EvaluationOnly.CreatedwithAspose.PDF.Copyright2002-2019AsposePtyLtd 运行管理 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) 【摘要】密云水库白河发电隧涧在0+104~0+130、+147~0+159、0+207~0+237三段存在设计配筋量不 足,后经回填灌浆和固结灌浆处理,在运行过程中发现实际外水压力比设计外水压力小;水轮机导叶关闭时间比 设计短,引起的水击比设计高。本文对原设计、施工、加固资料进行了整理,对白河发电隧洞结构安全进行了分析。 【关键词】白河发电隧洞;加固;结构安全 中图分类号:TV513 文献标志码:B 文章编号:10054774(2013)10-0041-03 StructuralSafetyAnalysisofBaihePowerGenerationTunnel ZHANGLi-tao (BeijingMiyunReservoirManagementOfficeBeijing101512,China) Abstract:MiyunReservoirBaihePowerGenerationTunnelhadinsufficientreinforcementquantityindesignatthree sectionsof0+104-0+130,0+147-0+159and0+207-0+237.Itunderwentbackfillgroutingandconsolidation groutingprocess.Itwasdiscoveredinoperationprocessthattheactualextemalwaterpressurewaslowerthanthedesigned extemalwaterpressure.Theclosingtimeofturbineguidevanewasshorterthandesign,andthesubsequentwaterhammer washigherthanthedesign.Theoriginaldesign,constructionandreinforcementinformationaresorted,andthestructural safetyofBaihePowerGenerationTunnelisanalyzedinthepaper. Keywords:BaihePowerGenerationTunnelreinforcement;structuralsafety 1基本情况 裂缝,长度均小于1m,宽度均小于1mm。 密云水库白河发电隧洞,尾部与白河电厂连接,2白河电站洞身段工程地质条件 务是向下游输水、发电。隧洞为圆形压力隧洞,洞身为 白河发电隧洞由于地层倒转折裂,使得大部分洞 圆形钢筋混凝土,内直径6m,全长421.36m衬砌厚壁岩层受到剧烈扰动,岩石普遍不完整,且断裂,裂隙 度0.6m,发电最大引用流量Q=229ms不发电最大大多夹有1~10cm的潮湿黏土颗粒,极易崩解。岩层 引用流量Q=380m3/s 倾向上游,倾角60~80°,局部直立,与洞轴线成60 运行几年后,在桩号0+100~0+120附近正长斑70°夹角。岩层构造变动现象可概括为填充构造裂隙 岩层的上游洞外地下水位与库水位相差很少,而下游发育,小型(宽度多不大于1m)断层颇多,最大频率 地下水位则骤降至洞底以下;桩号0+100以后很大一1条/m,因此,在洞顶往往形成三角形或扇形不稳定 段范围内外水压力比原设计的低。虽然后来对隧洞进岩块。 行了回填灌浆和固结灌浆,自经过1994年最高库水位3电站引水隧洞衬砌设计和施工配筋校核 运行后,对洞身衬砌进行检查发现洞身存在一些环向 a.荷载情况:荷载主要包括均匀内水压力、不均 41 EvaluationOnly.CreatedwithAspose.PDF.Copyright2002-2019AsposePtyLtd 水利建设与管理2013年?第10期 匀内水压力、外水压力、山岩压力、衬砌自重等,如下图所示。 17 内水压力线 调压井最高涌浪水位161.20 160157.5 150 实际外水位线 140 40.00 130 隧道顶线 原设计预计外水位线 120 0 隧道底线 1140 110 100 95.00 93.5 9 桩号(m) 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+237三段存在衬砌配筋量低于设计量,导致洞身混 算并汇制成表,如下表所示。经检查,发现在隧洞衬砌凝土开裂,致使洞身漏水,发生钢筋锈蚀,进而降低钢 施工中,0+104~0+1300+147~0+159、0+07~0筋强度,影响结构耐久性,因此,需要加固 白河发电隧润配筋与安全系数表 原设计数据 1996年安全检查数据 桩号 配筋计算 顶边 混凝土应力 底顶 边底顶边威 0+0080+104>1.7>1.7>1.71.451.973.022.121.592.051.68 0+104-0+1300.891.041.0.641.221.281.250.831.120.86 0+130-0+1471.43>1.71.51151.171.471.361.181.331.2 0+147-0+1591.43>1.71.090.711.181.281.240.81.140.83 0+1590+2070.921.071.221.720.790.910.931.291.451.43 0+207-0+2371.121.331.40.641.591.71.660.961.10.82 0+237-0+2521.171.411.561.441.21.361.381.191.241.21 0+2500+3071.46>1.7>1.71.671.161.341.361.221.361.35 0+307-0+407>1.7>1.7>1.72.360.840.970.991.541.751.77 0+407-0+4171.7>1.7>1.71.11.481.961.940.881.191.01 4调压井处最高涌浪高度校核 别,且电站发电机导叶有效关门时间比原设计短。原 设计内水压力外水压力与实际工况存在一定区设计水轮机过水部件按照水击水头80.5m计算时部 42 EvaluationOnly.CreatedwithAspose.PDF.Copyright2002-2019AsposePtyLtd 张立海/白河发电隧调结构安全分析运行管理 件处水位折合高程为172.5m,水击出现的涌浪在调压轴线1m长度上单层配筋面积分别为:27.14cm2、 井处高程为164.2m水击反流引起的水头损失为29.45cm2、22.62cm2、30.79cm2、15.7cm2、40.27cm2、 8.3m。因此,需要重新核算水力过渡过程。经过计24.54cm2、19cm2、36.95cm2;0+159~0+207段钢筋面 算,正常蓄水位为157.5m时,机组部件处最大水击压积15.7cm2,双层钢筋断面面积为31.4cm,钢筋抗拉 力及静水头之和为89.42m,折合水位高程为力为F=2PS(式中:F为拉力t,P弹性强度为 181.42m,故在调压井处因水击引起的涌浪高程h=2.85t/cm2,S为钢筋断面面积),则钢筋的抗拉力为 181.42m(水击回流引起的水头损失) F=31.40×2.85×2=179t,C20混凝土的抗拉力为 当原设计库水位为157.5m时,水轮机部件最大静60/m2,洞衬砌厚0.6m,混凝抗拉力F1为0.6× 水头压力为60m,水击水头为20.5m在调压井处引起60=36t,F=48.8t/m2×3m=146.4t,安全系数K=(F 涌浪高度为11m;当发电机导叶有效关门时间比原设+F1)/F=215/146.4=1.47;在0+407-0+417段, 计短时,反流速度大于原设计,引起的水头为1.3m,F=56.12×3=168.36t,钢筋抗拉力为36.95×2× 因此,在调压井处水击回流引起的水头损失为2.85×2=420t,混凝土抗拉力为36t,抗拉安全系数 181.42m-12.3m=169.12m,而设计调压井顶高程为K=456/168.36=2.7。由于灌浆加固,在混凝土受拉 170.5m,故应引起足够重视。 开裂时,灌浆的岩石对混凝土洞壁产生了被动侧压力, 5隧洞的灌浆加固分析 限制了开裂。因此,综合考虑安全系数K大于1.7,洞 隧洞灌浆设计采用回填灌浆和固结灌浆两种形式身衬砌安全。 相结合。两种形式断面之间的距离均为5m,回填灌浆7裂缝分析 在每个断面拱顶设置3孔,深入岩石0.2m,固结灌浆 洞身衬砌混凝土属于大体积混凝土,查阅施工资 在每个断面上均匀布置6孔,深岩石4m两种灌浆料,在隧洞衬砌完成后不久,洞内温度突然降到零度左 断面间距2.5m(属于交替布置)在回填灌浆完成7天右。内部水化热在一定时期内存在,内外存在温度梯 后进行固结灌浆施工。从施工记录看,不管是回填灌度差,导致混凝土沿着长度方向进行收缩,产生开裂; 浆还是固结灌浆施工质量均符合规范要求衬砌钢筋而施工缝处若处理不当,就会使新旧混凝土结合处出 混凝土与4m厚的岩壁黏结成为一个整体,大大提高现冷槎,导致裂缝出现。因此,只要对裂缝进行密封处 了隧洞安全系数。 理,防止钢筋发生锈蚀,就不会影响结构整体安全。 6隧洞安全系数核算 8结语 施工中实际测得的岩石坚固系数f=1、2、3、4,由 a.白河发电隧洞虽然在设计及施工上存在一定 于岩石很松散,近似看作f=tg(中为内摩角),取f=缺陷,但对洞体进行了回填灌浆和固结灌浆,改变了洞 1,则洞顶自然成拱时的塌落高度为3m,洞衬砌厚体受力模式,由环向受压加弯曲的模式变为环向受压, 0.6m和固结灌浆厚4m之和为4.6m。 结构的安全系数大大提高。 洞身灌浆后,隧洞受力模式按照洞内充水时沿着 b.混凝土洞身开裂,只要对环向缝密封,保证钢 衬砌混凝土环向受拉进行计算?？馑蝗?575m,洞筋不被锈蚀,对结构安全影响不大。 内水压力最大为54.62m。取1m段洞体作受力分析 c.高水位157.5m时的发电情况,建议再次充分 将洞体沿着轴线处切开。 论证调压井处的水击涌浪高度。 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56.12/m2,R为半径3m) 参考文献 1 林继.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2006. 钢筋为Ⅱ级螺纹钢,弹性强度2.85Vcm,隧洞衬2密云水库管理处密云水库建库50周年论文汇编[G.2010 砌配筋为双层钢筋,内外层钢筋数量型号相同,沿着洞3清华大学密云水库安全检查报告[R1996 43