞最长为204m，最短为159m，洞径由6．5m渐变到5．2m或5．5m。两洞间岩体厚度为7．5m，与开挖洞径相同，个别地方甚至小于一倍洞径。相邻两洞间壁厚各处不一，一般为7～12m，这样小的厚度在国内外水工隧洞中是少有的。显然，若按一般结构力学方法取各单洞计算，则不能考虑相邻洞的相互作用；若按弹性理论单一厚壁圆筒公式计算，亦无法考虑相邻洞的相互作用，因该公式仅适用于无限域单一孔口或相邻孔口壁厚大于三倍洞径的情况。当部分区域混凝土开裂后，混凝土将不起作用，钢筋应力剧增，发生显著的应力重分布，这种现象应在计算中加以考虑。
2．2　原设计荷载分析
    原设计所考虑的荷载有：
　　基本荷载：水库水位为170．0m时的内水压力（A1）、岩石压力（A2）、衬砌自重（A3）、岩石侧压力（A4）、无压满水重（A5）、地下水压力（A6）。
    其中，以A1＋A2＋A3为控制组合。
    特殊荷载：水库水位172．71m时的内水压力（B1）和灌浆压力（B2）。
　　资料表明，在水锤作用下洞内将产生远超过设计水头的内水压力，但原设计仅考虑一机开启或关闭。由于相邻两洞壁厚接近洞径，一洞有水、邻洞无水的运行工况应予以考虑［5］。洞内水温与引水隧洞衬砌及其周围岩石温度有一定的差值，从而会使衬砌中产生环向拉应力。衬砌混凝土洞洞径方向的收缩亦会使衬砌中产生径向拉应力，这些情况均应在计算中考虑。
2．3　施工质量
　　原设计钢筋混凝土衬砌的混凝土标号为150号，实测的底拱混凝土强度在60天前普遍只达到116～131号，各块顶拱和边拱也有一部分未达到设计强度。显然，由于实际混凝土强度低于设计强度，导致裂缝比以预期出现得早，从而削弱了衬砌的承载力。另外，钢筋混凝土衬砌段回填灌浆的时间也不尽符合设计要求，有些拱块不到规定的14天就提前灌浆，且排距都比设计要求大，致使混凝土与岩体间的填充不完全，影响了衬砌与围岩的共同工作。
3　计算分析方法
　　根据原设计资料、施工记录和引水隧洞衬砌后的实际情况，采用钢筋混凝土非线性随机有限元法对引水隧洞衬砌进行全面的计算分