大河沿引水工程灌溉洞結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

周 亮，趙萬(wàn)強(qiáng)

(吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000)

1 工程概況

大河沿引水工程位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市大河沿河上游。擬建壩址距烏魯木齊120km，距吐魯番市60km，距大河沿鎮(zhèn)17km。工程主要由擋水大壩、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞組成，是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和重點(diǎn)工業(yè)供水任務(wù)的綜合性水利樞紐工程。

灌溉隧洞布置于左岸山體內(nèi)，全長(zhǎng)約635m，開(kāi)挖洞徑2.8m。其中洞身段約510m長(zhǎng)的洞段處于基巖內(nèi)，洞頂上覆巖體厚15～60m，圍巖為石炭系上統(tǒng)博格達(dá)下亞群第二組(C3bga- 2)砂巖、粉砂巖、砂礫巖。巖層走向與洞線近于正交，巖層傾角近于直立，斷層不發(fā)育，巖體較完整，成洞條件較好；進(jìn)、出口分別約106m、19m長(zhǎng)洞段處于Ⅳ級(jí)階地堆積的深厚砂礫石層內(nèi)，砂礫石層具鈣泥質(zhì)弱膠結(jié)，隧洞上覆砂礫石層厚多大于2倍洞徑，在干燥條件下進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)可成洞。

2 灌溉洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)口段：進(jìn)口段設(shè)置在泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞進(jìn)口上游側(cè)10m處，確保水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，灌溉洞進(jìn)口處做到“門前清”。進(jìn)口底板高程1577.0m，設(shè)置在泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞邊坡馬道上，進(jìn)口底寬4.0m，T型斷面，邊坡開(kāi)挖坡比為1∶1.75，后接有壓隧洞段，進(jìn)口高程1577.5m，上游設(shè)置橢圓漸變段。

上游有壓隧洞段：長(zhǎng)為140.0m，進(jìn)口高程1577.5m，縱坡i=1.2%，其中進(jìn)口9.6m洞段為矩形洞段，尺寸為2.0×2.0m，后接漸變段，長(zhǎng)10m，由矩形洞變成圓形洞。圓形洞洞徑為2.0m，襯砌厚度0.4m，部分洞段坐落在砂卵石層上，砂卵石層成洞條件較差，該部位襯砌厚度為0.7m。

閘井段：長(zhǎng)為3.5mm，閘井前、后均設(shè)置10m漸變段，設(shè)置事故檢修平板閘門一道，事故檢修平板閘門尺寸為2.0×2.0m。閘底高程1575.96m，底板厚度1.0m，閘井段采用豎井式布置在大壩上游側(cè)山體內(nèi)，其頂部高程為1619.3m，檢修門采用卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉，排架設(shè)置在閘室段頂部。閘井頂部平臺(tái)與大壩壩頂之間設(shè)置公路連接。

下游有壓隧洞段：長(zhǎng)為514.5m，縱坡i=1.2%，圓形洞洞徑為2.0m，襯砌厚度0.4m，出口附近為砂卵石洞段，砂卵石層成洞條件較差，該部位襯砌厚度為0.7m，砂卵石洞內(nèi)設(shè)置鋼襯，厚8mm，長(zhǎng)40m，方便生態(tài)管、工農(nóng)業(yè)用水和閥門連接。

出口鎮(zhèn)墩段：鎮(zhèn)墩長(zhǎng)10m，因隧洞為有壓隧洞，出口處隧洞拐彎與下游等高線平順連接，設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩厚6m，鎮(zhèn)墩處接一管徑為φ600mm生態(tài)鋼管，出口設(shè)置錐形閥接至河道，鎮(zhèn)墩后部接渠道流量控制閥。

3 灌溉洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過(guò)對(duì)隧洞設(shè)計(jì)洞型和地址條件分析，本隧洞的襯砌計(jì)算采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法可滿足計(jì)算精度和要求。計(jì)算荷載考慮山巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、襯砌自重等。計(jì)算假定圍巖與襯砌緊密結(jié)合圍巖對(duì)襯砌產(chǎn)生一定的彈性抗力，在荷載及抗力共同作用下求出襯砌各斷面的彎矩、軸力，然后計(jì)算配筋量，驗(yàn)算襯砌是否開(kāi)裂以及計(jì)算開(kāi)裂寬度。

3.1 荷載計(jì)算

作用在隧洞上的荷載主要有：

(1)襯砌自重

單位面積上自重強(qiáng)度

g=γhh，γh=24.5kN/m3

式中，h—含超欠挖襯砌厚度。

(2)山巖壓力

q=(0.2～0.3)γB，γ=27.0kN/m3

式中，B—洞開(kāi)挖寬度。

(3)彈性抗力

按文克爾假定

p=Kδ

式中，K—圍巖的彈性抗力系數(shù)，δ—襯砌的變位。

(4)內(nèi)水壓力

Ps=γh

式中，h—計(jì)算點(diǎn)的水頭，由壓坡線或水面線確定。

(5)外水壓力

有壓洞取地下水位線以下的水柱高乘以折減系數(shù)；

(6)地震力

ah=0.178g，Tg=0.4s

按抗震規(guī)范計(jì)算地震力，上覆巖體厚度15m以上，

地震加速度按0.8倍折減，其他在0.5～1之間按厚度直線內(nèi)插。

3.2 荷載組合

(1)正常運(yùn)用情況

襯砌自重+山巖壓力+設(shè)計(jì)水位時(shí)內(nèi)、外水壓力。

(2)非常運(yùn)用情況

襯砌自重+山巖壓力+校核水位時(shí)內(nèi)、外水壓力。

(3)施工、檢修情況

襯砌自重+山巖壓力+可能出現(xiàn)的最大外水壓力+灌漿壓力。

(4)地震情況

襯砌自重+山巖壓力+正常水位時(shí)內(nèi)、外水壓力+地震。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

對(duì)于有壓洞，內(nèi)水壓力對(duì)洞身起控制作用，而外水壓力起抵消內(nèi)水壓力的有利作用，所以取外水壓力較小而內(nèi)水壓力較大的工況為控制工況。在以上組合中，取基本組合的正常洪水和特殊組合的校核洪水兩種工況進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算采用計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

(1)隧洞圍巖分類

隧洞圍巖分類統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 隧洞圍巖分類統(tǒng)計(jì)表

(2)基本資料

選取有代表性的洞段進(jìn)行典型計(jì)算，各段基本資料見(jiàn)表2。

選取G0+60m(Ⅳ類圍巖)、G0+200m(Ⅲ類圍巖)兩個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，兩個(gè)典型斷面襯砌內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1—4。

G0+060m斷面(Ⅳ類圍巖)的檢修情況、施工情況的荷載工況見(jiàn)圖1—2。

圖1 荷載工況(檢修工況1)

單位G0+000～G0+19.6洞身G0+019.6～G0+105洞身段G0+105～G0+643G0+140～G0+143.5(豎井)斷面形狀矩形圓形形圓形方形襯砌軸線半徑m1.01.01.0—襯砌厚度m0.70.40.40.6砼強(qiáng)度等級(jí)C30C30C30C25運(yùn)行期內(nèi)水水頭m40.3/040.3/040.3/040.3/0運(yùn)行期外水水頭m372030運(yùn)行期外水折減系數(shù)0.250.250.20.2檢修期外水折減系數(shù)0.60.30.30.6施工期外水折減系數(shù)0.40.40.20.2灌漿壓力強(qiáng)度MPa0.30.30.30.3單位彈性抗力MN/m3800350015003500圍巖壓力計(jì)算方法系數(shù)法系數(shù)法系數(shù)法系數(shù)法巖石重度KN/m327272727垂直壓力系數(shù)0.30.250.250.25側(cè)向壓力系數(shù)0.070.070.070.07ah0.178g0.178g0.178g0.178gTgS0.40.40.40.4

3.4 計(jì)算結(jié)果

主要內(nèi)力及配筋計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 隧洞襯砌計(jì)算內(nèi)力及配筋主要成果

圖2 荷載工況(施工工況1)

G0+200m斷面(Ⅲ類圍巖)的檢修情況、施工情況的荷載工況見(jiàn)圖3—4。

圖3 荷載工況(檢修工況2)

圖4 荷載工況(施工工況2)

通過(guò)上表配筋計(jì)算結(jié)果可以看出，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)厚度選擇合理，配筋能夠滿足隧洞各種工況應(yīng)力計(jì)算要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)介紹隧洞的受力情況，采用系列軟件對(duì)大河沿引水工程灌溉洞進(jìn)行襯砌設(shè)計(jì)，以滿足穩(wěn)定、運(yùn)行安全的要求。

為了保障隧洞在施工及運(yùn)行中的安全，提出以下建議:

(1)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)隧洞出口段地址條件較差，成洞條件不良，應(yīng)做鋼襯、固結(jié)灌漿或采用鋼拱架等處理，具體措施視施工現(xiàn)場(chǎng)而定。

(2)在隧洞掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證施工質(zhì)量盡量采用光面爆破、預(yù)裂爆破、微差爆破等先進(jìn)爆破技術(shù)，減少超挖，保證襯砌工作面襯平整。施工中應(yīng)盡量減小糙率，保持水流平穩(wěn)，降低空蝕、空化對(duì)洞壁的安全隱患。