水工隧洞配筋計算方法比較

保鵬剛，顏 敏

(云南省水利水電勘測設計院，云南 昆明 650000)

隨著國家基礎設施逐步完善，大中型水利項目基本趨于飽和，近年來小型水利項目逐漸增多，因小水利項目流量較小，導流規模較小，所需導流隧洞大小也基本為最小施工斷面[1]或略大于最小施工斷面；小型隧洞配筋計算軟件，計算方法較多且計算結果差異較大，本文將針對某工程采用不同軟件計算，對計算過程及成果進行分析比較，得出差異所在并提出較為簡便快捷實用的計算方法以供日后計算參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

某水庫壩址以上流域面積7.28km2，多年平均流量0.109m3/s。水庫正常蓄水位為579.00m，相應庫容為103萬m3，興利庫容81.6萬m3，校核洪水位581.94m，總庫容128萬m3。樞紐工程由混凝土面板堆石壩+左岸溢洪道+右岸取水、放空兼導流洞及下游供水管線系統組成。本水庫工程等別為Ⅳ等，工程規模屬小(1)型，主要建筑物級別為4級，導流洞內鋪設取水放空管，因此導流洞按永久建筑設計，筑物級別為4級。

1.2 地層巖性

隧洞總長163m，埋深10～40m，位于邊陽組第一段(T2b1)灰色薄～厚層泥巖夾砂巖地層，巖體為弱風化～微風化，巖體較完整，但泥巖易受風化及地下水影響產生掉塊、塌方，圍巖不穩定，以Ⅳ類圍巖為主。建議參數為：Ⅳ類圍巖K0=3MPa/cm，f=2.0。

1.3 導流設計情況

本工程采用圍堰一次攔斷河床、隧洞導流的施工導流方式，截流后第一個汛期由大壩臨時斷面擋水，導流洞過流，導流標準采用枯期(10月1日至次年4月30日)5年一遇洪水，導流設計流量為Q20%=9.94m3/s，對應上游水位為557.23m，下游水位544.19m。

導流隧洞布置在右岸(凸岸)，導流隧洞長163m，進口底板高程555.50m，出口底板高程547.00m，底坡為5.20%。隧洞斷面采用城門洞型，斷面尺寸為3.0m×3.5m(寬×高)，過流斷面面積9.65m2，頂拱中心角139.27°，頂拱半徑為1.6m，直墻高2.46m。

2 荷載計算

導流洞在施工期、運行期及封堵期存在的荷載有襯砌自重、山巖壓力、灌漿壓力、外水壓力、內水壓力、彈性抗力，不同工況下荷載組合[1]不同；襯砌自重由程序根據輸入結構尺寸及容重自行計算，C25鋼筋混凝土容重[2]為25kN/m3；

2.1 山巖壓力

計算巖石松動壓力的方法很多，根據規范[1- 3]建議和工程經驗，采用經驗系數法。由于本工程開挖時采取了鋼支撐+錨噴的支護措施，故可少計山巖壓力，計算時山巖壓力系數取小值，垂直山巖壓力qv=0.2γB，水平山巖壓力qh=0.05γH。

2.2 內水壓力

在各種工況下，根據不同的流量計算測壓管水頭值，計算中取最大值進行計算。

2.3 外水壓力

外水折減系數[3]取0.75。

2.4 彈性抗力

Ⅳ類圍巖彈抗系數為K0=3MPa/cm，輸入程序根據所受內力自行計算。

2.5 灌漿壓力

回填灌漿壓力只作用于襯砌頂拱上，根據相關規范[1- 2]，本工程取0.2MPa。

2.6 計算參數

(1)安全系數[4]：基本組合1.15，特殊組合1.0；

(2)最大允許裂縫寬度：ωlim=0.3mm；

(3)混凝土：C25混凝土，軸心抗壓強度fc=11.9N/mm2，軸心抗拉強度ft=1.27N/mm2，混凝土泊松比0.167，混凝土彈性模量Ec=2.80×104N/mm2，混凝土保護層厚度5cm；

(4)鋼筋：鋼筋采用HRB400，鋼筋強度設計值fy=fy′=360N/mm2，鋼筋彈性模量Es=2.0×105N/mm2，泊松比0.3。

3 工況分析

本工程各工況分析見表1。

表1 工況分析

本工程以施工工況為最不利工況。

4 計算結果

4.1 SDCAD4.0計算配筋結果

計算結果見表2。

表2 SDCAD4.0計算配筋結果

4.2 理正巖土計算配筋結果

(1)不考慮限裂驗算計算成果

計算結果見表3。

(續表)

表3 不考慮限裂驗算理正巖土計算配筋結果

(續表)

(2)考慮限裂驗算計算成果

計算結果見表4。

表4 考慮限裂驗算理正巖土計算配筋結果

(續表)

4.3 根據規范[4- 6]手動計算配筋結果

(1)不考慮限裂驗算計算成果

計算結果見表5。

表5 不考慮限裂驗算手動計算成果

(2)考慮限裂驗算計算成果

計算結果見表6。

表6 考慮限裂驗算手動計算成果

部位SDCAD4.0計算配筋面積/mm2理正巖土計算配筋面積根據規范手動計算配筋非抗裂/mm2抗裂/mm2非抗裂/mm2抗裂/mm2底板中點1337(0.3%)1601(0.37%)2131(0.49%)1547(0.31%)1547(0.31%)底板端點675(0.15%)1782.3(0.41%)2372(0.55%)1724(0.34%)1724(0.34%)邊墻底端675(0.15%)1195.7(0.27%)1750(0.40%)1137(0.23%)1137(0.23%)邊墻頂端675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)拱腳675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)拱頂675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)

4.4 計算結果比較

通過以上計算比較，SDCAD計算結果最小，手動計算結果次之，理正巖土計算結果最大，通過對各軟件計算手冊的進一步研究發現，SDCAD采用規范已失去時效性，不建議采用其計算結果；當隧洞不考慮限裂驗算時，理正巖土計算成果與手動計算成果相差不大，均可采用；當隧洞需要進行裂縫寬度驗收時，理正巖土計算配筋面積明顯大于手動計算配筋面積，通過對理正巖土計算說明進行研究發現，其驗算裂縫寬度公式采用SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》[4]式7.2.2，規范[4]明確式7.2.2不適用于圍巖中襯砌結構，應采用SL 279—2016《水工隧洞設計規范》[1]附錄D計算。手動計算中裂縫寬度驗算公式采用規范[1]附錄D，結果符合規范要求。

5 結論

通過采用SDCAD、理正巖土和手動計算3種方法對小斷面隧洞襯砌配筋計算比較，得出如下結論。

(1)SDCAD采用規范已失去時效性，不建議采用其計算結果，如程序對規范進行更新，需重新進行比較。

(2)不考慮限裂計算時，理正計算成果與手動計算成果均可選取。

(3)當考慮限裂計算時，不得采用理正計算成果，應根據規范【1】進行限裂驗算。

6 結語

通過對上述計算方法的比較，筆者根據不同計算要求提出計算可采用方法的建議，為日后進行小型水工隧洞配筋計算提供參考，但在以后的計算中也應注意以下幾點。

(1)本文提及的計算方法僅適用于簡單的小型水工隧洞，對于結構復雜的水工隧洞或大型水工隧洞建議使用有限元方法進行計算。

(2)文中手動計算配筋時未手動計算結構內力，而是直接引用理正計算內力結果，與SDCAD內力計算結果存在差異，此差異未進行仔細研究，對配筋結果影響未知，需讀者自行選取。

(3)SDCAD程序如對引用規范進行更新，可結合實際情況采用其進行計算。