白河发电隧洞结构安全分析

张立涛

(北京市密云水库管理处，北京 101512)

1 基本情况

密云水库白河发电隧洞，尾部与白河电厂连接，任务是向下游输水、发电。隧洞为圆形压力隧洞，洞身为圆形钢筋混凝土，内直径6m，全长421.36m。衬砌厚度0.6m，发电最大引用流量Q=229m3/s，不发电最大引用流量Q=380m3/s。

运行几年后，在桩号0+100～0+120附近正长斑岩层的上游洞外地下水位与库水位相差很少，而下游地下水位则骤降至洞底以下;桩号0+100以后很大一段范围内外水压力比原设计的低。虽然后来对隧洞进行了回填灌浆和固结灌浆，自经过1994年最高库水位运行后，对洞身衬砌进行检查发现洞身存在一些环向裂缝，长度均小于1m，宽度均小于1mm。

2 白河电站洞身段工程地质条件

白河发电隧洞由于地层倒转折裂，使得大部分洞壁岩层受到剧烈扰动，岩石普遍不完整，且断裂，裂隙大多夹有1～10cm的潮湿黏土颗粒，极易崩解。岩层倾向上游，倾角60～80°，局部直立，与洞轴线成60～70°夹角。岩层构造变动现象可概括为填充构造裂隙发育，小型(宽度多不大于1m)断层颇多，最大频率1条/m，因此，在洞顶往往形成三角形或扇形不稳定岩块。

3 电站引水隧洞衬砌设计和施工配筋校核

a.荷载情况:荷载主要包括均匀内水压力、不均匀内水压力、外水压力、山岩压力、衬砌自重等，如下图所示。

隧洞内外水压力线图

b.根据内力组合，对配筋数量和抗裂安全进行计算并汇制成表，如下表所示。经检查，发现在隧洞衬砌施工中，0+104～0+130、0+147～0+159、0+207～0+237三段存在衬砌配筋量低于设计量，导致洞身混凝土开裂，致使洞身漏水，发生钢筋锈蚀，进而降低钢筋强度，影响结构耐久性，因此，需要加固。

白河发电隧洞配筋与安全系数表

4 调压井处最高涌浪高度校核

设计内水压力、外水压力与实际工况存在一定区别，且电站发电机导叶有效关门时间比原设计短。原设计水轮机过水部件按照水击水头80.5m计算时，部件处水位折合高程为172.5m，水击出现的涌浪在调压井处高程为164.2m，水击反流引起的水头损失为8.3m。因此，需要重新核算水力过渡过程。经过计算，正常蓄水位为157.5m时，机组部件处最大水击压力及静水头之和为89.42m，折合水位高程为181.42m，故在调压井处因水击引起的涌浪高程h=181.42m(水击回流引起的水头损失)。

当原设计库水位为157.5m时，水轮机部件最大静水头压力为60m，水击水头为20.5m，在调压井处引起涌浪高度为11m;当发电机导叶有效关门时间比原设计短时，反流速度大于原设计，引起的水头为12.3m，因此，在调压井处水击回流引起的水头损失为181.42m-12.3m=169.12m，而设计调压井顶高程为170.5m，故应引起足够重视。

5 隧洞的灌浆加固分析

隧洞灌浆设计采用回填灌浆和固结灌浆两种形式相结合。两种形式断面之间的距离均为5m，回填灌浆在每个断面拱顶设置3孔，深入岩石0.2m，固结灌浆在每个断面上均匀布置6孔，深入岩石4m。两种灌浆断面间距2.5m(属于交替布置)，在回填灌浆完成7天后进行固结灌浆施工。从施工记录看，不管是回填灌浆还是固结灌浆，施工质量均符合规范要求，衬砌钢筋混凝土与4m厚的岩壁黏结成为一个整体，大大提高了隧洞安全系数。

6 隧洞安全系数核算

施工中实际测得的岩石坚固系数 f=1、2、3、4，由于岩石很松散，近似看作f=tgφ(φ为内摩角)，取f=1，则洞顶自然成拱时的塌落高度为3m，洞衬砌厚0.6m和固结灌浆厚4m之和为4.6m。

洞身灌浆后，隧洞受力模式按照洞内充水时沿着衬砌混凝土环向受拉进行计算。库水位取157.5m，洞内水压力最大为54.62m。取1m段洞体作受力分析:将洞体沿着轴线处切开。

混凝土受拉力为F=PR(式中:F为拉力t，P为内水压强最大为56.12t/m2，R为半径3m)

钢筋为Ⅱ级螺纹钢，弹性强度2.85t/cm2，隧洞衬砌配筋为双层钢筋，内外层钢筋数量型号相同，沿着洞轴线1m长度上单层配筋面积分别为:27.14cm2、29.45cm2、22.62cm2、30.79cm2、15.7cm2、40.27cm2、24.54cm2、19cm2、36.95cm2;0+159 ～0+207 段钢筋面积15.7cm2，双层钢筋断面面积为31.4cm2，钢筋抗拉力为 F0=2P0S(式中:F0为拉力 t，P0弹性强度为2.85t/cm2，S为钢筋断面面积)，则钢筋的抗拉力为F0=31.40×2.85×2=179t，C20混凝土的抗拉力为60t/m2，洞衬砌厚0.6m，混凝土抗拉力 F1为0.6×60=36t，F=48.8t/m2×3m=146.4t，安全系数 K=(F0+F1)/F=215/146.4=1.47;在0+407～0+417段，F=56.12×3=168.36t，钢筋抗拉力为 36.95×2×2.85×2=420t，混凝土抗拉力为36t，抗拉安全系数K=456/168.36=2.7。由于灌浆加固，在混凝土受拉开裂时，灌浆的岩石对混凝土洞壁产生了被动侧压力，限制了开裂。因此，综合考虑安全系数K大于1.7，洞身衬砌安全。

7 裂缝分析

洞身衬砌混凝土属于大体积混凝土，查阅施工资料，在隧洞衬砌完成后不久，洞内温度突然降到零度左右。内部水化热在一定时期内存在，内外存在温度梯度差，导致混凝土沿着长度方向进行收缩，产生开裂;而施工缝处若处理不当，就会使新旧混凝土结合处出现冷槎，导致裂缝出现。因此，只要对裂缝进行密封处理，防止钢筋发生锈蚀，就不会影响结构整体安全。

8 结语

a.白河发电隧洞虽然在设计及施工上存在一定缺陷，但对洞体进行了回填灌浆和固结灌浆，改变了洞体受力模式，由环向受压加弯曲的模式变为环向受压，结构的安全系数大大提高。

b.混凝土洞身开裂，只要对环向缝密封，保证钢筋不被锈蚀，对结构安全影响不大。

c.高水位157.5m时的发电情况，建议再次充分论证调压井处的水击涌浪高度。■

1 林继镛.水工建筑物［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

2 密云水库管理处.密云水库建库50周年论文汇编［G］.2010.

3 清华大学.密云水库安全检查报告［R］.1996.