不同外水壓力下輸水隧洞結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算分析

高祥澤

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

關(guān)鍵字：輸水隧洞；外水頭；邊值法；SDCAD；外水折減系數(shù)；內(nèi)力計(jì)算

輸水隧洞一般為無壓隧洞，外水壓力是隧洞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的重要荷載，洞段受外水壓力影響較大，在設(shè)計(jì)過程中，若外水壓力折減系數(shù)取值不當(dāng)，將直接影響輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算及配筋結(jié)果。因此，根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的外水壓力折減系數(shù)進(jìn)行合理輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算分析，是保證隧洞設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵[1-2]。

本文以某輸水隧洞工程為依托，進(jìn)行三種工況、不同折減系數(shù)下輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算。輸水隧洞洞段圍巖主要為Ⅳ類、V類圍巖，外水水頭在10～90m不等，計(jì)算取外水水頭H=50m，通過折減系數(shù)變化來反映外水壓力變化，隧洞圍巖巖體力學(xué)參數(shù)取值見表1。

1 計(jì)算原理與方法

1.1 計(jì)算方法

本文輸水隧洞結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算方法采用邊值法，將水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算轉(zhuǎn)化為用初參數(shù)求解非線性常微分方程組的邊值問題。外水壓力根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2016）中外水壓力計(jì)算公式和外水壓力折減系數(shù)確定。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算程序化，采用SDCAD[3]，對輸水隧洞在不同外水壓力作用下的內(nèi)力值計(jì)算，并進(jìn)行單工況配筋及最終配筋計(jì)算。

1.2 計(jì)算模型

表1 隧洞圍巖巖體力學(xué)參數(shù)取值表

SDCAD軟件進(jìn)行該輸水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，選取圓拱直墻斷面計(jì)算模型，隧洞因襯砌結(jié)構(gòu)、荷載分布對稱，在襯砌內(nèi)力計(jì)算時(shí)應(yīng)取襯砌結(jié)構(gòu)一半作為計(jì)算區(qū)間，并將底板、邊墻、圓拱分別按1段號(hào)、2段號(hào)、3段號(hào)進(jìn)行劃分并在每段內(nèi)進(jìn)行段點(diǎn)號(hào)編號(hào)。

1.3 計(jì)算數(shù)據(jù)、工況及荷載組合

該城門洞型輸水隧洞，襯砌厚度0.4m，洞高2.48m（從底板中心線算起到直墻高度），頂拱半徑1.44m，頂拱半中心角62.5°。隧洞圍巖巖體力學(xué)參數(shù)取值見表1，選擇Ⅳ類圍巖洞段進(jìn)行分析，垂直壓力系數(shù)取0.3，側(cè)向壓力系數(shù)取0.1，計(jì)算外水頭H取50m，內(nèi)水壓力為2.29m，計(jì)算工況取運(yùn)行期持久狀況、檢修工況及施工工況，各種工況外水折減系數(shù)分別取0.2、0.5、0.75，通過外水折減系數(shù)來反映結(jié)構(gòu)所受的外水壓力作用。三種工況下的外水壓力通過外水折減系數(shù)自動(dòng)求出。運(yùn)行期持久工況輸水隧洞內(nèi)有內(nèi)水壓力，檢修、施工工況洞內(nèi)無水，無內(nèi)水壓力，圍巖壓力將通過垂直、側(cè)向壓力系數(shù)輸入后軟件自動(dòng)加載，計(jì)算中對襯砌上的彈性抗力不作任何假定，可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算自動(dòng)求出抗力分布，施工工況考慮灌漿壓力，折減后灌漿壓力值取0.2MPa，其計(jì)算工況對應(yīng)的荷載組合如下：

運(yùn)行期：圍巖壓力+襯砌自重+彈性抗力+內(nèi)水壓力+外水壓力；

檢修期：圍巖壓力+襯砌自重+彈性抗力+外水壓力；

施工期：圍巖壓力+襯砌自重+彈性抗力+外水壓力+灌漿壓力。

2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

通過SDCAD軟件在三種工況、不同外水折減系數(shù)折減后的外水壓力作用下計(jì)算得到輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力及剪力值及變形值的數(shù)據(jù)較多，篇幅大，本文僅對運(yùn)行期持久狀況下得到的內(nèi)力值進(jìn)行整理、分析，所得底板內(nèi)力結(jié)果見表2，并給出不同外水壓力工況下內(nèi)力圖（圖1）。

表2 運(yùn)行期持久工況下不同外水折減系數(shù)內(nèi)力值

圖1 運(yùn)行期持久工況襯砌內(nèi)力圖（βe=0.2）

由運(yùn)行期持久工況下的內(nèi)力計(jì)算成果以及內(nèi)力分布圖可知，本工程輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖變形規(guī)律一致，其內(nèi)力主要是由外水壓力控制，外水壓力折減系數(shù)βe值越大，所對應(yīng)的軸力、剪力及彎矩越大，最大值位于底板和邊墻交接位置，軸力、剪力在邊墻和拱頂交接處內(nèi)力也較其他部位偏大，彎矩在底板跨中也較其他部位偏大。

檢修工況、施工工況應(yīng)力分布與運(yùn)行期持久工況相似，因此施工工況在輸水隧洞配筋中起決定性作用。

3 配筋計(jì)算分析

輸水隧洞采用SDCAD進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)，先進(jìn)行單工況配筋計(jì)算，待每一工況單工況配筋完成后，最后進(jìn)行最終選筋，選擇出滿足該輸水隧洞結(jié)構(gòu)的鋼筋結(jié)果。三種工況下不同外水折減系數(shù)下的最終配筋如表3所示。

表3 三種工況下不同外水折減系數(shù)的配筋成果

4 結(jié)論

在三種工況，將外水壓力通過外水壓力折減系數(shù)βe進(jìn)行折減，再采用SDCAD軟件進(jìn)行隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和配筋計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）由隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖可以得知，襯砌內(nèi)力主要受外水壓力影響，三種工況下，除邊墻和底板交接位置附近外，襯砌的拉壓應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)要采取一定的措施。

2）在同種工況下不同外水壓力折減系數(shù)得到的內(nèi)力分布規(guī)律基本一致，折減系數(shù)βe越大，內(nèi)力值越大，對配筋結(jié)果要求越高。