老挝Nam Ngum 5水电站高压隧洞混凝土衬砌设计

摘要: 介绍老挝Nam Ngum 5水电站引水隧洞后段静水头高达165m，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ，围岩条件较差，为保证隧洞结构的安全，该段隧洞采用了钢筋混凝土衬砌，本文通过对高压隧洞的结构和配筋计算后，得出了作者关于高压隧洞设计的一些观点，为水电工程技术人员做参考。

关键词: 老挝 Nam Ngum5水电站 高压隧洞 混凝土 衬砌设计

中图分类号：TV331文献标识码： A

1 概述

Nam Ngum5水电站位于老挝Nam Ngum河上游右岸支流Nam Ting河上，枢纽总布置主要由首部枢纽、引水工程和厂区枢纽三部分组成。首部枢纽由挡水坝和电站进水口等建筑物组成；引水工程由引水隧洞、调压室、压力管道等建筑物组成；厂区枢纽包括主副厂房、开关站、运行村等建筑物。Nam Ngum5水电站装机容量2×60MW，保证出力44.8MW。引水线路均布设于Nam Ting河右岸，取水口之后设10.0m长渐变段与发电引水隧洞连接。根据隧洞的地形地质条件，并结合厂址位置综合考虑，隧洞轴线平面上采用折线布置，隧洞进口中心高程为1052.500m，末端中心高程为935.000m。隧洞断面采用挂网喷C25细石混凝土、C25钢筋混凝土、钢衬三种形式，喷锚后的隧洞直径为5.2m，钢筋混凝土衬砌后直径为4.2m，钢衬段衬砌后直径为3.8m，外包混凝土厚度为0.8m。引水隧洞总长8736m，综合考虑工程施工、工程地质、水文地质、地形条件等因素，该电站共设4条施工支洞， 其中4#支洞至调压井中心的控制长度为467.082m。其中该段水头较高，最大静水头高达165m，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类，该段采用混凝土衬砌，本文就重点对该段的结构设计进行简要的介绍。

2 地形地质条件

高压隧洞段位于调压井上游方向，该段隧洞垂直埋深约为174~193m左右，隧洞开挖后大部分为Ⅲ类～Ⅳ类围岩，岩性为石英砂岩、板岩、砂质板岩，隧洞轴线与围岩走向夹角为44~80°，整段隧洞的埋深满足规范的要求。但是由于该段的内水压力比较大，静水头高大165m，Ⅲ类围岩为石英砂岩物理性质比较稳定，饱和抗压强度比较高，围岩提供的弹性抗力均比较高，遇水后不会发生失稳破坏，Ⅳ类类主要以砂质板岩为主，但是节理裂隙相当发育，由于围岩比较破碎，故整段应采用钢筋混凝土衬砌。本段区域地质构造稳定，地震烈度为Ⅵ度。

3 结构内力计算

3.1 基本荷载下内力计算公式

该段的基本荷载主要考虑的荷载有垂直松动压力、围岩侧向松动压力、衬砌自重、外水压力，由于地震烈度为Ⅵ度，同时为地下结构，在计算中不考虑地震工况。根据规范计算过程中选用了与竖向夹角为0°、45°、90°、135°、180°各处的断面弯矩和剪力作为控制断面进行计算，各种基本荷载作用下引起的弯矩和剪力根据规范的公式见下表：

各断面弯矩及轴向力公示表

作用荷载 M N

围岩垂直松动压力

围岩侧向松动压力

衬砌自重

满水而无水头压力

外水

压力

注：表中各参数的物理意义及系数值的选用见规范DL 5159-2004附录G6。

3.3 基本荷载下内力计算成果

采用规范的公式进行了不同类别围岩情况下的结构内力见表1、表2、表3、表4

表1 Ⅲ类围岩基本荷载衬砌轴力计算简表

荷载名称 荷载标准值（KN/m2） 相应角度下轴力（KN）

0° 45° 90° 135° 180°

垂直山岩压力 36.52 1.12 19.05 36.52 28.56 22.13

侧向山岩压力 0 0 0 0 0 0

衬砌自重 29.38 0 16.31 46.14 57.86 58.75

无水头水压力 44.1 －22.10 －16.26 －9.46 －16.26 －22.05

外水压力 100 293.80 284.93 274.51 284.93 293.80

合计 272.86 304.03 347.70 355.08 252.63

表2 Ⅲ类围岩基本荷载衬砌弯矩计算简表

荷载名称 荷载标准值（KN/m2） 相应角度下弯矩（KN・m）

0° 45° 90° 135° 180°

垂直山岩压力 36.52 18.01 －0.39 －17.71 0.98 16.08

侧向山岩压力 0 0 0 0 0 0

衬砌自重 29.38 18.86 0.74 －20.54 0.74 18.86

无水头水压力 44.1 14.16 0.56 －15.42 0.56 14.16

外水压力 160 －21.70 －0.86 23.64 －0.86 －21.70

合计 29.33 0.06 －30.04 1.43 27.40

表3 Ⅳ类围岩基本荷载衬砌轴力计算简表

荷载名称 荷载标准值（KN/m2） 相应角度下轴力（KN）

0° 45° 90° 135° 180°

垂直山岩压力 54.78 1.67 28.57 54.76 42.84 33.20

侧向山岩压力 10.96 10.96 5.48 0 5.48 10.96

衬砌自重 29.38 0 16.31 46.14 57.86 58.75

无水头水压力 44.1 －22.10 －16.26 －9.46 －16.26 －22.05

外水压力 180 501.80 492.93 482.51 492.93 501.80

合计 492.37 527.03 573.96 582.84 582.66

表4 Ⅳ类围岩基本荷载衬砌弯矩计算简表

荷载名称 荷载标准值（KN/m2） 相应角度下弯矩（KN・m）

0° 45° 90° 135° 180°

垂直山岩压力 54.78 27.02 －0.59 －26.57 1.47 24.13

侧向山岩压力 10.96 －5.75 0 5.75 0 －5.75

衬砌自重 29.38 18.86 0.74 －20.54 0.74 18.86

无水头水压力 44.1 14.16 0.56 －15.42 0.56 14.16

外水压力 180 －21.70 －0.86 23.64 －0.86 －21.70

合计 32.59 0.06 －33.14 1.92 29.69

通过分析后结构各断面在基本荷载下衬砌的轴力变化不大，弯矩则有较大的变化。根据计算结果在基本荷载作用下，结构基本上呈受压状态。外水压力的大小对结构的内力影响比较大。

4 结构配筋计算

4.1 基本荷载下配筋公式

在其他荷载作用下，配筋计算采用规范推荐的公式，最后计算相应叠加，但不得小于最小配筋率。

，

4.2 内水压力下对称配筋

内水压力配筋计算采规范推荐的公式进行计算，计算公式见下面，式中各选用参数的物理意义和单位见前面有关内容。

其中，，P──内水压力强度，KN/m2，ri──衬砌内半径m，ro──衬砌外半径m，K0──围岩单位弹性抗力，N/cm3，Es──钢筋弹性模量，[σs] ──钢筋许用应力，N/mm2，f ──配筋面积，mm2。

4.3 钢筋应力校核公式

根据选用的配筋面积主要对控制断面的钢筋应力进行校核，计算公式如下：

式中σsi──内层钢筋应力，N/mm2，σso──外层钢筋应力，N/mm2，f0──外层配筋面积mm2，fi──内层配筋面积mm2。钢筋应力计算后结果不能大于钢筋的许用应力。式中σsi钢筋应力计算后结果不能大于钢筋的许用应力。

4.4 裂缝开张宽度验算公式

限裂验算采用隧洞设计规范推荐的公式进行计算，，对于承受内水压力的钢筋混凝土衬砌由于内水压力为主要控制工况，在衬砌中产生的拉力比较大一般计算后均为轴心受拉构件。计算的裂缝宽度公式见如下：

式中Wmax──最大裂缝宽度，mm，lf──裂缝最大间距，mm，ψ──不均匀受拉系数，α1、α2 ──计算系数，μ──受拉钢筋配筋率，ftk──混凝土受拉配筋率，同时需要根据钢筋应力计算出来的裂缝开展宽度不能大于规范要求的0.25mm进行控制。

4.5结构配筋成果

通过计算的配筋面积和钢筋应力反复调整配筋面积，使得裂缝开张宽度小于规范规定的0.25mm。

Ⅲ类围岩校核工况裂缝开展宽度验算简表

工况 实际配筋面积（mm2） 钢筋应力（Mpa） 计算配筋率ζ（%） 计算裂缝

宽度

（mm） 允许裂缝宽度

（mm） 是否满足要求

设计工况 1004.8 152.5 0.47 0.13 0.25 √

校核工况 1004.8 154.1 0.47 0.14 0.25 √

Ⅳ类围岩校核工况裂缝开展宽度验算简表

工况 实际配筋面积（mm2） 钢筋应力（Mpa） 计算配筋率ζ（%） 计算裂缝宽度

（mm） 允许裂缝宽度

（mm） 是否满足要求

设计工况 4923 169.8 1.48 0.24 0.25 √

校核工况 4923 171.5 1.48 0.24 0.25 √

5 隧洞回填及固结灌浆

由于该段的内水压力较大，混凝土衬砌不可避免的出现裂缝，裂缝开张后可能会引渗漏等。故针对本段要加强回填和固结灌浆处理。回填灌浆的主要在顶拱120°度范围内进行。回填灌浆孔排距为3.0m，回填灌浆孔深入围岩0.1m,，回填灌浆压力为0.3Mpa。固结灌浆孔间排距均为3.0m，灌浆孔深入围岩5.0m，固结灌浆压力为2Mpa。

6 结语

通过对Nam Ngum 5水电站隧洞结构进行分析和计算后，得出了如下结论：

1）高压隧洞设计前应充分地对地质条件进行勘察，尽量避免不良地质段，根据作者的计算，围岩类别及提供的弹性抗力对计算结果非常敏感，尤其以Ⅲ、Ⅳ类围岩之间的计算后的配筋区别更为明显，故作者建议，对于高水头电站隧洞应布置在可靠的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩中，尽量避免布置于Ⅳ、Ⅴ类围岩中造成隧洞配筋较大，同时导致经济上的大量投入。

2）在高水头作用下，混凝土衬砌的裂缝是不可避免的，裂缝形成后产生内水外渗的问题是比较突出的，尤其地质条件不太理想时，可能会影响山体的稳定，故在设计高水头隧洞设计时应对山体的稳定性进行必要的评价。

3）对于高压隧洞，应严格做好固结和回填灌浆，使得灌浆后的围岩弹性抗力有较大的增加，为结构储备更多的安全。同时可以封闭基岩中的裂隙，降低渗透系数和减少隧洞水量的损失对电站的发电是有积极意义的。

4）通过笔者的分析，对于地质条件较差，围岩类别为Ⅳ、Ⅴ类的高压隧洞，采用混凝土衬砌设计方案还是存在较多的问题，水力劈裂、裂缝、内水外渗等等。地质条件的复杂性更加突出了这个矛盾。采用地下埋管（必要时不考虑围岩弹性抗力）设计的方案可充分避免上述矛盾的发生，尽量减少客观因数对结构安全的影响，笔者建议对于Ⅳ、Ⅴ类围岩的高压隧洞在设计时应优选地下埋管作为首要的设计方案。

5) 本文计算中全部按照规范的公式进行计算，根据笔者分析，混凝土裂缝张开后，内水外渗，整个混凝土衬砌必然置于水中，内外水压力相互平衡必然引发的问题是按规范中的公式进行计算后得出的配筋是否合理？

参考文献

[1]DL5159-2004 水工隧洞设计规范.中国电力出版社.2004.

[2]水工设计手册.华东水利学院主编.水利电力出版社.1983.

[3]水工隧洞的设计理论和计算.汪胡桢原著.顾慰慈修订.水利电力出版社.1983.