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        洪塘水庫深埋長輸水隧洞設(shè)計及結(jié)構(gòu)計算

        2022-03-01 07:37:30彭宗兵余立偉
        黑龍江水利科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:抗力灰?guī)r隧洞

        彭宗兵,鄧 剛,余立偉

        (重慶市渝西水利電力勘測設(shè)計院有限公司,重慶 402160)

        1 工程概況

        洪塘水庫壩址位于南川區(qū)大有鎮(zhèn)大堡村1社處,工程所在河流為芙蓉江二級支流三江一級支流石礫河上。水庫是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的中型水利工程,總庫容1111萬m3。工程由水庫樞紐工程、輸水工程及灌區(qū)工程三部分組成。輸水隧洞位于洪塘水庫的NW側(cè),由隧洞、明渠、渡槽和出水渠組成。隧洞進口位于田家溝引水壩右岸,洞口接田家溝引水壩引水渠,隧洞終點位于魚枧水庫庫尾,隧洞在水翠河位置出露,由前后兩段組成,隧洞總長13km。輸水隧洞級別為3級,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇(P=3.33%),校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇(P=1%),隧洞合理使用年限為50a。工程區(qū)場地地震動峰值加速度為0.05g,對應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度,地震反應(yīng)譜特征周期為0.35s[1]。

        2 輸水隧洞布置

        設(shè)計利用隧洞進出口之間區(qū)域高程與隧洞高程相近的溝谷出露,增加施工作業(yè)面,輸水隧洞長13km,由前后兩段組成,前段長6.4km,后段長6.6km,隧洞在水翠河位置通過明渠和渡槽連接。在滿足隧洞設(shè)計最大輸水流量7m3/s以及采用懸臂式掘進機開挖施工的要求下,隧洞斷面選取城門洞形斷面型式,隧洞襯砌后斷面為2.7m×2.58m(寬×高),開挖斷面為3.7m×3.48m(寬×高)。

        3 隧洞地質(zhì)條件

        主洞進、出口地表均為基巖,沿線地質(zhì)條件較好,隧洞沿線地表高程697.35~1440m,隧洞埋深10~724m,在樁號2+480處穿過德隆背斜,其余無大的斷層切割,地表裂隙不發(fā)育;隧洞段洞身圍巖除有200m為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)夾灰?guī)r外,其余均為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)頁巖夾灰?guī)r,巖層傾角平緩,隧洞沿線巖層傾角3°~6°,隧洞洞身頁巖圍巖以Ⅳ類為主,局部節(jié)理裂隙發(fā)育段為Ⅴ類,其中Ⅲ類圍巖200m,Ⅳ類圍巖11920m,Ⅴ類圍巖880m。

        4 隧洞開挖及襯砌設(shè)計

        本工程隧洞穿頁巖夾灰?guī)r段隧洞長度占整個隧洞場地的98.46%,穿夾層灰?guī)r段隧洞長度占整個隧洞場地的1.54%。頁巖夾灰?guī)r天然單軸抗壓強度42MPa,懸臂式掘進機可以滿足開挖要求,同時工程隧洞后段在樁號SDHD2+629~SDHD6+600段下穿金佛山自然保護區(qū)試驗區(qū)范圍,采用掘進機開挖可避免爆破對生態(tài)環(huán)境的破壞,因此頁巖夾灰?guī)r段隧洞推薦采用全斷面懸臂式掘進機開挖。隧洞穿越夾層灰?guī)r段長約200m,灰?guī)r天然單軸抗壓強度60MPa,懸臂式掘進機開挖開挖效率較低,機械磨損嚴(yán)重,故灰?guī)r段隧洞采用鉆爆法施工。

        Ⅲ類圍巖隧洞開挖后及時支護,采用噴砼掛網(wǎng),噴射C20混凝土厚度100mm,掛鋼筋網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿,錨桿縱橫間距為1m,長度2.0m;底板采用0.3m厚C25混凝土襯砌,砼防滲等級W4,在隧洞墻頂拱90°~120°范圍內(nèi)進行回填灌漿。

        Ⅳ類圍巖隧洞開挖后及時支護,采用噴砼掛網(wǎng),噴射C20混凝土厚度100mm,掛鋼筋網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿,錨桿縱橫間距為1m,長度2.0m;邊墻及頂拱、底板均采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌,砼防滲等級W4,在隧洞頂拱90°~120°之間進行回填灌漿。

        Ⅴ類圍巖巖體較破碎,軟巖流變顯著,可能產(chǎn)生較大的變形破壞,隧洞開挖后及時支護,采用I18型鋼一次性永久支護,并噴混凝土掛網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿,錨桿縱橫間距為0.7m,長度2.0m;邊墻及頂拱、底板均采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌,砼防滲等級W4,隧洞頂拱90°~120°范圍內(nèi)進行回填灌漿。

        5 隧洞結(jié)構(gòu)計算

        工程按限值裂縫寬度設(shè)計,裂縫寬度短期組合≤0.3mm,長期組合≤0.25mm。隧洞襯砌采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算。隧洞結(jié)構(gòu)計算軟件采用理正巖土隧洞襯砌計算軟件[2]。

        5.1 計算工況

        基本組合:

        1)工況1:正常運行期(襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+設(shè)計內(nèi)水壓力+外水壓力)。

        2)工況2:檢修期(襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+外水壓力)。

        特殊組合:

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

        4)工況4:校核工況(襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+校核內(nèi)水壓力+外水壓力)。

        5.2 荷載計算

        5.2.1 圍巖壓力

        1)Ⅲ類圍巖自穩(wěn)條件好并采取了有效的支護,不考慮圍巖壓力。

        2)Ⅳ類圍巖采取了有效的支護,圍巖壓力按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》公式計算:

        輸水隧洞垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

        輸水隧洞水平均布圍巖壓力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

        輸水隧洞避車道垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

        輸水隧洞避車道水平均布圍巖壓力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

        3)Ⅴ類圍巖自穩(wěn)能力較差,采取了有效的支護后能自穩(wěn),圍巖壓力按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》公式計算:

        輸水隧洞垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

        輸水隧洞水平均布圍巖壓力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

        輸水隧洞避車道垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

        輸水隧洞避車道水平均布圍巖壓力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

        5.2.2 彈性抗力

        根據(jù)地勘建議物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值計算采用計算值,隧洞工程堅固系數(shù)和單位彈性抗力系數(shù)建議值表,見表1。

        表1 隧洞工程堅固系數(shù)和單位彈性抗力系數(shù)建議值表

        5.2.3 內(nèi)水壓力

        由于本隧洞為無壓隧洞,內(nèi)水壓力為隧洞內(nèi)設(shè)計水深。本次按設(shè)計最大輸水流量時隧洞內(nèi)水深計算,隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖均為2.0m。

        5.2.4 外水壓力作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》進行估算,計算公式為:

        根據(jù)不同的地下水活動情況按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》對外水壓力進行折減。當(dāng)有內(nèi)水組合時,βe取小值,無內(nèi)水組合時,βe取大值。

        根據(jù)地質(zhì)建議,本工程隧洞洞身圍巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組第三段(O1m)頁巖夾灰?guī)r,洞頂上部有厚達上百米的頁巖隔水層,地表水下滲至洞頂?shù)目赡苄孕?。因此,隧洞周圍無穩(wěn)定地下水位,但在溶隙、裂隙發(fā)育或局部破碎帶可能存在滲水或透水可能。本次設(shè)計結(jié)合國內(nèi)深埋水工隧洞工程經(jīng)驗,最大外水水頭按25m計算,考慮溶洞連通效應(yīng)及排水措施, 外水壓力折減系數(shù)(β)取0.3。

        5.2.5 動水壓力

        由于本隧洞為無壓隧洞,本次設(shè)計未考慮隧洞內(nèi)的動水壓力。

        5.2.6 灌漿壓力

        根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》,Ⅳ、Ⅴ類圍巖段回填灌漿壓力采用0.2MPa。根據(jù)《水工設(shè)計手冊-水電站建筑物》,灌漿壓力與外水壓力不疊加。灌漿壓力大于外水壓力時,頂部只計灌漿壓力,其余為外水壓力;灌漿壓力小于外水壓力時,可不計灌漿壓力[3]。

        輸水隧洞不同工況荷載取值情況表,見表2。

        表2 輸水隧洞不同工況荷載取值情況表

        5.3 計算結(jié)果

        輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果(底版),見表3;輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果(頂拱),見表4;輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表(側(cè)墻),見表5。

        表3 輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表(底板)

        表4 輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表(頂拱)

        表5 輸水隧洞Ⅳ類圍巖段計算成果表(側(cè)墻)

        輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表(底版),見表6;輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表(頂拱),見表7;輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表(側(cè)墻),見表8。

        表6 輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表(底板)

        表7 輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表(頂拱)

        表8 輸水隧洞Ⅴ類圍巖段計算成果表(側(cè)墻)

        經(jīng)計算輸水隧洞在各種運用條件中,襯砌厚度采用0.4m 時能滿足抗剪要求,裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

        6 結(jié) 語

        長距離隧洞工程應(yīng)結(jié)合地形條件、地質(zhì)構(gòu)造、工程布置、圍巖巖性、產(chǎn)狀及地下水情況以及施工工藝、交通、占地、工程投資等條件進行充分的方案比較論證,選擇合理、安全和經(jīng)濟的線路和走向,隧洞軸線盡量避開不良地質(zhì)條件的影響,同時根據(jù)圍巖地質(zhì)條件采取合理的支護方式,選取合理的計算參數(shù)取值進行結(jié)構(gòu)復(fù)核,確保工程設(shè)計措施的安全性與可靠性。

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