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摘 要：厄瓜多尔CCS水电站压力管道具有埋深大、水头高等特点，常规不透水衬砌设计将导致配筋量过高而难以适用。CCS水电站压力管道采用了透水衬砌设计，在对透水衬砌渗流场与有限元结构耦合作用分析的基础上，根据内力值计算了衬砌的配筋量。结果表明：在完建与检修工况下，衬砌混凝土自身能够满足应力需要，可不配置钢筋;在正常运行工况下，透水衬砌所需配筋量较小;在水击工况下，衬砌所需配筋量相对较大，为透水衬砌配筋的控制工况。与常规不透水衬砌相比，透水衬砌设计可大大节省配筋量，并且计算结果与工程实际情况更为符合。
关键词：压力管道;渗流场;应力场;透水衬砌;配筋量;CCS水电站
中图分类号：TV554 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.020
Abstract：The penstocks of CCS Hydropower Station in Ecuador are characterized by deep buried depth and high waterhead. The conventional lining design leads to much reinforcement. The permeable lining is adopted in the CCS penstock. The coupling analysis of the seepage field and the finite element structure of the concrete lining was carried out and the permeable lining reinforcement was calculated. The result shows that the lining concrete can meet the stress requirements under the condition of completion and maintenance. For operating condition， the reinforcement needed by the permeable lining is quite small. For water hammer condition， the reinforcement needed by the permeable lining is quite large compared with the operating condition. The permeable lining is suitable in practice， and it can greatly reduce the amount of reinforcement compared with the conventional lining.
Key words： penstock; seepage field; stress field; permeable lining; reinforcement;CCS Hydropower Station
1 工程概况
CCS水电站位于厄瓜多尔COCA河上，距离首都基多约140 km。该项目为厄瓜多尔最重要的建设项目，是中国融资和中国公司承建的“一带一路”重要工程，建成后可提供该国三分之一的电力供应，受到中国及厄瓜多尔两国政府的高度重视[1]。
CCS水电站调蓄水库最高发电水位1 231.00 m，正常发电水位1 229.50 m，最低发电水位1 216.00 m，发电引水系统采用“两管八机”布置，总装机容量1 500 MW。
CCS水电站压力管道包括上平段、竖井、下平段，其中上平段、竖井以及下平段的前部分采用钢筋混凝土衬砌，下平段末端为压力钢管。混凝土衬砌内径5.80 m，Ⅱ类与Ⅲ类围岩衬砌厚度60 cm，Ⅳ类与Ⅴ类围岩衬砌厚度90 cm，最大内水静水头超过600 m，属于典型的高压隧洞。
2 压力管道衬砌形式选择
水工隧洞在内水压力作用下，衬砌混凝土受拉开裂，并在施工缺陷以及温度微裂纹等影响下，形成性态不一的宏观裂缝，进而导致内水外渗[2-3]，此类衬砌结构称为透水衬砌。
CCS水电站压力管道设计时，上平段内水头相对较低，可采用常规钢筋混凝土衬砌（不透水衬砌）;竖井和下平段内水头较高，常规不透水衬砌将导致配筋量过高而难以适用，因此设计时根据挪威准则进行了透水衬砌覆盖层厚度验算，竖井和下平段前半部分采用混凝土透水衬砌，下平段后半部分采用钢管衬砌。施工开挖后，对下平段混凝土透水衬砌段进行了地应力测试，结果表明最小地应力满足透水衬砌要求[4]。
3 透水衬砌结构计算
3.1 典型断面选取
在进行压力管道透水衬砌设计时，对压力管道渗流场和应力场进行了耦合计算，并根据竖井段与下平段的围岩地质分类，对竖井和下平段透水衬砌选择了7个典型断面进行结构应力和配筋计算。因不同断面结构应力和配筋计算在方法上一致，因此本文仅以下平段透水衬砌末端断面为例进行分析，典型断面如图1所示。
3.2 围岩计算参数
根据地勘成果，计算分析采用的围岩参数见表1。
3.3 衬砌结构材料参数
透水衬砌混凝土强度fc=35 MPa;混凝土弹性模量为Ec=4 700fc，对应混凝土的劈裂抗拉强度ft=0.1fc。衬砌内钢筋弹性模量Es=200 GPa，钢筋屈服强度fy=420 MPa。
3.4 水壓力荷载分项系数与水力作用系数 完建与隧洞检修期（隧洞内无水，但承受外水压力）水力作用系数Hf采用1.3，荷载作用系数采用1.0;运行期考虑混凝土开裂特征及压力管道的具体地质特性，水力作用系数Hf采用1.65，荷载分项系数采用1.0。
3.5 计算模型
典型断面围岩类别为Ⅲ类，上覆盖层厚度为630 m，建立的有限元模型共33 568个单元、35 154个节点，整体计算模型如图2所示，衬砌结构计算模型如图3所示。模型中左右边界、前后（水流方向）边界与底部边界采用位移约束，顶部采用均布荷载等效施加覆盖层压力。计算工况包括施工完建期、运行期（不考虑水击）、运行期（考虑水击）和检修期四种。
4 计算结果与分析
4.1 施工完建期
施工完建期考虑衬砌浇筑完成后（固结灌浆未完成时）地下水压力作用在衬砌外表面（衬砌单独承载），衬砌厚度为60 cm，地下水压力水头为129 m。计算结果表明，衬砌混凝土环向为受压应力状态，最大环向应力出现在衬砌底板外表面，最大压应力10.05 MPa，最大剪应力出现在两侧底板与边墙交界位置的内表面，为0.29 MPa。
4.2 运行期（不考虑水击）
在内水压力（不考虑水击）作用下，衬砌混凝土开裂造成内水外渗，渗透水压全部由钢筋承担，计算得到衬砌所需要钢筋面积为676 mm2/m。
4.3 运行期（考虑水击）
在水击工况下，认为水击压力为作用在衬砌内表面的均布力，渗透压力和水击压力由衬砌钢筋全部承担，计算得到衬砌所需要的钢筋面积为5 797 mm2/m。
4.4 检修期
内水压力作用下竖井段大部分断面与下平段衬砌混凝土将开裂，考虑衬砌开裂后内水外渗影响的外水压力作用在衬砌外表面上，在此基础上进行衬砌抗外压强度计算分析，结构计算过程中不考虑荷载作用系数。计算结果表明，衬砌混凝土环向为受压应力状态，最大环向应力出现在衬砌底板的外表面，达25.39 MPa，最大剪应力出现在两侧底板与边墙交界位置的内表面，达0.73 MPa。
4.5 计算结果分析
从上述计算结果可以看出，在施工完建期和检修期，假定外水完全作用在混凝土衬砌上、不考虑钢筋作用的情況下，混凝土衬砌可承受全部外水压力，此种工况可按常规混凝土不透水衬砌进行设计。在正常运行期（不考虑水击）工况下，与常规不透水衬砌相比，采用透水衬砌设计配筋量较小。在水击工况下，与透水衬砌正常运行（不考虑水击）工况相比，虽然配筋量在可接受的范围内，但配筋量显著增大。
水击压力是一种动水压力，时间效应非常明显，认为水击压力是作用在衬砌内表面的均布力是可以接受的，但假定水击压力由衬砌钢筋全部承担，在设计理论上可能偏于保守。从理论上来看，更合适的方法应是采用动力分析，水击压力由混凝土衬砌、衬砌钢筋和围岩共同承担。
5 需要注意的其他问题
CCS水电站压力管道透水衬砌设计涉及的关键问题有两条压力管道的布置及透水衬砌起点选择等。根据进水口和厂房位置，通过布置研究，使任一条压力管道洞身各方向和两条压力管道之间的围岩在不同运行工况下不产生渗透破坏和水力劈裂，同时在高地应力区管道轴线方向应与最大水平地应力方向有较小的夹角。由于压力管道水头高、洞线长，因此透水衬砌起点位置的选择不仅直接关系着工程的运行安全，而且对工程的投资影响巨大[5]。
高压引水隧洞透水衬砌覆盖层厚度和最小地应力是影响透水衬砌结构安全的重要因素，只有在覆盖层厚度计算结果和最小地应力测试满足要求的前提下，才能够考虑按透水衬砌进行结构设计。固结灌浆措施是保证高压引水隧洞透水衬砌结构安全的关键所在，细致周密的灌浆圈不仅可以减少运行期的内水外渗流量，减小隧洞沿线山体因地下水位升高而发生滑坡破坏的可能，而且在检修期间可以作为衬砌的一道挡水屏障，减小作用于衬砌外表面的水压力，避免衬砌发生外压破坏。
内水外渗问题是高压隧洞透水衬砌运行期间的主要问题之一，除了加强围岩固结灌浆措施等，应避免产生人为的渗流通道，防止产生集中的内水外渗和在衬砌外表面诱发沿着管轴线纵向劈裂的可能。鉴于高压隧洞的长期运行需求，同时考虑到地下工程的不可预见性与随机性，应加强高压隧洞运行监测与管理，严格控制检修排水期间的放水速度，在关键位置埋设监测仪器如渗压计、钢筋计等，进行长期监测[6]。
CCS水电站于2010年7月28日正式开工建设，2016年11月竣工并投产发电，从目前情况来看，透水衬砌运行情况良好。
6 结 语
在高内压下衬砌环向拉应力超过混凝土抗拉强度后，衬砌混凝土发生损伤破坏，表现为微裂纹萌生、扩展并贯通，直至产生宏观裂缝，洞内高压水沿裂缝通道外渗使得渗透水压增大，在影响结构应力场分布的同时加剧损伤，如此相互影响，是一个复杂的多场耦合过程[7]。目前国内水工高压隧洞结构透水衬砌设计尚无适用的规范可循，研究并适时开展透水衬砌规范编制，对提高透水衬砌的设计水平，保证工程安全有积极意义。CCS水电站压力管道透水衬砌设计可为透水衬砌规范编制及其他类似工程设计提供参考。
参考文献：
[1] 夏朋，吴浓娣，王建平，等.水利“走出去”典型案例成效分析及经验启示：以科卡科多辛克雷水电站和凯乐塔水电站为例[J].水利发展研究，2018，18（2）：64-70.
[2] 杜小凯，任青文，陈伟.有压引水隧洞内水外渗作用研究[J].四川大学学报（工程科学版），2008，40（5）：63-68.
[3] 卞康，肖明.水工隧洞衬砌水压致裂过程的渗流-损伤-应力耦合分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（增刊2）：3769-3776.
[4] 中国地震局地壳应力研究所.厄瓜多尔科卡科多辛克雷水电站原地应力测试报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2014：45-46.
[5] 张金良，谢遵党，邢建营.CCS水电站若干设计难点研究与突破[J].人民黄河，2019，41（5）：96-100，105.
[6] 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，黄河勘测规划设计研究院有限公司.厄瓜多尔CCS工程压力管道透水衬砌结构分析和有限元计算研究[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2014：141.
[7] 周利，苏凯，周亚峰，等.高压水工隧洞透水衬砌渗流-应力-损伤耦合分析方法研究[J].水利学报，2018，49（3）：313-322.
【责任编辑 张华岩】
关键词：压力管道;渗流场;应力场;透水衬砌;配筋量;CCS水电站
中图分类号：TV554 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.020
Abstract：The penstocks of CCS Hydropower Station in Ecuador are characterized by deep buried depth and high waterhead. The conventional lining design leads to much reinforcement. The permeable lining is adopted in the CCS penstock. The coupling analysis of the seepage field and the finite element structure of the concrete lining was carried out and the permeable lining reinforcement was calculated. The result shows that the lining concrete can meet the stress requirements under the condition of completion and maintenance. For operating condition， the reinforcement needed by the permeable lining is quite small. For water hammer condition， the reinforcement needed by the permeable lining is quite large compared with the operating condition. The permeable lining is suitable in practice， and it can greatly reduce the amount of reinforcement compared with the conventional lining.
Key words： penstock; seepage field; stress field; permeable lining; reinforcement;CCS Hydropower Station
1 工程概况
CCS水电站位于厄瓜多尔COCA河上，距离首都基多约140 km。该项目为厄瓜多尔最重要的建设项目，是中国融资和中国公司承建的“一带一路”重要工程，建成后可提供该国三分之一的电力供应，受到中国及厄瓜多尔两国政府的高度重视[1]。
CCS水电站调蓄水库最高发电水位1 231.00 m，正常发电水位1 229.50 m，最低发电水位1 216.00 m，发电引水系统采用“两管八机”布置，总装机容量1 500 MW。
CCS水电站压力管道包括上平段、竖井、下平段，其中上平段、竖井以及下平段的前部分采用钢筋混凝土衬砌，下平段末端为压力钢管。混凝土衬砌内径5.80 m，Ⅱ类与Ⅲ类围岩衬砌厚度60 cm，Ⅳ类与Ⅴ类围岩衬砌厚度90 cm，最大内水静水头超过600 m，属于典型的高压隧洞。
2 压力管道衬砌形式选择
水工隧洞在内水压力作用下，衬砌混凝土受拉开裂，并在施工缺陷以及温度微裂纹等影响下，形成性态不一的宏观裂缝，进而导致内水外渗[2-3]，此类衬砌结构称为透水衬砌。
CCS水电站压力管道设计时，上平段内水头相对较低，可采用常规钢筋混凝土衬砌（不透水衬砌）;竖井和下平段内水头较高，常规不透水衬砌将导致配筋量过高而难以适用，因此设计时根据挪威准则进行了透水衬砌覆盖层厚度验算，竖井和下平段前半部分采用混凝土透水衬砌，下平段后半部分采用钢管衬砌。施工开挖后，对下平段混凝土透水衬砌段进行了地应力测试，结果表明最小地应力满足透水衬砌要求[4]。
3 透水衬砌结构计算
3.1 典型断面选取
在进行压力管道透水衬砌设计时，对压力管道渗流场和应力场进行了耦合计算，并根据竖井段与下平段的围岩地质分类，对竖井和下平段透水衬砌选择了7个典型断面进行结构应力和配筋计算。因不同断面结构应力和配筋计算在方法上一致，因此本文仅以下平段透水衬砌末端断面为例进行分析，典型断面如图1所示。
3.2 围岩计算参数
根据地勘成果，计算分析采用的围岩参数见表1。
3.3 衬砌结构材料参数
透水衬砌混凝土强度fc=35 MPa;混凝土弹性模量为Ec=4 700fc，对应混凝土的劈裂抗拉强度ft=0.1fc。衬砌内钢筋弹性模量Es=200 GPa，钢筋屈服强度fy=420 MPa。
3.4 水壓力荷载分项系数与水力作用系数 完建与隧洞检修期（隧洞内无水，但承受外水压力）水力作用系数Hf采用1.3，荷载作用系数采用1.0;运行期考虑混凝土开裂特征及压力管道的具体地质特性，水力作用系数Hf采用1.65，荷载分项系数采用1.0。
3.5 计算模型
典型断面围岩类别为Ⅲ类，上覆盖层厚度为630 m，建立的有限元模型共33 568个单元、35 154个节点，整体计算模型如图2所示，衬砌结构计算模型如图3所示。模型中左右边界、前后（水流方向）边界与底部边界采用位移约束，顶部采用均布荷载等效施加覆盖层压力。计算工况包括施工完建期、运行期（不考虑水击）、运行期（考虑水击）和检修期四种。
4 计算结果与分析
4.1 施工完建期
施工完建期考虑衬砌浇筑完成后（固结灌浆未完成时）地下水压力作用在衬砌外表面（衬砌单独承载），衬砌厚度为60 cm，地下水压力水头为129 m。计算结果表明，衬砌混凝土环向为受压应力状态，最大环向应力出现在衬砌底板外表面，最大压应力10.05 MPa，最大剪应力出现在两侧底板与边墙交界位置的内表面，为0.29 MPa。
4.2 运行期（不考虑水击）
在内水压力（不考虑水击）作用下，衬砌混凝土开裂造成内水外渗，渗透水压全部由钢筋承担，计算得到衬砌所需要钢筋面积为676 mm2/m。
4.3 运行期（考虑水击）
在水击工况下，认为水击压力为作用在衬砌内表面的均布力，渗透压力和水击压力由衬砌钢筋全部承担，计算得到衬砌所需要的钢筋面积为5 797 mm2/m。
4.4 检修期
内水压力作用下竖井段大部分断面与下平段衬砌混凝土将开裂，考虑衬砌开裂后内水外渗影响的外水压力作用在衬砌外表面上，在此基础上进行衬砌抗外压强度计算分析，结构计算过程中不考虑荷载作用系数。计算结果表明，衬砌混凝土环向为受压应力状态，最大环向应力出现在衬砌底板的外表面，达25.39 MPa，最大剪应力出现在两侧底板与边墙交界位置的内表面，达0.73 MPa。
4.5 计算结果分析
从上述计算结果可以看出，在施工完建期和检修期，假定外水完全作用在混凝土衬砌上、不考虑钢筋作用的情況下，混凝土衬砌可承受全部外水压力，此种工况可按常规混凝土不透水衬砌进行设计。在正常运行期（不考虑水击）工况下，与常规不透水衬砌相比，采用透水衬砌设计配筋量较小。在水击工况下，与透水衬砌正常运行（不考虑水击）工况相比，虽然配筋量在可接受的范围内，但配筋量显著增大。
水击压力是一种动水压力，时间效应非常明显，认为水击压力是作用在衬砌内表面的均布力是可以接受的，但假定水击压力由衬砌钢筋全部承担，在设计理论上可能偏于保守。从理论上来看，更合适的方法应是采用动力分析，水击压力由混凝土衬砌、衬砌钢筋和围岩共同承担。
5 需要注意的其他问题
CCS水电站压力管道透水衬砌设计涉及的关键问题有两条压力管道的布置及透水衬砌起点选择等。根据进水口和厂房位置，通过布置研究，使任一条压力管道洞身各方向和两条压力管道之间的围岩在不同运行工况下不产生渗透破坏和水力劈裂，同时在高地应力区管道轴线方向应与最大水平地应力方向有较小的夹角。由于压力管道水头高、洞线长，因此透水衬砌起点位置的选择不仅直接关系着工程的运行安全，而且对工程的投资影响巨大[5]。
高压引水隧洞透水衬砌覆盖层厚度和最小地应力是影响透水衬砌结构安全的重要因素，只有在覆盖层厚度计算结果和最小地应力测试满足要求的前提下，才能够考虑按透水衬砌进行结构设计。固结灌浆措施是保证高压引水隧洞透水衬砌结构安全的关键所在，细致周密的灌浆圈不仅可以减少运行期的内水外渗流量，减小隧洞沿线山体因地下水位升高而发生滑坡破坏的可能，而且在检修期间可以作为衬砌的一道挡水屏障，减小作用于衬砌外表面的水压力，避免衬砌发生外压破坏。
内水外渗问题是高压隧洞透水衬砌运行期间的主要问题之一，除了加强围岩固结灌浆措施等，应避免产生人为的渗流通道，防止产生集中的内水外渗和在衬砌外表面诱发沿着管轴线纵向劈裂的可能。鉴于高压隧洞的长期运行需求，同时考虑到地下工程的不可预见性与随机性，应加强高压隧洞运行监测与管理，严格控制检修排水期间的放水速度，在关键位置埋设监测仪器如渗压计、钢筋计等，进行长期监测[6]。
CCS水电站于2010年7月28日正式开工建设，2016年11月竣工并投产发电，从目前情况来看，透水衬砌运行情况良好。
6 结 语
在高内压下衬砌环向拉应力超过混凝土抗拉强度后，衬砌混凝土发生损伤破坏，表现为微裂纹萌生、扩展并贯通，直至产生宏观裂缝，洞内高压水沿裂缝通道外渗使得渗透水压增大，在影响结构应力场分布的同时加剧损伤，如此相互影响，是一个复杂的多场耦合过程[7]。目前国内水工高压隧洞结构透水衬砌设计尚无适用的规范可循，研究并适时开展透水衬砌规范编制，对提高透水衬砌的设计水平，保证工程安全有积极意义。CCS水电站压力管道透水衬砌设计可为透水衬砌规范编制及其他类似工程设计提供参考。
参考文献：
[1] 夏朋，吴浓娣，王建平，等.水利“走出去”典型案例成效分析及经验启示：以科卡科多辛克雷水电站和凯乐塔水电站为例[J].水利发展研究，2018，18（2）：64-70.
[2] 杜小凯，任青文，陈伟.有压引水隧洞内水外渗作用研究[J].四川大学学报（工程科学版），2008，40（5）：63-68.
[3] 卞康，肖明.水工隧洞衬砌水压致裂过程的渗流-损伤-应力耦合分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（增刊2）：3769-3776.
[4] 中国地震局地壳应力研究所.厄瓜多尔科卡科多辛克雷水电站原地应力测试报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2014：45-46.
[5] 张金良，谢遵党，邢建营.CCS水电站若干设计难点研究与突破[J].人民黄河，2019，41（5）：96-100，105.
[6] 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，黄河勘测规划设计研究院有限公司.厄瓜多尔CCS工程压力管道透水衬砌结构分析和有限元计算研究[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2014：141.
[7] 周利，苏凯，周亚峰，等.高压水工隧洞透水衬砌渗流-应力-损伤耦合分析方法研究[J].水利学报，2018，49（3）：313-322.
【责任编辑 张华岩】