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        大河沿引水工程灌溉洞結構計算分析

        2019-08-08 09:24:24趙萬強
        水利技術監(jiān)督 2019年4期
        關鍵詞:洞段隧洞斷面

        周 亮,趙萬強

        (吐魯番市水利水電勘測設計研究院,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流洞組成,是一座具有城鎮(zhèn)供水、農業(yè)灌溉和重點工業(yè)供水任務的綜合性水利樞紐工程。

        灌溉隧洞布置于左岸山體內,全長約635m,開挖洞徑2.8m。其中洞身段約510m長的洞段處于基巖內,洞頂上覆巖體厚15~60m,圍巖為石炭系上統(tǒng)博格達下亞群第二組(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、出口分別約106m、19m長洞段處于Ⅳ級階地堆積的深厚砂礫石層內,砂礫石層具鈣泥質弱膠結,隧洞上覆砂礫石層厚多大于2倍洞徑,在干燥條件下進行強支護可成洞。

        2 灌溉洞結構設計

        進口段:進口段設置在泄洪放空沖砂兼導流洞進口上游側10m處,確保水庫運行過程中,灌溉洞進口處做到“門前清”。進口底板高程1577.0m,設置在泄洪放空沖砂兼導流洞邊坡馬道上,進口底寬4.0m,T型斷面,邊坡開挖坡比為1∶1.75,后接有壓隧洞段,進口高程1577.5m,上游設置橢圓漸變段。

        上游有壓隧洞段:長為140.0m,進口高程1577.5m,縱坡i=1.2%,其中進口9.6m洞段為矩形洞段,尺寸為2.0×2.0m,后接漸變段,長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:長為3.5mm,閘井前、后均設置10m漸變段,設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山體內,其頂部高程為1619.3m,檢修門采用卷揚機啟閉,排架設置在閘室段頂部。閘井頂部平臺與大壩壩頂之間設置公路連接。

        下游有壓隧洞段:長為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,砂卵石洞內設置鋼襯,厚8mm,長40m,方便生態(tài)管、工農業(yè)用水和閥門連接。

        出口鎮(zhèn)墩段:鎮(zhèn)墩長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 灌溉洞結構計算

        通過對隧洞設計洞型和地址條件分析,本隧洞的襯砌計算采用結構力學法可滿足計算精度和要求。計算荷載考慮山巖壓力、內水壓力、外水壓力、襯砌自重等。計算假定圍巖與襯砌緊密結合圍巖對襯砌產生一定的彈性抗力,在荷載及抗力共同作用下求出襯砌各斷面的彎矩、軸力,然后計算配筋量,驗算襯砌是否開裂以及計算開裂寬度。

        3.1 荷載計算

        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)內水壓力

        Ps=γh

        式中,h—計算點的水頭,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之間按厚度直線內插。

        3.2 荷載組合

        (1)正常運用情況

        襯砌自重+山巖壓力+設計水位時內、外水壓力。

        (2)非常運用情況

        襯砌自重+山巖壓力+校核水位時內、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+正常水位時內、外水壓力+地震。

        3.3 結構計算

        對于有壓洞,內水壓力對洞身起控制作用,而外水壓力起抵消內水壓力的有利作用,所以取外水壓力較小而內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行計算。

        計算采用計算軟件進行計算。

        (1)隧洞圍巖分類

        隧洞圍巖分類統(tǒng)計見表1。

        表1 隧洞圍巖分類統(tǒng)計表

        (2)基本資料

        選取有代表性的洞段進行典型計算,各段基本資料見表2。

        選取G0+60m(Ⅳ類圍巖)、G0+200m(Ⅲ類圍巖)兩個典型斷面進行計算,兩個典型斷面襯砌內力計算簡圖見圖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砼強度等級C30C30C30C25運行期內水水頭m40.3/040.3/040.3/040.3/0運行期外水水頭m372030運行期外水折減系數(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灌漿壓力強度MPa0.30.30.30.3單位彈性抗力MN/m3800350015003500圍巖壓力計算方法系數(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側向壓力系數(shù)0.070.070.070.07ah0.178g0.178g0.178g0.178gTgS0.40.40.40.4

        3.4 計算結果

        主要內力及配筋計算成果見表3。

        表3 隧洞襯砌計算內力及配筋主要成果

        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)

        通過上表配筋計算結果可以看出,隧洞襯砌結構厚度選擇合理,配筋能夠滿足隧洞各種工況應力計算要求。

        4 結束語

        本文通過介紹隧洞的受力情況,采用系列軟件對大河沿引水工程灌溉洞進行襯砌設計,以滿足穩(wěn)定、運行安全的要求。

        為了保障隧洞在施工及運行中的安全,提出以下建議:

        (1)現(xiàn)場開挖發(fā)現(xiàn)隧洞出口段地址條件較差,成洞條件不良,應做鋼襯、固結灌漿或采用鋼拱架等處理,具體措施視施工現(xiàn)場而定。

        (2)在隧洞掘進過程中,應當保證施工質量盡量采用光面爆破、預裂爆破、微差爆破等先進爆破技術,減少超挖,保證襯砌工作面襯平整。施工中應盡量減小糙率,保持水流平穩(wěn),降低空蝕、空化對洞壁的安全隱患。

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