大河沿引水工程灌溉洞結構計算分析

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，是一座具有城鎮供水、農業灌溉和重點工業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，方便生態管、工農業用水和閥門連接。

出口鎮墩段：鎮墩長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，設置鎮墩，鎮墩厚6m，鎮墩處接一管徑為φ600mm生態鋼管，出口設置錐形閥接至河道，鎮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，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；

(6)地震力

ah=0.178g，Tg=0.4s

按抗震規范計算地震力，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

隧洞圍巖分類統計見表1。

表1 隧洞圍巖分類統計表

(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0.250.250.20.2檢修期外水折減系數0.60.30.30.6施工期外水折減系數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法系數法系數法系數法巖石重度KN/m327272727垂直壓力系數0.30.250.250.25側向壓力系數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)現場開挖發現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，降低空蝕、空化對洞壁的安全隱患。