涔天河水庫擴(kuò)建工程2#泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介

詹雙橋 鄭永蘭

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。 該工程開發(fā)任務(wù)為灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電，兼顧航運(yùn)等綜合利用。 水庫正常蓄水位313 m，攔河大壩最大壩高114 m，總庫容15.1 億m3，灌溉面積7.43萬hm2（111.46萬畝），電站裝機(jī)容量200 MW。工程規(guī)模為Ⅰ等大（Ⅰ）型，大壩、泄水建筑物等主要水工建筑物為1 級建筑物。

本工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)10 000年一遇，水庫最大下泄流量5 186 m3/s，右岸兩條隧洞聯(lián)合泄洪。 1#泄洪洞洞身尺寸10 m×12 m（寬×高），洞身長573 m，縱坡6.2%，短管進(jìn)水口，最大泄量2 308 m3/s；2#泄洪洞洞身尺寸12 m×12.5 m（寬×高），洞身長770 m，縱坡2%，WES 堰開敞式進(jìn)水口，最大泄量2 878 m3/s。 兩泄洪洞平面距離80 m，均為無壓隧洞，其中2#泄洪洞結(jié)合導(dǎo)流洞。

泄洪洞圍巖巖性為寒武系上組（∈3）灰綠、深灰色中厚～巨厚層狀淺變質(zhì)砂巖、石英砂巖夾中厚至薄層狀砂質(zhì)板巖及板巖和泥盆系下統(tǒng)（D1）石英砂巖、砂巖、粉砂巖夾頁巖等。 隧洞埋深（30～190）m，除進(jìn)出口段分布有少量強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化巖體外，大部分洞段為微風(fēng)化巖體，圍巖屬Ⅲ～Ⅴ類。 斜切洞線的主要斷 層有F21、F88、F27、F1、F10、F230、F231、F247、F245、F252、F6、F260、F249 等13 條，破碎帶最寬達(dá)（3～5）m，結(jié)構(gòu)較松散，透水性較強(qiáng)，多富水，地下水最大水頭超過140 m。

泄洪隧洞洞身尺寸較大，部分洞段地質(zhì)條件較差，地下水水頭高，給隧洞施工和隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了難度，本文就斷面尺寸較大的2#泄洪洞開挖過程中臨時(shí)支護(hù)和永久襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作簡要的介紹分析。

2 泄洪洞臨時(shí)支護(hù)

2#泄洪洞出口地形陡峻，巖體風(fēng)化程度較深，為了減少明挖及邊坡支護(hù)工程量，設(shè)計(jì)采用強(qiáng)行進(jìn)洞的開挖方式。根據(jù)施工期圍巖變形觀測成果，通過工程類比及工程經(jīng)驗(yàn)，擬定隧洞臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 圍巖穩(wěn)定分析

2#泄洪洞采用先挖上半洞、再挖下半洞分期開挖的施工方法，開挖施工過程中各類圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，上半洞開挖后，開挖斷面周圍的第一、第三主應(yīng)力有較大幅度的增加，最大拉應(yīng)力多出現(xiàn)在噴混凝土層上。觀測結(jié)果表明，最大水平位移出現(xiàn)在兩邊墻中心附近，最大下沉位移出現(xiàn)在頂拱中心附近，最大上抬位移出現(xiàn)在底板跨中附近，Ⅲ類圍巖變形較小、Ⅳ類圍巖變形稍大、Ⅴ類最大。

2.2 開挖臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖穩(wěn)定分析成果、隧洞沿線地質(zhì)條件、變形觀測成果及工程經(jīng)驗(yàn)，確定隧洞臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，2#泄洪洞開挖臨時(shí)支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 2#泄洪洞臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基本資料

2#泄洪洞運(yùn)行期為全程無壓洞，內(nèi)水頭不超過直墻，水庫蓄水后，最大外水頭位于樁號(hào)0+170 m附近，達(dá)146 m。 襯砌混凝土的設(shè)計(jì)荷載主要為外水壓力、內(nèi)水壓力、圍巖壓力、襯砌自重、圍巖彈性抗力及灌漿壓力，設(shè)計(jì)工況分運(yùn)行期、檢修期和施工期三個(gè)工況。

3.1.1 荷 載

作用在隧洞上的荷載主要有：

（1）襯砌自重：單位面積上的自重強(qiáng)度g=γh，h為含超欠挖的襯砌厚度。

（2）圍巖壓力：垂直方向q=（0.2～0.3）γhB、垂直水平方向q=（0.05～0.1）γhB，B為洞開挖寬度。

（3）彈性抗力：按文克爾假定，p=Kδ，K為圍巖的彈性抗力系數(shù)，δ為襯砌的變位。

（4）內(nèi)水壓力：ps=γsh，h為計(jì)算點(diǎn)的水頭。

（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)。

3.1.2 荷載組合（表2）

表2 2#泄洪洞計(jì)算工況及荷載組合

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3.2.1 圍巖壓力

（1）Ⅲ類圍巖自穩(wěn)條件較好，開挖后圍巖變形量小且很快收斂，在永久襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮圍巖壓力。

（2）Ⅳ、Ⅴ類圍巖節(jié)理、裂隙相對發(fā)育，局部受斷層影響成洞條件較差，由于施工期進(jìn)行了鋼支撐、管棚、超前錨桿和噴錨臨時(shí)支護(hù)，按《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2002）相關(guān)規(guī)定，作用于永久襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力，垂直壓力按0.2γhB 取值，水平壓力按0.05γhB 取值。

3.2.2 圍巖彈性抗力系數(shù)

2#泄洪洞為無壓洞，根據(jù)地勘試驗(yàn)成果并類比相關(guān)工程，圍巖彈性抗力系數(shù)Ⅴ類圍巖500 MPa/m、Ⅳ類圍巖1 000 MPa/m、Ⅲ類圍巖2 000 MPa/m。

3.2.3 外水壓力折減系數(shù)

作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力折減系數(shù)根據(jù)開挖后圍巖地下水活動(dòng)狀態(tài)及所采取的排水措施綜合確定。Ⅳ、Ⅴ類圍巖全斷面襯砌，頂拱設(shè)Φ50@2.5 m、L=4 m 排水孔，Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水壓力折減系數(shù)取0.25；Ⅲ類圍巖底板及側(cè)墻襯砌、頂拱噴錨，頂拱設(shè)Φ50@2.5 m、L=4 m 排水孔，側(cè)墻及底板設(shè)縱環(huán)向排水網(wǎng)，Ⅲ類圍底板及側(cè)墻襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按外水頭低于側(cè)墻頂考慮。

3.2.4 灌漿壓力

襯砌形成后，Ⅳ、Ⅴ類圍巖拱頂需進(jìn)行回填灌漿，施工期拱頂灌漿壓力按0.2 MPa 考慮。

3.2.5 鋼筋混凝土

本泄洪洞最大流速超過36 m/s，考慮抗沖耐磨要求，襯砌混凝土標(biāo)號(hào)底板及側(cè)墻C40、頂拱C25。為了充分利用鋼筋強(qiáng)度、減少鋼筋用量，受力鋼筋采用Ⅲ級鋼。

3.3 襯砌厚度及配筋

（1）計(jì)算工況及方法。

對于無壓洞，外水壓力對洞身襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用，而內(nèi)水壓力起抵消外水壓力的有利作用，所以取外水壓力較大而無內(nèi)水壓力的施工工況為控制工況。

采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法對混凝土的襯砌厚度及配筋進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)行不同襯砌厚度及配筋組合計(jì)算，選取較為經(jīng)濟(jì)合理的襯砌厚度和配筋組合。計(jì)算所采用的程序是“水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)SDCAD4.0”水利版，計(jì)算方法為邊值法。 采用限裂設(shè)計(jì)進(jìn)行裂縫開度驗(yàn)算。

（2）典型斷面控制工況內(nèi)力圖（附圖）。

附圖 典型斷面控制工況內(nèi)力圖

（3）計(jì)算結(jié)果。

2#泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 2#泄洪洞襯砌厚度及配筋

4 結(jié)語

本泄洪洞為無壓隧洞，隧洞埋深大、地下水位較高，洞身襯砌主要荷載為外水壓力，開挖過程中和襯砌形成后應(yīng)加強(qiáng)排水以降低外水頭；加強(qiáng)圍巖固結(jié)灌漿，提高圍巖整體性，進(jìn)而提高圍巖彈性抗力；施工期加強(qiáng)圍巖變形觀測，根據(jù)圍巖變形觀測成果預(yù)測圍巖后期變形及應(yīng)力分布，指導(dǎo)臨時(shí)支護(hù)及永久襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。