陆周祺

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

0 引言

尾调室是水电站引水系统的重要组成部分，它可以减小尾水管道中的水击压强，从而改善机组的运行条件。尾调室衬砌的变形和破坏是影响其安全的重要因素，传统的结构分析方法存在较多的简化和假定，不能考虑结构间的相互作用，计算成果的精度不能得到保证。而采用有限元分析方法，可以对尾调室衬砌结构进行三维建模计算，采用适当的边界条件，可以较为精确地得到各个部位的受力情况[1-3]。因此，本文采用有限元分析软件ANSYS，对尾调室衬砌结构进行有限元分析计算，而计算得到的内力也为衬砌配筋设计提供了依据。

厄瓜多尔某水电站总装机253 MW，主要建筑物包括取水口、厂房、大坝等。水电站尾调室与厂房平行布置，尾调室断面为城门洞形，从顶部往底部开挖，其顶部的通风洞兼施工支洞，边开挖边支护，支护方案采用挂网喷混凝土+全长黏结型砂浆锚杆+预应力锚索+预应力锚杆。尾调室采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.4 m，衬砌后净宽10.0 m，净长41.3 m，拱顶至底面净高36.5 m，锚杆直径32.0 mm，长8.0 m，间距1.5 m。

1 计算模型

利用通用有限元程序ANSYS 对尾调室衬砌结构进行线弹性分析，衬砌断面尺寸为41.3 m×10.0 m×36.5 m（长×宽×高），厚度为0.4 m，衬砌采用壳单元（Shell281）进行模拟[4，5]。

由于衬砌能够抵御的外水压力十分有限，在采用排水措施降低外水压力的同时，将支护所用的锚杆预留适当长度，浇筑在衬砌内，与衬砌共同承受外部静水压力，加强其抵御外压的能力。由于衬砌沿锚杆方向的位移被锚杆限制，所以用相应方向的位移支座来模拟锚杆。

图1 为根据衬砌结构尺寸建立的三维有限元模型，图2 为根据上述边界条件设定的位移支座模拟锚杆。

2 计算参数及工况

2.1 计算参数

尾调室地表高程约935 m，根据钻孔资料判断覆盖层厚度在14.5～37.0 m，其下为基岩，基岩主要为安山岩和岩屑凝灰岩。根据钻孔资料，地下水位埋深一般10～20 m，为覆盖层中的孔隙性潜水。混凝土衬砌及岩石的材料参数如表1 所示。

图1 尾调室有限元计算模型

图2 位移支座模拟锚杆图

表1 土石料的渗透系数

2.2 计算工况及荷载

对于衬砌的设计，参考EM 1110-2-2901 规范中规定的荷载组合和相应的荷载系数[6]。衬砌所受的荷载组合如表2 所示。

表2 设计荷载组合及荷载系数表

对表2 中除自重外的各项荷载说明如下：

1）岩石荷载。由于开挖支护时间较长，受开挖扰动的围岩已趋于稳定，应力基本释放完成。另外，衬砌厚度相对调压室尺寸很小，在外水压力作用下，衬砌呈现脱离围岩趋势，所以计算衬砌时，不考虑岩石荷载的影响。

2）运行静水压力。指的是正常运行时的内水压力，减去在正常运行条件下的最小外水压力。

3）瞬态静水压力。指的是发生水击的最大瞬间内水压力减去最小外水压力。

4）外部静水压力。指的是作用在放空的尾调室上的最大外部静水压力。

对于荷载组合U1 和U2，衬砌在内水压力作用下向外挤压围岩，尾调室围岩类别为Ⅲ类，围岩与衬砌共同承受内水压力，同时考虑与外水压力的组合，因此不属于衬砌配筋计算的控制工况。对比荷载组合U3 和U4，其中U3 组合的外水压力数值更大，荷载系数也很大。

故尾调室衬砌的结构计算以荷载组合U3 作为控制工况，因为不考虑岩石压力的影响，所以承受的荷载为衬砌的自重、作用在放空的尾调室上的最大外部静水压力。

用位移支座模拟锚杆时，在外水压力作用下，每个支座所受到的力不能超过锚杆的最大抗拉强度，否则锚杆屈服，支座失效。尾调室锚入衬砌的锚杆直径为32 mm，屈服强度设计值为420 MPa。据此计算，锚杆即每个支座能承受的最大拉力为：420×（0.016）2×3.14×103=337.6 kN，当每个支座上所承受的力超过337.6 kN时，锚杆将出现破坏屈服，支座也就同时失效，最大外部静水压力将直接作用于衬砌。由于锚杆间距为1.5 m，相当于每个支座承受面积1.5×1.5=2.25 m2的水压力。根据锚杆能承受的最大拉力及所承受水压力的面积，推算单根锚杆可承受的最大水压为337.6/2.25/1.4=107.2 kPa，大约相当于10 m的最大外部静水压力。

根据上述计算分析结果，采取一定的排水措施后，最大外部静水压力需要控制在不大于10 m。此次计算中，最大外部静水压力按10 m 考虑。

3 计算成果

根据上述计算工况及参数，利用ANSYS 对尾调室衬砌进行有限元分析计算，得到各个部位的弯矩值，从而为衬砌配筋设计提供了依据。尾调室各个部位各个方向的弯矩极值如表3 所示。

表3 尾调室衬砌有限元内力计算结果汇总表kN·m

底板水平方向和竖直向弯矩均为由边墙4 向边墙2 从最大正弯矩变为最大负弯矩，与边墙4 连接处为最大正弯矩40.2 kN·m。由于边墙2 与底板连接处开孔，在开孔处弯矩达到最大负值76.9 kN·m，未开孔处的弯矩远小于开孔处弯矩，说明在外部静水压力及自重作用下，底板与边墙2 和边墙4 连接处弯矩数值最大。而由于存在开孔，应力集中，在边墙2 开孔处产生了更大的弯矩，因而在衬砌结构设计时，需要对开孔部位更加关注。

边墙1弯矩由顶向下从最大正弯矩19.6 kN·m变为最大负弯矩49.1 kN·m，由于边墙1 为结构完整，不存在开孔，整体弯矩分布较为均匀，不存在突变现象。

边墙2 由于顶部存在通风洞开孔，底部存在泄水洞开孔，墙身上下都有开孔，弯矩变化规律与边墙1完全不同，正弯矩极值出现在边墙中心处，即两个开孔中间，最大正弯矩为16.6 kN·m，弯矩由中间向上下两侧减小变为负弯矩，最大负弯矩出现在边墙2与底板连接处，最大负弯矩为53.2 kN·m。

边墙3下侧有3个进水洞开孔，弯矩分布规律与边墙1类似，由顶向下从正弯矩变为负弯矩，在两开孔之间与底板连接处达到最大负弯矩49.6 kN·m。而最大正弯矩为24.1 kN·m，出现在两开孔顶部圆弧之间，并不是边墙3 顶部与顶板连接处，这同样是由于开孔，两开孔之间结构缩小，应力集中，产生了更大的弯矩，最大正弯矩和最大负弯矩均出现在开孔周围。

边墙4 弯矩分布规律与边墙1 完全一致，与顶板连接处为最大正弯矩17.5 kN·m，与底板连接处为最大负弯矩51.8 kN·m。

顶板与边墙1 和边墙2 连接处存在最大负弯矩24.4 kN·m，弯矩由边墙1 和边墙2 两侧往中间变小。顶板与边墙3 和边墙4 连接处存在最大正弯矩19.3 kN·m，同样由边墙3 和边墙4 两侧向中间变小，说明顶板与边墙连接处弯矩最大，中间弯矩相对较小。相比较于底板与边墙，顶板弯矩极值为最小，由于不同方向结构尺寸不同，最大负弯矩及最大正弯矩值均出现在水平方向。

另外由于锚杆的作用，边墙、底板和顶板与锚杆连接处的弯矩均较小，这是因为建模时考虑衬砌沿锚杆方向的位移被锚杆限制，用相应方向的位移支座来模拟锚杆，限制相应方向的位移。所以，衬砌与锚杆连接处弯矩均较小，由于锚杆位移支座的作用，锚杆周围的应力重新分布，越靠近锚杆越小，远离锚杆应力相应变大，根据有限元分析结果，锚杆位移支座的影响范围约为1/4 锚杆间距，锚杆形成支点约束了衬砌的位移，从而减小了衬砌的跨度，提高了衬砌本身的承载力，对衬砌抵抗外水压力有相当大的作用。

根据顶板、边墙、底板的弯矩分布，可以发现弯矩值大体上遵循以下规律：从上至下，由正弯矩极值往负弯矩极值变化，并且最大值出现在底板与边墙连接处，分布规律与传统结构分析方法一致，说明此次模型有限元分析成果较为合理。根据上述计算得到的最大弯矩值76.9 kN·m，对400 m 厚衬砌结构进行配筋计算，经过计算，按最小配筋率配筋就能满足计算结果，最终采用配筋结果为φ 18@200 mm[7，8]。

4 结论

1）调压室放空检修时外水压力作用于衬砌时是最不利的工况，应采取有效的排水措施来降低外水压力。

2）尾调室衬砌结构跨度大而壁厚只有0.4 m，承受外水压力的能力有限，因此将锚杆锚入衬砌中，形成支点约束衬砌的位移，减小了衬砌的跨度，提高了衬砌抵抗外水压力的能力。

3）为减少锚杆受力，在调压室放空时需要控制放空速度，增加必要的排水廊道，将外压水头限制在一定数值以内。建议采取以下措施：沿尾调室布置一层排水廊道，并施打长排水孔收集岩体中的裂隙水；对尾调室周边的岩体进行固结灌浆，形成一个封闭的防渗圈，阻止防渗圈以外的裂隙水作用到衬砌外壁上；在衬砌上布置间距1.5 m×1.5 m 入岩1.0 m 的短排水孔，将衬砌与岩体之间的水排入尾调室内。

4）通过排水减压和锚杆锚入衬砌后，衬砌所受的弯矩较小，单米最大弯矩为77 kN，采用φ 18@200 的配筋即可满足规范要求。