洪塘水库深埋长输水隧洞设计及结构计算_彭宗兵.pdf

126 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）洪塘水库深埋长输水隧洞设计及结构计算彭宗兵，邓 刚，余立伟（重庆市渝西水利电力勘测设计院有限公司，重庆 402160）摘 要：洪塘水库坝址位于南川区大有镇，所在河流为芙蓉江二级支流三江一级支流石砾河上，工程经输水隧洞进出口高程及位置的边界条件控制分析确定后对隧洞及支洞的洞线布置比选，最终确定采取 13km 深埋长输水隧洞输水方案，隧洞最大埋深 724m。在设计中充分考虑不同围岩情况隧洞采取不同衬砌型式设计并经结构复核，保障深埋长隧洞的施工安全及投资控制。关键词：洪塘 深埋长隧洞 衬砌设计 结构计算 中图分类号：TV554 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0126-04 收稿日期 2022-11-05 作者简介 彭宗兵（1 9 8 5-），男，重庆人，高级工程师，从事水利设计工作；邓刚（1 9 8 3-），男，重庆人，高级工程师，从事水利设计工作；余立伟（1 9 8 9-），男，重庆人，工程师，从 事水利设计工作。1 工程概况洪塘水库坝址位于南川区大有镇大堡村 1 社处，工程所在河流为芙蓉江二级支流三江一级支流石砾河上。水库是一座具有城镇供水、农业灌溉和农村人畜饮水等综合利用的中型水利工程，总库容 1111 万 m3。工程由水库枢纽工程、输水工程及灌区工程三部分组成。输水隧洞位于洪塘水库的NW 侧，由隧洞、明渠、渡槽和出水渠组成。隧洞进口位于田家沟引水坝右岸，洞口接田家沟引水坝引水渠，隧洞终点位于鱼枧水库库尾，隧洞在水翠河位置出露，由前后两段组成，隧洞总长 13km。输水隧洞级别为 3 级，设计洪水标准为 30a 一遇(P=3.33%)，校核洪水标准为 100a 一遇(P=1%)，隧洞合理使用年限为 50a。工程区场地地震动峰值加速度为 0.05g，对应地震基本烈度为度，地震反应谱特征周期为 0.35s1。2 输水隧洞布置设计利用隧洞进出口之间区域高程与隧洞高程相近的沟谷出露，增加施工作业面，输水隧洞长 13km，由前后两段组成，前段长 6.4km，后段长6.6km，隧洞在水翠河位置通过明渠和渡槽连接。在满足隧洞设计最大输水流量 7m3/s 以及采用悬臂式掘进机开挖施工的要求下，隧洞断面选取城门洞形断面型式，隧洞衬砌后断面为 2.7m2.58m（宽 高），开挖断面为 3.7m3.48m（宽 高）。3 隧洞地质条件主洞进、出口地表均为基岩，沿线地质条件较好，隧洞沿线地表高程 697.35 1440m，隧洞埋深10 724m，在桩号 2+480 处穿过德隆背斜，其余无大的断层切割，地表裂隙不发育；隧洞段洞身围岩除有200m为奥陶系下统湄潭组（O1m）夹灰岩外，其余均为奥陶系下统湄潭组（O1m）页岩夹灰岩，岩层倾角平缓，隧洞沿线岩层倾角 3 6，隧洞洞身页岩围岩以类为主，局部节理裂隙发育段为类，其中类围岩 200m，类围岩 11920m，类围岩 880m。4 隧洞开挖及衬砌设计本工程隧洞穿页岩夹灰岩段隧洞长度占整个DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.018 127 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）隧洞场地的 98.46%，穿夹层灰岩段隧洞长度占整个隧洞场地的 1.54%。页岩夹灰岩天然单轴抗压强度 42MPa,悬臂式掘进机可以满足开挖要求，同时工程隧洞后段在桩号 SDHD2+629 SDHD6+600 段下穿金佛山自然保护区试验区范围，采用掘进机开挖可避免爆破对生态环境的破坏，因此页岩夹灰岩段隧洞推荐采用全断面悬臂式掘进机开挖。隧洞穿越夹层灰岩段长约 200m，灰岩天然单轴抗压强度60MPa，悬臂式掘进机开挖开挖效率较低，机械磨损严重，故灰岩段隧洞采用钻爆法施工。类围岩隧洞开挖后及时支护，采用喷砼挂网，喷射 C20 混凝土厚度 100mm，挂钢筋网设 22 系统锚杆，锚杆纵横间距为 1m，长度 2.0m；底板采用 0.3m 厚 C25 混凝土衬砌，砼防渗等级 W4，在隧洞墙顶拱 90 120范围内进行回填灌浆。类围岩隧洞开挖后及时支护，采用喷砼挂网，喷射 C20 混凝土厚度 100mm，挂钢筋网设 22 系统锚杆，锚杆纵横间距为 1m，长度 2.0m；边墙及顶拱、底板均采用 0.4m 厚 C25 钢筋混凝土衬砌，砼防渗等级 W4，在隧洞顶拱 90 120之间进行回填灌浆。类围岩岩体较破碎，软岩流变显著，可能产生较大的变形破坏，隧洞开挖后及时支护，采用I18 型钢一次性永久支护，并喷混凝土挂网设 22系统锚杆，锚杆纵横间距为 0.7m，长度 2.0m；边墙及顶拱、底板均采用0.4m厚C25钢筋混凝土衬砌，砼防渗等级 W4，隧洞顶拱 90 120范围内进行回填灌浆。5 隧洞结构计算工程按限值裂缝宽度设计，裂缝宽度短期组合 0.3mm，长期组合 0.25mm。隧洞衬砌采用结构力学方法计算。隧洞结构计算软件采用理正岩土隧洞衬砌计算软件2。5.1 计算工况基本组合：1）工况 1：正常运行期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+设计内水压力+外水压力）。2）工况 2：检修期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力）。特殊组合：3）工况 3：施工期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力或灌浆压力）。4）工况 4：校核工况（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+校核内水压力+外水压力）。5.2 荷载计算5.2.1 围岩压力1）类围岩自稳条件好并采取了有效的支护，不考虑围岩压力。2）类围岩采取了有效的支护，围岩压力按 水工隧洞设计规范公式计算：输水隧洞垂直均布围岩压力 qv=0.2rbB=0.227.33.7=20.20KN/m2输水隧洞水平均布围岩压力 qh=0.05rbH=0.0527.33.48=4.75KN/m2输水隧洞避车道垂直均布围岩压力 qv=0.2rbB=0.227.37.46=40.73KN/m2输水隧洞避车道水平均布围岩压力 qv=0.2rbH=0.227.34.68=25.55KN/m23）类围岩自稳能力较差，采取了有效的支护后能自稳，围岩压力按水工隧洞设计规范公式计算：输水隧洞垂直均布围岩压力 qv=0.2rbB=0.227.33.7=20.20KN/m2输水隧洞水平均布围岩压力 qh=0.05rbH=0.0527.33.48=4.75KN/m2输水隧洞避车道垂直均布围岩压力 qv=0.2rbB=0.227.37.46=40.73KN/m2输水隧洞避车道水平均布围岩压力 qv=0.2rbH=0.227.34.68=25.55KN/m25.2.2 弹性抗力根据地勘建议物理力学性质指标值计算采用计算值，隧洞工程坚固系数和单位弹性抗力系数建议值表，见表 1。表 1 隧洞工程坚固系数和单位弹性抗力系数建议值表围岩类别变形模量E0（GPa）泊松比坚固系数 f抗性弹力系数（Mpa/cm）底板侧墙拱顶10.00.134.05040321.00.302.38760.60.350.84215.2.3 内水压力由于本隧洞为无压隧洞，内水压力为隧洞内设计水深。本次按设计最大输水流量时隧洞内水深计算，隧洞、类围岩均为 2.0m。5.2.4 外水压力 128 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）作用在衬砌结构上的外水压力根据水工隧洞设计规范进行估算，计算公式为：Pe=erwHe （1）根据不同的地下水活动情况按水工隧洞设计规范对外水压力进行折减。当有内水组合时，e取小值，无内水组合时，e取大值。根据地质建议，本工程隧洞洞身围岩为奥陶系下统湄潭组第三段（O1m）页岩夹灰岩，洞顶上部有厚达上百米的页岩隔水层，地表水下渗至洞顶的可能性小。因此，隧洞周围无稳定地下水位，但在溶隙、裂隙发育或局部破碎带可能存在渗水或透水可能。本次设计结合国内深埋水工隧洞工程经验，最大外水水头按 25m 计算，考虑溶洞连通效应及排水措施，外水压力折减系数()取 0.3。5.2.5 动水压力由于本隧洞为无压隧洞，本次设计未考虑隧洞内的动水压力。5.2.6 灌浆压力根据水工隧洞设计规范，、类围岩段回填灌浆压力采用 0.2MPa。根据水工设计手册-水电站建筑物，灌浆压力与外水压力不叠加。灌浆压力大于外水压力时，顶部只计灌浆压力，其余为外水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不计灌浆压力3。输水隧洞不同工况荷载取值情况表，见表 2。表 2 输水隧洞不同工况荷载取值情况表类别工况基本组合工况 1（正常运行）工况 2（检修期）衬砌自重/m围岩压力/KNm-2弹性抗力MNm-3内水压力/m动水压力/m外水压力/m围岩压力KNm-2弹性抗力MNm-3外水压力/md=0.420.20 4.75 底板 800侧墙 700顶拱 60020-2520.20 4.75 底板 800侧墙 700顶拱 600-25d=0.420.20 4.75 底板 400侧墙 200顶拱 10020-2520.20 4.75 底板 400侧墙 200顶拱 100-25类别工况特殊组合工况 3（施工期）工况 4（校核）衬砌自重（m）围岩压力KNm-2弹性抗力MNm-3外压（取大值）围岩压力KNm-2弹性抗力MNm-3内水压力/m外水压力/m外水压力/m灌浆压力/md=0.420.20 4.75 底板 800侧墙 700顶拱 600-25-2020.20 4.75 底板 800侧墙 700顶拱 6002-25d=0.420.20 4.75 底板 400侧墙 200顶拱 100-25-2020.20 4.75 底板 400侧墙 200顶拱 1002-255.3 计算结果输水隧洞类围岩段计算成果（底版），见表3；输水隧洞类围岩段计算成果（顶拱），见表 4；输水隧洞类围岩段计算成果表（侧墙），见表 5。表 3 输水隧洞类围岩段计算成果表（底板）单元轴向力/kN弯矩/kN.m纵筋面积/mm2裂缝宽度/mm实际配筋实配面积/mm2工况 1-138.242-84.7271324.50.2320 2001571工况 2-156.516-95.6731494.50.23工况 3-158.389-96.3311502.60.23工况 4-138.242-84.7271324.50.23表 4 输水隧洞类围岩段计算成果表（顶拱）单元轴向力/kN弯矩/kN.m纵筋面积/mm2裂缝宽度/mm实际配筋实配面积/mm2工况 1-203.261-20.320670.0020 2001571工况 2-217.033-19.640670.00工况 3-234.639-24.883670.00工况 4-203.261-20.320670.00 129 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）表 5 输水隧洞类围岩段计算成果表（侧墙）单元轴向力/kN弯矩/kN.m纵筋面积/mm2裂缝宽度/mm实际配筋实配面积/mm2工况 1-208.918-84.7271079.00.2520 2001571工况 2-225.801-95.6731307.00.23工况 3-239.918-96.3311305.60.23工况 4-208.918-84.7271079.00.25输水隧洞类围岩段计算成果表（底版），见表 6；输水隧洞类围岩段计算成果表（顶拱），见表 7；输水隧洞类围岩段计算成果表（