水工隧洞配筋計(jì)算方法比較

保鵬剛，顏 敏

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650000)

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，大中型水利項(xiàng)目基本趨于飽和，近年來小型水利項(xiàng)目逐漸增多，因小水利項(xiàng)目流量較小，導(dǎo)流規(guī)模較小，所需導(dǎo)流隧洞大小也基本為最小施工斷面[1]或略大于最小施工斷面；小型隧洞配筋計(jì)算軟件，計(jì)算方法較多且計(jì)算結(jié)果差異較大，本文將針對某工程采用不同軟件計(jì)算，對計(jì)算過程及成果進(jìn)行分析比較，得出差異所在并提出較為簡便快捷實(shí)用的計(jì)算方法以供日后計(jì)算參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某水庫壩址以上流域面積7.28km2，多年平均流量0.109m3/s。水庫正常蓄水位為579.00m，相應(yīng)庫容為103萬m3，興利庫容81.6萬m3，校核洪水位581.94m，總庫容128萬m3。樞紐工程由混凝土面板堆石壩+左岸溢洪道+右岸取水、放空兼導(dǎo)流洞及下游供水管線系統(tǒng)組成。本水庫工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬小(1)型，主要建筑物級別為4級，導(dǎo)流洞內(nèi)鋪設(shè)取水放空管，因此導(dǎo)流洞按永久建筑設(shè)計(jì)，筑物級別為4級。

1.2 地層巖性

隧洞總長163m，埋深10～40m，位于邊陽組第一段(T2b1)灰色薄～厚層泥巖夾砂巖地層，巖體為弱風(fēng)化～微風(fēng)化，巖體較完整，但泥巖易受風(fēng)化及地下水影響產(chǎn)生掉塊、塌方，圍巖不穩(wěn)定，以Ⅳ類圍巖為主。建議參數(shù)為：Ⅳ類圍巖K0=3MPa/cm，f=2.0。

1.3 導(dǎo)流設(shè)計(jì)情況

本工程采用圍堰一次攔斷河床、隧洞導(dǎo)流的施工導(dǎo)流方式，截流后第一個(gè)汛期由大壩臨時(shí)斷面擋水，導(dǎo)流洞過流，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯期(10月1日至次年4月30日)5年一遇洪水，導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量為Q20%=9.94m3/s，對應(yīng)上游水位為557.23m，下游水位544.19m。

導(dǎo)流隧洞布置在右岸(凸岸)，導(dǎo)流隧洞長163m，進(jìn)口底板高程555.50m，出口底板高程547.00m，底坡為5.20%。隧洞斷面采用城門洞型，斷面尺寸為3.0m×3.5m(寬×高)，過流斷面面積9.65m2，頂拱中心角139.27°，頂拱半徑為1.6m，直墻高2.46m。

2 荷載計(jì)算

導(dǎo)流洞在施工期、運(yùn)行期及封堵期存在的荷載有襯砌自重、山巖壓力、灌漿壓力、外水壓力、內(nèi)水壓力、彈性抗力，不同工況下荷載組合[1]不同；襯砌自重由程序根據(jù)輸入結(jié)構(gòu)尺寸及容重自行計(jì)算，C25鋼筋混凝土容重[2]為25kN/m3；

2.1 山巖壓力

計(jì)算巖石松動(dòng)壓力的方法很多，根據(jù)規(guī)范[1- 3]建議和工程經(jīng)驗(yàn)，采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法。由于本工程開挖時(shí)采取了鋼支撐+錨噴的支護(hù)措施，故可少計(jì)山巖壓力，計(jì)算時(shí)山巖壓力系數(shù)取小值，垂直山巖壓力qv=0.2γB，水平山巖壓力qh=0.05γH。

2.2 內(nèi)水壓力

在各種工況下，根據(jù)不同的流量計(jì)算測壓管水頭值，計(jì)算中取最大值進(jìn)行計(jì)算。

2.3 外水壓力

外水折減系數(shù)[3]取0.75。

2.4 彈性抗力

Ⅳ類圍巖彈抗系數(shù)為K0=3MPa/cm，輸入程序根據(jù)所受內(nèi)力自行計(jì)算。

2.5 灌漿壓力

回填灌漿壓力只作用于襯砌頂拱上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[1- 2]，本工程取0.2MPa。

2.6 計(jì)算參數(shù)

(1)安全系數(shù)[4]：基本組合1.15，特殊組合1.0；

(2)最大允許裂縫寬度：ωlim=0.3mm；

(3)混凝土：C25混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度fc=11.9N/mm2，軸心抗拉強(qiáng)度ft=1.27N/mm2，混凝土泊松比0.167，混凝土彈性模量Ec=2.80×104N/mm2，混凝土保護(hù)層厚度5cm；

(4)鋼筋：鋼筋采用HRB400，鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=fy′=360N/mm2，鋼筋彈性模量Es=2.0×105N/mm2，泊松比0.3。

3 工況分析

本工程各工況分析見表1。

表1 工況分析

本工程以施工工況為最不利工況。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 SDCAD4.0計(jì)算配筋結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 SDCAD4.0計(jì)算配筋結(jié)果

4.2 理正巖土計(jì)算配筋結(jié)果

(1)不考慮限裂驗(yàn)算計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果見表3。

(續(xù)表)

表3 不考慮限裂驗(yàn)算理正巖土計(jì)算配筋結(jié)果

(續(xù)表)

(2)考慮限裂驗(yàn)算計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 考慮限裂驗(yàn)算理正巖土計(jì)算配筋結(jié)果

(續(xù)表)

4.3 根據(jù)規(guī)范[4- 6]手動(dòng)計(jì)算配筋結(jié)果

(1)不考慮限裂驗(yàn)算計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不考慮限裂驗(yàn)算手動(dòng)計(jì)算成果

(2)考慮限裂驗(yàn)算計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 考慮限裂驗(yàn)算手動(dòng)計(jì)算成果

部位SDCAD4.0計(jì)算配筋面積/mm2理正巖土計(jì)算配筋面積根據(jù)規(guī)范手動(dòng)計(jì)算配筋非抗裂/mm2抗裂/mm2非抗裂/mm2抗裂/mm2底板中點(diǎn)1337(0.3%)1601(0.37%)2131(0.49%)1547(0.31%)1547(0.31%)底板端點(diǎn)675(0.15%)1782.3(0.41%)2372(0.55%)1724(0.34%)1724(0.34%)邊墻底端675(0.15%)1195.7(0.27%)1750(0.40%)1137(0.23%)1137(0.23%)邊墻頂端675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)拱腳675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)拱頂675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)

4.4 計(jì)算結(jié)果比較

通過以上計(jì)算比較，SDCAD計(jì)算結(jié)果最小，手動(dòng)計(jì)算結(jié)果次之，理正巖土計(jì)算結(jié)果最大，通過對各軟件計(jì)算手冊的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SDCAD采用規(guī)范已失去時(shí)效性，不建議采用其計(jì)算結(jié)果；當(dāng)隧洞不考慮限裂驗(yàn)算時(shí)，理正巖土計(jì)算成果與手動(dòng)計(jì)算成果相差不大，均可采用；當(dāng)隧洞需要進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)收時(shí)，理正巖土計(jì)算配筋面積明顯大于手動(dòng)計(jì)算配筋面積，通過對理正巖土計(jì)算說明進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其驗(yàn)算裂縫寬度公式采用SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]式7.2.2，規(guī)范[4]明確式7.2.2不適用于圍巖中襯砌結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]附錄D計(jì)算。手動(dòng)計(jì)算中裂縫寬度驗(yàn)算公式采用規(guī)范[1]附錄D，結(jié)果符合規(guī)范要求。

5 結(jié)論

通過采用SDCAD、理正巖土和手動(dòng)計(jì)算3種方法對小斷面隧洞襯砌配筋計(jì)算比較，得出如下結(jié)論。

(1)SDCAD采用規(guī)范已失去時(shí)效性，不建議采用其計(jì)算結(jié)果，如程序?qū)σ?guī)范進(jìn)行更新，需重新進(jìn)行比較。

(2)不考慮限裂計(jì)算時(shí)，理正計(jì)算成果與手動(dòng)計(jì)算成果均可選取。

(3)當(dāng)考慮限裂計(jì)算時(shí)，不得采用理正計(jì)算成果，應(yīng)根據(jù)規(guī)范【1】進(jìn)行限裂驗(yàn)算。

6 結(jié)語

通過對上述計(jì)算方法的比較，筆者根據(jù)不同計(jì)算要求提出計(jì)算可采用方法的建議，為日后進(jìn)行小型水工隧洞配筋計(jì)算提供參考，但在以后的計(jì)算中也應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)本文提及的計(jì)算方法僅適用于簡單的小型水工隧洞，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水工隧洞或大型水工隧洞建議使用有限元方法進(jìn)行計(jì)算。

(2)文中手動(dòng)計(jì)算配筋時(shí)未手動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，而是直接引用理正計(jì)算內(nèi)力結(jié)果，與SDCAD內(nèi)力計(jì)算結(jié)果存在差異，此差異未進(jìn)行仔細(xì)研究，對配筋結(jié)果影響未知，需讀者自行選取。

(3)SDCAD程序如對引用規(guī)范進(jìn)行更新，可結(jié)合實(shí)際情況采用其進(jìn)行計(jì)算。