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        不良地質(zhì)條件輸水隧洞斷面比選分析

        2019-12-19 07:41:56陳業(yè)芹王艾艾
        陜西水利 2019年11期
        關(guān)鍵詞:馬蹄形內(nèi)力剪力

        陳業(yè)芹,王艾艾,魏 勇

        (上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海 浦東200120)

        1 工程概況

        擬建某輸水隧洞全長3.0 km,隧洞進口接輸水管末端,進口高程1941.0 m,底坡1/1500,隧洞出口接箱涵,出口高程1939.0 m,隧洞設(shè)計流量7.56 m3/s。隧洞埋深一般150 m~200 m,最大埋深330 m。隧洞巖性主要有石英砂巖夾白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、石英砂巖等組成。隧洞沿線斷層及皺褶較發(fā)育,主要發(fā)育褶皺為向斜,發(fā)育主要斷裂構(gòu)造5條:分別為向斜、FⅣ-15斷層、F34斷層(大石盆斷裂)、FⅥ-17斷層、FⅥ-16斷裂、FⅥ-18斷裂。隧洞沿線圍巖主要分布Ⅳ類、Ⅴ類圍巖、有少量的Ⅲ類圍巖,隧洞巖石(體)主要物理力學參數(shù)建議值見表1。

        表1 隧洞圍巖巖體力學參數(shù)取值

        2 初選斷面比較

        擬建輸水隧洞為無壓洞,考慮采取鉆爆法施工,初步選擇采用城門洞型、馬蹄形兩種斷面,在同等條件下進行水力計算[1]。擬建輸水隧洞選擇城門洞型和馬蹄型斷面進行分析,兩種斷面型式典型橫斷面見圖1,根據(jù)《水力學》中計算公式[2],計算得到的水力參數(shù)比較見表2。表2中有關(guān)參數(shù)按下式計算:

        式中:Q為設(shè)計流量,m3/s;A為過水斷面,m2;C為謝才系數(shù);R為水力半徑,m;i為底坡比降;n為糙率系數(shù);m為邊坡系數(shù)。

        圖1 兩種斷面形式典型橫斷面圖(尺寸單位:cm)

        表2 擬建輸水隧洞斷面形式水力參數(shù)比較表

        擬建輸水隧洞為長隧洞(2510 m),在輸水流量、設(shè)計底坡、糙率相同的條件下,經(jīng)計算得,城門洞型洞寬、水深、過水斷面面積及凈空面積、凈空比分別為2.5 m、2.29 m、5.725 m2、1.25 m2和17.92%,馬蹄形斷面計算值為 2.53 m、2.16 m、5.79 m2、1.483 m2和19.84%,馬蹄型與城門洞型相比,具有開挖斷面小,凈空面積及凈空比大等優(yōu)點,同時,馬蹄型斷面水流過流能力也優(yōu)于城門洞型,經(jīng)比較,初步選用馬蹄形斷面,但還需要通過結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟對比進一步分析比較,選擇合理的開挖斷面[2~4]。

        3 受力分析

        3.1 計算模型

        兩種斷面襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法均采用邊值法[5],計算原理歸結(jié)為求解非線性常微分方程組的邊值問題,計算軟件采用水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設(shè)計軟件(簡稱SDCAD),選取圓拱直墻斷面和馬蹄形斷面2種計算模型,進行襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析。圓拱直墻城門洞型輸水隧洞,襯砌厚度0.4 m,洞高2.48 m(從底板中心線算起到直墻高度),頂拱半徑1.44 m,頂拱半中心角62.5°。馬蹄形輸水隧洞,襯砌厚度0.4 m,頂拱半徑1.47 m,頂拱半中心角65°,側(cè)墻半徑4.37 m,側(cè)墻夾角17°,弧形底板半徑4.37 m,半中心角17.6°。

        3.2 兩種斷面形式襯砌結(jié)構(gòu)計算分析

        3.2.1 計算數(shù)據(jù)、工況及荷載組合

        隧洞圍巖巖體力學參數(shù)取值見表2,選擇Ⅳ類圍巖洞段進行分析,垂直壓力系數(shù)取0.3,側(cè)向壓力系數(shù)取0.1,計算外水頭H=50 m,內(nèi)水壓力分別為2.29 m、2.16 m,計算工況取運行期持久狀況,檢修狀況及施工狀況,外水折減系數(shù)分別為0.4、0.5、0.3。

        3種工況下的外水壓力通過外水折減系數(shù)自動求出,運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,圍巖壓力通過壓力系數(shù)軟件自動加載,計算中對襯砌上的彈性抗力不作任何假定,可由計算機進行迭代計算自動求出抗力分布,施工工況考慮灌漿壓力,折減后灌漿壓力值取0.2 MPa[4~5],其計算工況對應(yīng)的荷載組合如下[6~7]:

        (1)運行期:內(nèi)水壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

        (2)檢修期:外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

        (3)施工期:灌漿壓力+外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重+圍巖彈性抗力

        3.2.2 襯砌內(nèi)力計算及結(jié)果分析

        通過SDCAD軟件在3種工況下計算得到隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力及剪力值數(shù)據(jù)較多,所占篇幅大,本文僅對運行期持久狀況下得到的內(nèi)力、位移值進行整理、分析,所得結(jié)果見表3,并給出3種工況下內(nèi)力圖見圖2~圖3。

        表3 兩種斷面形式運行期持久工況內(nèi)力計算成果表

        圖2 運行期持久狀況內(nèi)力分布圖

        圖3 施工況內(nèi)力分布圖

        由3種工況下的內(nèi)力計算成果以及內(nèi)力分布圖可知,3種工況下城門洞型斷面襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力明顯大于馬蹄形斷面,尤其是在底板與邊墻交接位置,內(nèi)力變化很大,這是因為城門洞型斷面在底板與邊墻交接處沒有過渡,為結(jié)構(gòu)突變部位,在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)力集中[7],以運行期持久工況為例,城門洞型斷面在交接位置剪力為290.44 kN,馬蹄形斷面在墻角處的剪力為173.03 kN,前者彎矩是后者彎矩的1.68倍;城門洞型斷面在交接位置彎矩為98.19 kN·m,馬蹄形斷面在墻角處的彎矩為53.51 kN·m,前者彎矩是后者彎矩的1.68倍,馬蹄形斷面襯砌結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢。

        從軸力比較得,馬蹄形斷面隧洞受軸力情況下,最大值比城門洞型斷面最大值大,但相差不大,而最小值,城門洞型斷面要比馬蹄形斷面小很多,這就使得城門洞型斷面最大值與最小值之差,大于馬蹄形斷面最大值與最小值之差。城門洞型斷面軸力分布上沒有馬蹄形斷面軸力分布的均勻。

        從位移情況看,馬蹄形斷面隧洞的切向位移與法向位移值比城門洞型斷面的切向、法向位移小,這說明馬蹄形斷面襯砌結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下產(chǎn)生的變形小,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、安全。

        3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

        表4 3種工況下襯砌應(yīng)力極值表 單位:kPa

        (2)剪力計算由Vc=0.07fcbh0(fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值,N/mm2;b為矩形截面寬度,mm;h0為截面有效高度,為300 mm)得到,兩種斷面隧洞襯砌混凝土的抗剪強度為250 kN,由剪力圖比較可知,在3種工況下,城門洞型斷面除在邊墻與底板交接處剪力值不能滿足要求外,其他部位剪力均滿足要求,馬蹄形斷面襯砌結(jié)構(gòu)在施工期邊墻與底板交接處剪力值不能滿足要求外,其它2種工況均滿足要求,并且馬蹄形斷面受剪力情況較城門洞型小,選擇馬蹄形斷面時應(yīng)在邊墻與底板之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫[8,9]。

        根據(jù)兩種斷面在3種不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析,馬蹄形斷面在受力、位移上均優(yōu)于城門洞型,克服了城門洞型因結(jié)構(gòu)突變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中,故選擇馬蹄形斷面為擬建輸水隧洞的推薦斷面。

        4 工程量及投資比較

        本文將兩種不同斷面形式隧洞得到工程量及投資對比見表5。

        表5 隧洞工程量及投資比較表

        經(jīng)過兩種不同斷面投資對比可知,當擬建輸水隧洞斷面形式為城門洞型斷面(2.5 m×3.0 m)時,投資為3356.64萬元,隧洞每米造價約1.34萬元,當斷面形式為馬蹄形斷面時,投資為3282.93萬元,隧洞每米造價約1.31萬元,每米比城門洞型斷面節(jié)省0.3萬元,總投資節(jié)省約73.71萬元,選用馬蹄形隧洞投資更省,從投資考慮選擇馬蹄形斷面較好[10]。

        5 結(jié)論

        (1)馬蹄形斷面在水工隧洞中應(yīng)用逐漸增多,設(shè)計時要從水力、結(jié)構(gòu)、投資等方面綜合比選,不能簡單地選擇施工簡單、方便的斷面形式;

        (2)馬蹄型斷面開挖對施工技術(shù)控制的要求高,開挖控制不好就會開挖成城門洞型,將失去馬蹄型斷面的優(yōu)勢,因此一定要加強施工隊伍施工技術(shù)水平,嚴把設(shè)計、施工質(zhì)量關(guān),保證工程安全、經(jīng)濟。

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