阿尔塔什高压混凝土岔管透水理论配筋设计

吴俊杰,杨雪莲,陈显龙

(1.新疆水利水电勘察设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司,新疆 喀什 844000)

近年来，随着我国水电建设的迅速发展，出现了一大批大型和特大型的水利枢纽工程，如阿尔塔什水利枢纽工程[1- 3](砂砾石面板堆石坝最大坝高164.8m)、大石峡水利枢纽工程(最大坝高247.0m)。目前正在规划和设计中的大型水利枢纽装机容量越来越大，如古水水电站[4](面板堆石坝最大坝高250.0m)、茨哈峡水电站[5](面板堆石坝最大坝高257.5m)、如美水电站[6](黏土心墙堆石坝最大坝高315.0m)，上述工程利用的水头也愈来愈高，为了适应水生态环境的需要，长距离混合式电站往往会配套生态电站，为了减少开挖往往会在发电引水隧洞衬砌结构上开孔增加一个混凝土岔管与生态引水隧洞连接通往坝后生态电站，针对超高压隧洞混凝土岔管为空间组合结构，在高速水流和超高内水、围压压力联合作用下其受力极其复杂。伍智钦[7]等人对广蓄二期工程的高压钢筋混凝土岔管渗漏问题进行了探讨，该工程一洞四机布置主洞及高压岔管为钢筋混凝土衬砌承受最大静水头610m。由于位于高压岔管上方兼作排水廊道的地质探洞离岔管过近(只有32m)它们之间的围岩的水力梯度达19m加上灌浆工艺有缺陷，地质上又存在微张结构，因而在首次充水过程中，高压岔管围岩发生局部水力劈裂，地质探洞出现大量漏水，漏水量高达32L/s。针对此类超高压岔管国内外一些专家在许多工程设计和已建工程中通过监测资料突破理论，如张巍[8- 11]应用透水衬砌设计理论对惠州抽水蓄能电站高压隧洞进行数值计算分析。A·Zagars等[12]在广州抽水蓄能电站对最大工作水头530m的混凝土隧洞进行结构设计。肖明[13]研究了混凝土岔管在内水压力作用下开裂后其渗流场改变的特征，并提出了此类结构渗流-应力相互耦合的数值计算分析方法。苏超等[14]建立了地下钢筋混凝土岔管优化数学模型，基于粒子群优化算法，开发了钢筋混凝土岔管结构优化设计程序。文喜雨等[15]应用透水理论讨论了透水衬砌的设计方法，给出了使用透水衬砌理论进行工程设计的基本步骤。李煊明[16]在福建省周宁水电站为503m超高压岔管采用透水衬砌钢筋混凝土结构设计总结了高水头、大PD值高压岔管设计的一些经验。上述工程现场监测数据表明混凝土衬砌结构在运行工况下钢筋应力计值均不大普遍在50MPa以下，这也验证了采用透水理论对高水头、大PD值的地下混凝土衬砌结构设计及配筋是适用的。

阿尔塔什水利枢纽工程是国务院确定的172项重大节水供水工程之一，是国家“十三五”期间100个重大项目之一，该工程总装机容量755MW，设计年发电量21.86亿kW时。枢纽工程对推动南疆地区经济可持续发展、助力乡村振兴都具有重要意义。阿尔塔什水利枢纽工程于2015年11月下旬截流，2020年5月29日大坝主体工程完工，计划2021年5月底工程完工，总工期为74个月。2021年8月工程全部机组并网发电进行涉网调试。由于本工程的地下高压混凝土岔管衬砌也属于复杂空间结构，采用以往传统的结构力学法已无法满足此类结构设计需求。本文根据以往成功案例自主研发透水理论并做大量验证计算后，对本工程高压混凝土岔管进行联合受力分析及配筋，工程目前已经涉网调试，根据监测数据及后期进洞检查均表明，新疆首个采用透水理论设计的混凝土岔管运行状态良好。

1 工程研究区域概况

阿尔塔什水利枢纽工程总库容为22.40亿m3，属Ⅰ等大(1)型工程。由砂砾石面板堆石坝、左岸1号、2号表孔溢洪洞、中孔泄洪洞，右岸1号、2号发电引水洞、深孔泄洪洞，下游15km处的主发电站厂房、以及通往坝后的生态电站厂房的生态基流引水洞等。右岸1号、2号发电引水洞平行轴线间距50m，最大水头117.023m，最大洞径为9.4m，PD值为1100m2均属于高PD值隧洞。本次研究区域如图1(a)所示，研究对象为2号发电引水洞桩号0+640.106m桩号段的混凝土岔管如图1(b)所示，在初设阶段拟定管壁厚度为1.2m，主管内径9.4m，支管内径4.0m，该处最大水头81.88m，PD值为770m2，初设阶段研究区域内混凝土岔管衬砌按照结构力学法得到的厚度与含筋量非常不合理[1]。技施阶段对该研究区域内最关键的混凝土岔管衬砌采用透水衬砌理论进行结构优化及配筋设计。

图1 工程区右岸高压隧洞研究区域图

2 计算原理

透水理论计算运行工况时高水头内水外渗形成渗流场产生体积力作用于结构，渗流场的计算原理为三维稳定渗流微分方程[1- 3]如下：

式中，H—总水头，m；h—压力水头，m；z—位置水头，m；kx、ky、kz—x、y、z三向渗透系数分量，m/s；Q—有源渗流场，m3/s。

将模型剖分引入水头插值函数[A]{H}={F}，得到每个节点水头函数沿方向求导与水体容重相乘，得的空间三向体积力函数如下：

求模型各个节点体积力之和：

{f}=∭V[N]T{f}dV

dt时段内进入单位体积内的水量与内部增量相同，联合推导得出以下方程求得节点应变与体积力关系：

3 研究区域模型及计算参数

3.1 方案制定

本次研究区域桩号发0+640.106m段为Ⅲ类中硬围岩，局部为坚硬岩，考虑混凝土岔管体型需要进行优化，借鉴国内外[17- 25]同等PD值混凝土岔管及工程经验初步拟定管壁厚度为1.4m，为了分析不同管壁厚度的受力状态，以0.2m变换管壁厚度，列出以下4组方案，采用透水理论分析不同壁厚混凝土岔管衬砌结构在运行工况时的应力，比出最优方案用于本工程，见表1。

表1 2号发电洞0+640.106m桩号混凝土岔管优化方案 单位：m

3.2 研究区域及网格剖分

计算模型选取1号、2号发电洞0+640.106m桩号顺水流向上游150m，向下游150m，两侧、垂直上下各取150m，建立三维计算模型如图2(a)所示，将整体模型离散，总单元数为58862个C3D8P节点孔压单元，总节点数50848个，研究区域整体离散网格如图2(b)所示。1号发电洞混凝土衬砌总单元数为11286个C3D8P节点孔压单元，总节点数11342个，2号发电洞混凝土衬砌总单元数为18812个C3D8P节点孔压单元，总节点数19816个如图3(a)所示，混凝土岔管总单元数6000个，总节点数8328如图3(b)所示。

图2 工程区右岸高压隧洞研究区域图

图3 工程区右岸高压隧洞研究区域图(1.2m管壁厚度)

3.3 研究区域计算边界及材料参数

在开挖过程中研究区域无地下水或出水现象，根据地质提供山体地下水位可知该处地下水距离模型研究区尚远，同时根据三维绕坝渗流计算成果[23]该部位外水位于混凝土岔管底部2m，因此，这里两侧岩体沿着洞线方向外水水头按照低于混凝土岔管2m设置为第一类边界条件[24- 27]，山体上游面、山体下游面、山体顶面、隧洞内部按照实际水头设置成第1类透水边界，模型底部山体以及其它表面设定成第2类不透水边界。借鉴同类型工程并结合本工程地质报告，本次用于计算的材料参数见表2。

表2 材料参数

4 计算成果分析

采用透水理论计算拟定4组方案得到混凝土衬砌的最大啦应力与最大弯矩其中混凝土岔管所处有水环境且有轻度侵蚀地下环境，按照规范限裂要求进行配筋，且混凝土裂缝小于限制校核标准0.25mm，优化计算结果见表3。

表3 2号发电洞混凝土岔管衬砌结构优化成果

方案1—4混凝土岔管衬砌厚度从1.6m降低1.0，内水压力不变的情况下，计算成果列入表3与图4可以得出混凝土岔管应力随着管壁厚度减少而降低，方案3主管最大拉应力为1.137MPa如图5(a)所示与方案4主管最大拉应力为1.080MPa，均小于C30混凝土允许拉应力1.47MPa。随着管壁厚度减少外水水头有所增加但不明显。按照应力配筋后满足配筋与混凝土振捣间距大于8cm要求，每米混凝土配置8根钢筋管壁最大裂缝也有所降低，然而随着管壁厚度降低自身强度有限，方案4管壁应力下降不明显，且限裂也不满足要求，如图5(b)所示。因此，最终推荐方案3管壁厚度取1.2m，管壁衬砌内外各配8根25m的钢筋即满足应力需求也满足限裂需求。主管等效岩塑性区为4.2m如图5(c)所示，支管等效岩塑性区为3.8m如图5(d)所示，最终固结灌浆深度为5m。限于篇幅限制以下仅列出最优方案计算成果。

图4 混凝土岔管优化应力成果图(单位：MPa)

图5 2号发0+640.106桩号研究区域剖面混凝土岔管衬砌最大应力与塑性区成果图

5 结语

(1)通过论述我国广蓄二期特高压隧洞混凝土岔管衬砌漏水事件，引出该结构受力复杂无法按照传统规范法结构配筋理念进行设计，有新疆三峡称号的阿尔塔什水利枢纽工程中的混凝土岔管也面临此类问题，采用透水理论进行限裂结构设计及配筋很好的解决了结构设计不合理，含筋量巨大等问题。

(2)混凝土岔管属于空间组合结构，在本次优化计算中支管与主管锐角应力集中较为明显这点与面力计算规律一致，因此，只能通过钝化锐角，建议采用圆倒角降低应力集中，从而使得管壁应力更加均匀。

(3)国家发改委、国家能源局先后发布了《抽水蓄能电价政策》《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》，透水理论为抽水蓄能高压、超高压、特高压隧洞衬砌及混凝土岔管结构设计提供理论支撑。