灌浆预应力高压引水隧洞衬砌结构设计计算研究

第３６卷第１期　２０１０年１月　水力发电　

灌浆预应力高压引水隧洞衬砌　

结构设计计算研究　

王　强　

（海南省红岭水利工程建设有限公司，海南海口５７０２０３）　

摘要：到目前为止。水电站高压引水隧洞灌浆预应力抗裂设计还没有详细的计算方法。为此，结合某水电站引水　

隧洞设计，采用有限元法，比较了非正常ｌｒ况下不同衬砌厚度时衬砌的变形和应力状态，得出衬砌厚度为４Ｏ～５０　ｃｍ　

时较为合理　

关键词：灌浆预应力；衬砌；有限元；高压引水隧洞　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ　Ｇｒｏｕｔｉｎｇ　Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

Ｗａｎｇ　Ｑｉａｎｇ　（Ｈａｉｎａｎ　Ｈｏｎｇｌｉｎｇ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｉｋｏｕ　Ｈａｉｎａｎ　５７０２０３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ．ａｎｔｉ—ｃｒａｃｋ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｈａｓ　ｎ０　

ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｌｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｎ　ｎｏｎ—ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　

ｔｈｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　４０～５０　ｃｎｌ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅ——ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ；ｌｉｎｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｈｉｇｈ—－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　

中图分类号：ＴＶ６７２．１；０２４１．８２　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９—９３４２（２０１０）０１—００６３—０３　

高压引水隧洞是水电站永久建筑物之一．对其　

衬砌结构形式设计和优化、施工技术、可靠度分析　

及混凝土衬砌开裂分析等方面均进行过大量的研究　

工作¨．５１　水电站高压引水隧洞衬砌通常有钢筋混凝土　

衬砌和混凝土加钢衬两种形式．采用钢筋混凝土衬　

砌时．在地下厂房附近区域受防渗要求限制．规范　

规定的限裂设计往往不能满足Ｔ程需要　为此，一　

些工程采用了灌浆预应力进行抗裂．如白山水电站同、　

广州抽水蓄能电站ｌ　７ｌ、周口水电站等　但到目前为止　

灌浆预应力设计还没有详细规范的计算方法．仍采　

用传统的弹性力学方法进行简化计算．本文结合某　

水电站引水隧洞设计．采用有限单元法对隧洞衬砌　

进行了详细计算．可供工程参考　

１　基本资料和计算条件　

某水电站高压水道由渐变段、上弯段、竖直段、　

下弯段、水平段组成，总长１９２　ｍ。根据地质资料，　高压水道段的地质构成均为石英二长岩，围岩类别　

为Ⅱ类或Ⅲ类．围岩物理力学性质见表１。计算时　

Ｃ３０混凝土弹性模量取３０　ＧＰａ．泊松比取０．１６７，　轴心抗拉强度为１．５　ＭＰａ．轴心抗压强度为１５．Ｏ　

ＭＰａ：Ｃ２０混凝土弹性模量取２５．５　ＧＰａ．泊松比取　

０．１６７．轴心抗拉强度为１．１　ＭＰａ．轴心抗压强度为　

ＩＯＤ　ＭＰａ：岩石变形模量取１　１．０　ＧＰａ，泊松比取０２７５，　

固结灌浆后洞周５．０　ｍ范围内岩石变形模量取２１．０　

ＧＰａ．泊松比不变　

高压水道采用圆形断面．直径５．８　Ｉｎ，水平段直　

径５．０　ｌｆｌ　由于高压水道距地下厂房仅２０～１００　１１３．　

且承受很高的内水压力．若采用普通钢筋混凝土限　

裂设计．必然会造成地下厂房排水量增大、厂内潮　

湿等问题而需重新调整地下厂房排水设计　初步设　

计方案为：采用Ｃ３０预应力钢筋混凝土，衬砌厚度　

５０～６０　ｃＩｌ１．双层钢筋．保护层厚度５　ｃ１ＴＩ：预应力通　

过同结灌浆或接触灌浆获得　

计算时．根据隧洞进、出口特征水位，结合隧　

洞各种运行工况，按可能　现的最大内水压力ｆ包　

收稿日期：２００９—１Ｏ—Ｏ５　作者简介：王强（１９６２一），男，吉林德惠人，硕士研究生，主　要从事水利］　程建设施　和运行管理Ｔ作．

　表１　高压水道段石英二长岩主要物理力学指标　

括动水压力、进行计算　对基本组合的内水压力值．　

特征水位取设计洪水位及其组合：对特殊组合的内　

水压力值．特　水位取校核洪水位及其组合　、计算　

时考虑两种　况：①正常运行Ｔ况，即凋压井水位　

处于正常高水位２　０４２．１０　ｍ时．ｉ了Ｊ条订一算时．计算　

水头取１２８．１　ｒＩ１，　②非正常运行工况，机组满负荷运　

行状态下突然弃荷．训压井水位达到最高涌浪水位　

２　０７７．０　ｍ时．切条训一笄时，汁算水头取ｌ６３．０　ｍ。　

围岩作用在衬砌上的荷载．根据同岩条件、横断面　

形状和尺寸、施工方法以及支护效果确定　由于　

高压水道埋深存１００　ｍ以～　围岩自稳条件好．　

且采取了支护加同措施．按规范计算时不考虑围　

岩压力．．　

２灌浆式预应力衬砌的结构计算　

２．１　计算模型　

衬砌厚度取３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０　ｅｒａ７　

种方案．采用切条三维有限元计算，洞轴线方向取　

３个灌浆段长度共７．５　ｍ．径向取３０．０　ｍ．．计算节点　

数１４０８０个．单元数１２６００个．计算网格如图Ｉ所示　

图１　灌浆预应力衬砌有限元计算网格示意　

２＿２灌浆产生的衬砌压力的模拟　

２＿２．１　固结灌浆　

根据广东省水利水电］一程勘测设计研究院存广　

州抽水蓄能电站的研究成果ｌ　７＿认为．一个灌浆孑Ｌ的影　

响半径为】．５　ＩＴＩ，由于灌浆塞人岩具有一定深度．使　

得直接作用在衬砌上的灌浆压力减小　广州抽水蓄　

圈￣＇ａｌｅｒ　ｆ％ｕｗ　Ｖｏ１．３６．，ｖｆＪ．Ｉ　能电站高　岔管衬彻厚６０．０　ｃｉｎ、实际灌浆压力　

为６．１　ＭＰａ．灌浆塞入岩深度１．９　ｎｌ（不包括混凝土　

衬砌）．直接作用在灌浆孑Ｌ附近混凝土衬砌上的灌浆　

压力为０．３Ｐ，，假设直接作用存混凝土衬砌上的灌浆　

压力是以灌浆孑Ｌ为中心的抛物线型分布．在１．５　ｔＴＩ　

半径边缘灌浆压力为０．１尸‘　

高压水道的灌浆压力控制在３．０　ＭＰａ。计算时　

简化模拟：环向分４０排单元．共取８排灌浆孑Ｌ，轴　

向分１５排单元．３排灌浆孔；　约２．５　ｒｅｘ２．５　Ｉｌｌ范　

围内（１个灌浆孔）分５ｘ５＝２５个单元　直接作用在　

混凝土衬砌上的应力分３层，分别为：①中间１个　

单元（灌浆孑Ｌ位置），　力０．９　ＭＰａ（０．３　）；②第２　

圈共８个单元，压力０．６７５　ＭＰａ（０．２２５　）；③最外　

罔共１６个单元，压力０．３　ＭＰａ（０．１　）。　２．２．２　接触灌浆　

接触灌浆产生的衬砌压力按直接作用在混凝土　

衬砌上的均匀面力汁算　

２．３强度设计原则条件　

设计时．混凝土衬砌结构应按小允许Ｉ叶Ｊ现裂缝　

设计：衬砌结构设计ｌ户可不计混凝土千缩和湿涨影　

响；可不计衬砌结构的自重；衬砌结构的厚度，一　

般可取隧洞内径的ｌ／２～１／１８．洞径小时取大值．大　

时取小值．衬砌结构愈薄．顶应力效果愈显著：在　

最不利荷载组合工况下进行衬砌结构强度计算．切　

向应力迭加．．　当不计围岩温度影响时．衬砌结构处于受压状　

态．即　

【ｆ　＋ｒ，“Ｉ≤０　式中，（ｒｎ　为内水压力使衬砌结构产生的切向拉应　

力；　，为灌浆压力使衬砌结构产牛的切向压应力　

计算时．对灌浆使衬砌结构得到的预压应力进　

行　简化．不考虑灌浆时的压力损失和混凝土的徐　

变、灌浆浆液结石收缩、同岩的流变等因素引起的　

压应力降低　

灌浆过程中衬砌结构的内缘切向压应力应小于　

混凝土轴心抗压设计强度的４／５．Ｃ３０混凝土的轴心　

抗压设计强度为１５．０　ＭＰａ．计算时按１２．０　ＭＰａ来控　

制压应力　２．４计算成果　

衬砌厚度为３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０　ｍ　

时，非正常运行Ｔ况下．衬砌内侧切向拉应力值分　

别为２．４８９、２．４２５、２．３６８、２．３ｌ７、２．２７２、２．２３２、２．１９６　

ＭＰａ。说明采用接触灌浆压力实现混凝土衬砌预应　

力时，只需要在衬砌和围岩之间施加很小的均匀压　

力即可实现。考虑衬砌和岩体完全脱开时．不同厚　

度衬砌需要的最小灌浆赝力值分别为：０．２２２、０．２７６、　

０．３２３、０．３６３、０．３９９、０．４３１、０．

４５９　ＭＰａ：考虑衬砌　；１　Ｊｕ　巴　，Ｔ３　１，加　—Ｌ］　：蜃ｚＫＪ　／Ｊ同　Ｉ／Ｊ＼ｌＪ．￣：Ｊｌ　个　三口１　Ｌ＿ｘ¨Ｌ　ｌ异１Ｉ丌７　

和岩体问有一定弹性连接时（连接材料掸模取３０．０　

ＭＰａ），需要的最小灌浆压力分别为０．３５７、０．３９４、　

０．４４４、０．４８６、０．５２８、０．５６２、０．５９４　ＭＰａ．．由于在实　际施工中衬砌和同岩问总会有一定的连接．并且灌　

浆也很难产生理想的均匀　力．建议施Ｔ中按有连　

接方案选取最小灌浆压力值　

考虑同结灌浆压力为３．０　ＭＰａ．采用三维有限　

元法．对１２８．１、ｌ６３．０　１２１水头内水压力作用下的衬　

砌进行了计算，计算结果见表２、３　表２正常工况两排灌浆孔中间横剖面衬砌内部切向应力值　衬砌厚　距洞巾心　切向应　衬砌厚　距洞中心　切向应　度／ｃｍ　点距离／ｍ　力／ＭＰａ　度／ｅｒａ　点距离／ｍ　力／ＭＰａ　

２．９００　一】．３７１　２．９００　－０．２０２　

２．９６０　—１－２４９　３．０４０　－０．２１　６　３．０２０　—１．１３５　３．１８Ｏ　一０．２２８　３Ｏ　７Ｏ　３．０８０　一１．０２４　３．３２０　—０．２３３　

３．１４０　一Ｏ．９１１　３．４６０　一Ｏ．２２８　

３．２００　－０．７９９　３．６００　－０－２ｌ９　２．９００　－０．９０７　２．９００　－０．０７８　

２．９８０　－０．８３９　３．０６０　一Ｏ．１　１２　

３．０６０　－０．７７６　３．２２０　—０．】３８　４０　８０　３．１４０　－０．７１５　３．３８０　一Ｏ．１５６　

３．２２０　－０．６５　１　３．５４０　一Ｏ．１６ｌ　

３．３００　—０．５８５　３．７００　一Ｏ．１６Ｏ　

２．９００　－０．５９０　２．９００　０．０１８　３．０Ｈ０Ｏ　一０．５５７　３．０８０　—０．０３４　

３．１Ｏ０　一Ｏ．５２７　３．２６０　－０．０７３　５０　９０　３．２００　－０．４９５　３．４４０　一Ｏ．１０ｌ　３．３００　－０．４６０　３．６２０　—０．１　１４　

３．４００　－０．４２１　３．８００　一Ｏ．１　１９　

２．９００　－０．３６６　

３．０２０　—０．３５９　３．１４Ｏ　一０．３５２　６０　３．２６０　－０．３４１　

３．３８０　—０．３２４　３．５００　－０．３０２　

由表２、３可知，仅在同结灌浆压力作用下的衬砌　

切向应力随着衬砌厚度的增加逐渐减小．两排灌浆巾　

间横剖面的切向应力值小于过灌浆孑Ｌ横剖面的切向应　

力值：在灌浆压力和非正常运行　况内水压力（１　６３．０　ｍ１