河口村水庫1號泄洪洞洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫永波，杜遠(yuǎn)征

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州450003)

1 工程概況

河口村水庫工程位于河南省濟(jì)源市河口村附近的沁河干流上，開發(fā)任務(wù)以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、改善河道基流等綜合利用。水庫總庫容3.17億m3，正常蓄水位275.00 m，設(shè)計(jì)、校核洪水位均為285.43 m。工程等別為Ⅱ等，屬大(2)型工程，主要建筑物有混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞等。泄洪洞為2條，均布置在左岸，兩洞軸線相距40 m，擔(dān)負(fù)著泄洪、排沙及放空水庫的任務(wù)，均為明流泄洪洞，建筑物級別均為2級，靠河道側(cè)泄洪洞為1號泄洪洞。

1號泄洪洞由引渠、進(jìn)水塔、洞身段、出口挑流段組成，洞身全長為643.00 m。進(jìn)水塔進(jìn)口高程195.00 m，塔基尺寸49.00 m×33.00 m(長×寬)。1號泄洪洞進(jìn)水口為有壓短管進(jìn)口，分為兩孔，孔口大小4.00 m×7.00 m(寬×高)，工作門采用偏心鉸弧門，門后為突跌突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，突跌跌坎高度1.30 m，兩邊各突擴(kuò)0.50 m。洞身結(jié)構(gòu)起點(diǎn)樁號為1泄0+024.96，樁號1泄0+024.96～樁號1泄0+047.53段為漸變段1段，洞身斷面由兩孔矩形斷面5.00 m×13.59 m(寬×高)漸變?yōu)橐豢壮情T洞型14.00 m×13.50 m(寬×高，矢高2.5 m)。洞身1泄0+047.53～1泄0+097.53段為漸變段2段，洞身斷面由城門洞型14.00 m×13.50 m(寬×高)漸變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)城門洞型9.00 m×13.50 m(寬×高，矢高2.5 m)。樁號1泄0+024.96～1泄0+044.96段洞身縱坡為10%，1泄0+044.96至出口段洞身縱坡為2.338%，兩縱坡間采用半徑30.00 m的圓弧銜接。

2 復(fù)雜圍巖條件

1號泄洪洞穿越的地層從進(jìn)口到出口依次為：太古界登封群(Ard)變質(zhì)巖、中元古界汝陽群(Pt2y、Pt2b、Pt2bd)厚層～巨厚層為主的硅質(zhì)石英礫巖、鐵鈣質(zhì)粉砂巖和硅質(zhì)石英巖狀砂巖、寒武系饅頭組(∈1m1～∈1m6)中厚層～薄層為主的碳酸鹽巖類，主要巖性為板狀白云巖、條帶狀灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖、頁巖等。其中∈1m3以泥灰?guī)r為主，巖性軟，遇水軟化，層間有數(shù)層泥化夾層或鏡面，為不穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖的洞段穩(wěn)定性較差。

1號泄洪洞穿過的地層復(fù)雜，斷層裂隙發(fā)育，圍巖條件較差，先后穿越的斷層為F11逆掩斷層、五廟坡斷層帶(F6、F7、F8)及F4、F5等小斷層，Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段長度占70%。其中五廟坡斷層斷距大，斷層帶寬達(dá)70 m，斷層帶物質(zhì)為斷層泥及碎塊巖，為碎裂結(jié)構(gòu)，成股水流滲水嚴(yán)重，對洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利(見表1)。

表1 河口村水庫1號泄洪洞圍巖分類及主要物理力學(xué)參數(shù)

3 洞身開挖臨時(shí)支護(hù)

1號泄洪洞洞身開挖跨度大，進(jìn)口洞身結(jié)構(gòu)起算點(diǎn)處開挖寬度達(dá)18.40 m，最小開挖寬度位于隧洞出口處，開挖寬度也有11.00 m。洞身穿過的地層復(fù)雜，圍巖破碎，圍巖穩(wěn)定性較差。為確保泄洪洞施工期圍巖穩(wěn)定和開挖安全，參照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5195—2004)，并收集國內(nèi)外同類相似工程的洞身開挖噴錨支護(hù)參數(shù)，確定本泄洪洞開挖支護(hù)參數(shù)(見表2)。實(shí)際施工中，對V類圍巖大多洞段增加了鋼拱架支護(hù)措施,鋼拱架間距1.00 m，鋼拱架采用工字鋼型號為22A。

表2 泄洪洞開挖臨時(shí)支護(hù)參數(shù)

注：根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露洞身圍巖實(shí)際情況，復(fù)核確定布置鋼拱架等加強(qiáng)措施。

4 洞身襯砌永久支護(hù)

洞身襯砌永久支護(hù)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，洞身穿過的地層較為復(fù)雜，根據(jù)圍巖類別、洞身運(yùn)行條件、內(nèi)外水荷載及與襯砌施工特點(diǎn)等，分段采取不同襯砌型式。洞身襯砌厚度沿程變化，分別在2.50～0.80 m之間。

4.1 計(jì)算方法

1號泄洪洞為明流泄洪洞，洞身樁號1泄0+024.96～1泄0+044.96段為兩孔矩形斷面，其永久支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》中《帶斜桿帶彈性地基梁的平面框架內(nèi)力及配筋計(jì)算書G—14》。計(jì)算中假定底板為彈性地基梁，考慮彈抗系數(shù)的影響，其他各桿件不考慮彈抗系數(shù)影響，把圍巖壓力作為荷載加上去，考慮剛域及剪切變形的影響，完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。

本泄洪洞其他洞身段支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)原《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(SD 134—84)推薦，采用邊值法數(shù)值求解，其思路是：將襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡化非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點(diǎn)，以計(jì)算水工隧洞襯砌在各主動(dòng)荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布。無須假定襯砌上的抗力分布，由程序經(jīng)迭代計(jì)算自動(dòng)得出。本泄洪洞其他洞身段支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SDCAD4.0水利版完成。

4.2 工況及荷載組合

根據(jù)河口村水庫泄洪洞運(yùn)行情況，將泄洪洞的計(jì)算工況分為運(yùn)行期、檢修期、施工期(見表3)。

表3 各工況荷載組合

4.3 初始條件

根據(jù)河口村水庫洪水特點(diǎn)，校核水位工況洪峰值雖較高，但歷時(shí)較短，在山體內(nèi)難以形成穩(wěn)定的地下水位線。所以，泄洪洞洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，假定山體內(nèi)穩(wěn)定地下水位線由庫區(qū)正常蓄水位確定，即正常蓄水位275.00 m。

根據(jù)本工程地質(zhì)條件并參考同類工程成功經(jīng)驗(yàn)，假定泄洪洞洞身在防滲帷幕處上下游外水水頭折減系數(shù)取30%，帷幕前外水位為正常蓄水位275.00 m，帷幕后外水位為線性變化，與泄洪洞出口洞頂連接，洞身最大外水水頭達(dá)87.61 m(見圖1)。

洞身混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為C30，迎水面混凝土保護(hù)層厚度為165 mm，背水面混凝土保護(hù)層厚度為65 mm，采用限裂設(shè)計(jì)，運(yùn)行期最大裂縫寬度允許值為0.30 mm，檢修期最大裂縫寬度允許值為0.35 mm，施工期不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，山體圍巖壓力垂直壓力系數(shù)取0.2，側(cè)向壓力系數(shù)取0.05。

4.4 計(jì)算成果

1號泄洪洞進(jìn)口段由于洞身跨度較大，覆蓋巖體厚度較薄，受斷層及裂隙影響較大，外水水頭較高，局部洞段襯砌厚度較厚，達(dá)到2.50 m，鋼筋直徑達(dá)到40 mm(見表4)。

圖1 1號泄洪洞縱剖面、圍巖類別、地下水位及洞身樁號

表4 1號泄洪洞洞身襯砌永久支護(hù)主要鋼筋成果

續(xù)表4 1號泄洪洞洞身襯砌永久支護(hù)主要鋼筋成果

5 結(jié) 論

河口村水庫1號泄洪洞洞身斷面跨度較大，漸變段長度較長，穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定較差，成股水流滲水嚴(yán)重，Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段約占70%，影響洞段較長，對洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受制條件較多。本設(shè)計(jì)采用合理的邊界參數(shù)，根據(jù)不同洞身斷面采用合適的計(jì)算方法，得到可靠的設(shè)計(jì)成果。在此基礎(chǔ)上，該泄洪洞已于2013年順利建成完工，并于2017年10月通過竣工驗(yàn)收。目前1號泄洪洞安全運(yùn)行超過5 a，運(yùn)行狀況良好。