徐嵐

（上海市水利工程集團(tuán)設(shè)計有限公司（上海友為工程設(shè)計有限公司）,，上海200093）

［摘要］針對厄瓜多爾TP水電站二級壓力隧洞末端143倉（樁號8+432.00）混凝土襯砌結(jié)構(gòu)檢測強度不足,，提出了加固措施探討,。本文通過方案比選，最終結(jié)合工程實際選定采用加厚襯砌結(jié)構(gòu),，并通過有限元計算進(jìn)行論證分析,，計算表明結(jié)構(gòu)滿足工程安全要求。

［關(guān)鍵詞］引水隧洞,；襯砌結(jié)構(gòu),；加固措施；有限元計算

水電站引水發(fā)電壓力隧洞為地下結(jié)構(gòu),，開挖后破壞了原來巖體內(nèi)的應(yīng)力平衡,，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形甚至崩塌,，為此,，常需設(shè)置臨時支護(hù)和永久性襯砌。鋼筋混凝土襯砌應(yīng)用最廣,，適用于中等地質(zhì)條件,、斷面較大、水頭及流速較高的工況,。

1 工程簡介

TP水電站二級壓力隧洞從Toachi大壩取水到Alluriquín電站的上調(diào)壓井,，隧洞全長8.7km。隧洞起始點底面高程954.80m,，終點底面高程780.0m,，底部縱坡約2%。隧洞內(nèi)直徑5.60m,鋼筋混凝土襯砌,。0~3km襯砌厚度為0.3m,，3~8.7 km襯砌厚度為0.35m。143倉段位于二級壓力隧洞末端,，143倉洞段圍巖二級壓力隧洞樁號8+432 m處,，其巖石類別為II類。143倉洞段襯砌設(shè)計厚度0.35m,，混凝土強度35MPa,，配置2層鋼筋φ28@200。施工完成后混凝土檢測強度分別為：26.68MPa（右邊墻,，樁號8+432.90）,，24.17MPa（右邊墻，樁號8+430）,，28.00MPa（底板,，樁號8+ 432.90），21.06MPa（底板,，樁號8+432）,，30.39 MPa（右邊墻，樁號8+430）,，26.74MPa（左邊墻,，樁號8+432）,。其平均強度約為（26.68+24.17+28.00+ 21.06+30.39+26.74）/6=26MPa，小于設(shè)計強度35 MPa,，為了保證隧洞安全,，需對143倉段襯砌進(jìn)行加固處理。

2 加固方案

混凝土強度不足對結(jié)構(gòu)的承載力,、裂縫控制及耐久性產(chǎn)生不利影響,，目前國內(nèi)外對混凝土強不足的處理措施主要有直接加固法、間接加固法及綜合加固法,。其中直接加固法主要有增大截面法,、外包鋼材法、錨貼鋼板法,、黏貼纖維法,、外加預(yù)應(yīng)力法、混凝土置換法,。

綜合該項目施工環(huán)境及工期要求,，綜合比選鋼襯法、黏貼纖維法及增大截面法：

1）鋼襯加固法可以改善襯砌結(jié)構(gòu)安全和防滲能力,，增加襯砌抵抗內(nèi)水壓力的能力,，是圓形隧洞常用的加固措施之一。143倉段處于壓力隧洞末端,，其外水壓力較大,，需解決好鋼襯與混凝土接觸面及鋼襯起始段的止水措施，防止鋼襯因外水壓力而發(fā)生失穩(wěn)破壞,。

2）黏貼纖維法是用膠粘劑將纖維布或纖維板等復(fù)合材料粘貼到構(gòu)件需要加強的部位,，常用于承受靜力作用下的受彎或受拉構(gòu)件。加固時可選用玻璃纖維,、芳綸纖維、玄武巖纖維或碳纖維材料,。

3）增大截面法系采用與原結(jié)構(gòu)相同的材料增大混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面面積,，同時增配鋼筋，從而提高其承載力,、剛度的一種直接加固方法,。

此項目鋼襯生產(chǎn)周期較長，黏貼纖維法應(yīng)用于水工隧洞項目較少,，綜合該項目施工特點采用施工方法成熟的增大截面法,。將已建成的襯砌內(nèi)表面鑿毛，掛網(wǎng)φ6mm@150mm×150mm,，噴混凝土0.15m,，要求新噴的混凝土強度不低于平均檢測強度26MPa,。加固方案見圖1。

圖1 加固方案圖

3 加固計算

3.1 基本資料

1）地質(zhì)資料：巖石類別為Ⅱ類,；巖體質(zhì)量指標(biāo)RMRd為74,；巖石地質(zhì)強度指標(biāo)GSI為69；巖石質(zhì)量分類系統(tǒng)Q為28,；巖石飽和單軸抗壓強度UCS為73MPa,；巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為78%；巖石的變形模量Erm為26GPa,；泊松比v為0.23,。

2）材料特性：混凝土，指定混凝土抗壓強度fc′= 35MPa,，彈性模量E=27806MPa,；鋼筋，ASTM A615,，G60,，抗壓強度fy=420MPa，E=200000MPa,。

3）壓力隧洞特征水位：隧洞運行時需要經(jīng)受住最大,、最小水位和水擊引起的水壓力，運行最低水位為965.0m,，運行最高水位為970.0m,，發(fā)生水擊時最高涌浪水位為1001.93m。

3.2 計算方法

計算采用三維有限元軟件ANSYS以襯砌作為承載主體,，采用平面應(yīng)變模式進(jìn)行計算,。圍巖與襯砌的相互作用使用只有壓縮作用的彈簧COMBINE39單元模擬（當(dāng)承受拉力時彈簧將失效）。襯砌斷面尺寸見圖2,，計算中取4個應(yīng)力監(jiān)測控制斷面,，見圖2。

彈簧的強度通過下列公式計算：

圖2 襯砌截面（尺寸單位：m）

式中：Kn——彈簧的剛度,，kN/m3,；Erm——巖石的變形模量，kN/m2,；R——圓弧段半徑,，m；v——泊松比,；B——直線段長度,，m。

3.3 設(shè)計荷載組合及荷載系數(shù)

對于襯砌的設(shè)計,，將采用EM1110-2-2901規(guī)范中表9.1中規(guī)定的4個荷載組合和相應(yīng)的荷載系數(shù),?？紤]的荷載組合見表1。

表1 設(shè)計荷載組合及荷載系數(shù)表

荷載荷載組合1234（1）自重1.31.11.11.1（2）巖石壓力Pv1.41.21.41.2（3）運行靜水壓力1.4（4）瞬態(tài)靜水壓力1.1（5）外部靜水壓力1.41.1

對表1中除自重外的各項荷載說明如下：

1）巖石壓力Pv

襯砌周圍的巖石壓力用下式計算：

式中：γ——巖石的重度,；Deq（1-RMR/100）——巖石荷載高度,，參見USACE《巖石隧洞與豎井工程設(shè)計手冊》（EM1110-2-2901）7-2c，RMR為巖體質(zhì)量指標(biāo),；Deq——隧洞的等值直徑,，Deq=為壓力洞的開挖橫斷面面積。

2）運行靜水壓力（內(nèi)水壓力）

指的是工作時的正常的內(nèi)水壓力（970.00m）,，減去在工作的正常條件下的最小的外水壓力,。采用襯砌的內(nèi)部水壓力。

3）瞬態(tài)靜水壓力

指的是當(dāng)閥門突然關(guān)閉甩負(fù)荷時,，如發(fā)生水擊的瞬間內(nèi)壓減去最小外壓,。調(diào)壓井中波動的最高涌浪水位線在1001.93m高程處，從這個點開始畫一條直線和大壩正常水位線相連（965.00m）,，確定沿隧洞超壓的數(shù)值,。

4）外部靜水壓力

指的是當(dāng)隧洞放空時，作用在隧洞上的最大外部靜水壓力,。對于荷載組合U3,，隧洞頂部承受3倍隧洞直徑長的水柱作用。對于荷載組合U4,，研究隧洞快速放空時的截面承載能力,，假定外水壓力作用在混凝土—巖石界面上，其數(shù)值等于從大壩運行水位（965.00m）開始測量的內(nèi)水壓力,。

根據(jù)計算結(jié)果得出：斷面的拉應(yīng)力受U1荷載組合控制,，壓應(yīng)力受U4荷載組合控制，U2及U3荷載組合均不是控制工況,。

3.4 鋼筋混凝土襯砌設(shè)計

鋼筋混凝土襯砌的設(shè)計是根據(jù)ACI318-11和EM1110-2-2104設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)完成,，并且應(yīng)該滿足條件：φMn≥Mu；φVn≥Vu,；φPn≥Pu,。

其中：Mn為界面界面的名義抗彎強度，Nm,；Mu為截面的計算抗彎強度，Nm,；Vn為橫截面的名義抗剪強度,，N；Vu為截面的計算剪力,，N,；Pn為截面名義軸向抗力強度,；Pu為截面軸力設(shè)計值；此處φ為強度折減系數(shù),，按照ACI318-11的規(guī)定采用：抗拉強度折減系數(shù)φ=0.9,，剪切強度折減系數(shù)φ= 0.75，抗壓強度折減系數(shù)φ=0.65,。

對于此次計算中過水?dāng)嗝鏋閳A形的襯砌,，在受徑向壓力作用時，產(chǎn)生的內(nèi)力以沿環(huán)向的Pu為主,。根據(jù)此受力特點,，計算中可忽略彎矩的影響。

1）核算襯砌的軸向壓縮

襯砌中軸向壓縮的公式如下：

式中：fc′——指定混凝土的抗壓強度,；ρ——拉力鋼筋配筋率,；ρ′——壓區(qū)鋼筋配筋率；Ag——混凝土截面的總面積,；b——截面寬度,；d——從壓縮末端纖維到縱向受拉鋼筋重心的距離。

2）核算襯砌的軸向拉伸

為了抵抗襯砌的軸拉,，加固鋼筋吸收所有的負(fù)荷并且完全的忽略混凝土抗拉強度,。

式中：σi，σo——計算斷面1~4每個斷面內(nèi),、外點處應(yīng)力,；As——計算鋼筋面積，mm2,。

3）核算截面的剪力

φVn≥Vu

橫截面的名義抗剪強度由有以下關(guān)系式定義：

只考慮承受彎曲和剪切的因素,，混凝土的強度計算公式：

考慮到承受軸壓縮，混凝土的強度計算公式：

考慮到承受軸拉力,，混凝土的強度計算公式：

在這個表達(dá)式中Nu對于拉力是負(fù)的,，Vc不能小于0。

抗剪強度與剪力鋼筋有如下關(guān)系：

式中：Vc——混凝土抗剪強度,，N,；Vs——計算鋼筋抗剪強度，N,；bw——抗剪截面的寬度,；Nu——最大軸力；Av——橫截面的抗剪鋼筋的面積,；S——橫向鋼筋的間隔,；τi，τ0——計算斷面1~4每個斷面內(nèi)、外點處應(yīng)力,。

4計算結(jié)果分析

以4個應(yīng)力監(jiān)測斷面計算出的內(nèi)力最大值Pu|max,、Vu|max進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以U1工況截面最大拉力確定配筋面積,，以U4工況截面最大壓力復(fù)核所配截面抗壓承載力,。隧洞襯砌計算結(jié)果匯總表見表2。

由表2可見,，在各個荷載組合作用下,，隧洞襯砌的抗力均大于作用力，滿足上述規(guī)范的要求,。因此,，采用掛網(wǎng)噴混凝土0.15m，新噴的混凝土強度不低于平均檢測強度26MPa的處理方案,，能夠保證襯砌結(jié)構(gòu)安全,。

［參考文獻(xiàn)］

［1］中國水電顧問集團(tuán)公司.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度設(shè)計（2003年修訂版）［M］.北京：中國水電顧問集團(tuán)公司，2003.

表2 隧洞襯砌計算結(jié)果匯總表

注：正應(yīng)力拉為正,，壓為負(fù),；拉力為正，壓力為負(fù),；襯砌厚度為0.50m,。

巖石類別工況斷面Vu|max/kN Pu|max /kN As /mm2Av /mm2φVc /kN φVs /kN φVn /kN φPn /kNⅡU1 10.020.00 11.6 3.522.84 1590.2φ[email protected] 2-0.01-0.013.492.84 30.010.014.052.25 40.01-0.062.692.38 U2 1-0.040.01 37.3 -14.87-11.36 -6557.9φ[email protected] 20.01-0.01-14.44-11.75 3-0.09-0.05-11.95-13.96 4-0.020.17-7.26-18.52剪應(yīng)力/MPa τiτo正應(yīng)力/MPa σiσo

［2］ACI318M-11.BuildCodeCequirementsforStructural ConcreteandCommentary［S］.AmericanConcrete Institute，2004．

［3］EM1110-2-2901,，EngineeringandDesighTUNNELS ANDSHAFTSINROCK《巖石隧洞與豎井工程設(shè)計手冊》［S］.Washington,DC:DepartmentoftheArmyU. S.ArmyCorpsofEngineers,，1997.

［4］徐有鄰，顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)工程裂縫的判斷與處理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,，2010：148.

［5］ASTMA-615.StandardSpecificationforDeformedand PlainCarbon-SteelBarsforConcreteReinforcement［S］. WestConshohocken,PA:ASTMInternational,，2016.

［中圖分類號］TV672+.1

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1002－0624（2017）07－0003－03

[收稿日期] 2017-02-13