涔天河水庫擴建工程2#泄洪洞襯砌結構設計簡介

詹雙橋 鄭永蘭

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。 該工程開發任務為灌溉、防洪、下游補水和發電，兼顧航運等綜合利用。 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），電站裝機容量200 MW。工程規模為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。

本工程設計洪水標準500年一遇，校核標準10 000年一遇，水庫最大下泄流量5 186 m3/s，右岸兩條隧洞聯合泄洪。 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#泄洪洞結合導流洞。

泄洪洞圍巖巖性為寒武系上組（∈3）灰綠、深灰色中厚～巨厚層狀淺變質砂巖、石英砂巖夾中厚至薄層狀砂質板巖及板巖和泥盆系下統（D1）石英砂巖、砂巖、粉砂巖夾頁巖等。 隧洞埋深（30～190）m，除進出口段分布有少量強風化、弱風化巖體外，大部分洞段為微風化巖體，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（3～5）m，結構較松散，透水性較強，多富水，地下水最大水頭超過140 m。

泄洪隧洞洞身尺寸較大，部分洞段地質條件較差，地下水水頭高，給隧洞施工和隧洞襯砌結構設計增加了難度，本文就斷面尺寸較大的2#泄洪洞開挖過程中臨時支護和永久襯砌結構設計作簡要的介紹分析。

2 泄洪洞臨時支護

2#泄洪洞出口地形陡峻，巖體風化程度較深，為了減少明挖及邊坡支護工程量，設計采用強行進洞的開挖方式。根據施工期圍巖變形觀測成果，通過工程類比及工程經驗，擬定隧洞臨時支護設計參數。

2.1 圍巖穩定分析

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力變化規律基本相同，上半洞開挖后，開挖斷面周圍的第一、第三主應力有較大幅度的增加，最大拉應力多出現在噴混凝土層上。觀測結果表明，最大水平位移出現在兩邊墻中心附近，最大下沉位移出現在頂拱中心附近，最大上抬位移出現在底板跨中附近，Ⅲ類圍巖變形較小、Ⅳ類圍巖變形稍大、Ⅴ類最大。

2.2 開挖臨時支護設計

根據圍巖穩定分析成果、隧洞沿線地質條件、變形觀測成果及工程經驗，確定隧洞臨時支護設計參數，2#泄洪洞開挖臨時支護參數見表1。

表1 2#泄洪洞臨時支護設計參數

3 泄洪洞襯砌結構設計

3.1 基本資料

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

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，δ為襯砌的變位。

（4）內水壓力：ps=γsh，h為計算點的水頭。

（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。

3.1.2 荷載組合（表2）

表2 2#泄洪洞計算工況及荷載組合

3.2 設計計算參數

3.2.1 圍巖壓力

（1）Ⅲ類圍巖自穩條件較好，開挖后圍巖變形量小且很快收斂，在永久襯砌結構設計時不考慮圍巖壓力。

（2）Ⅳ、Ⅴ類圍巖節理、裂隙相對發育，局部受斷層影響成洞條件較差，由于施工期進行了鋼支撐、管棚、超前錨桿和噴錨臨時支護，按《水工隧洞設計規范》（SL 279-2002）相關規定，作用于永久襯砌結構上的圍巖壓力，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

2#泄洪洞為無壓洞，根據地勘試驗成果并類比相關工程，圍巖彈性抗力系數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

作用于襯砌結構上的外水壓力折減系數根據開挖后圍巖地下水活動狀態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Φ50@2.5 m、L=4 m 排水孔，Ⅳ、Ⅴ類圍巖外水壓力折減系數取0.25；Ⅲ類圍巖底板及側墻襯砌、頂拱噴錨，頂拱設Φ50@2.5 m、L=4 m 排水孔，側墻及底板設縱環向排水網，Ⅲ類圍底板及側墻襯砌結構設計按外水頭低于側墻頂考慮。

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，襯砌混凝土標號底板及側墻C40、頂拱C25。為了充分利用鋼筋強度、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）計算工況及方法。

對于無壓洞，外水壓力對洞身襯砌結構設計起控制作用，而內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水壓力的施工工況為控制工況。

采用傳統結構力學方法對混凝土的襯砌厚度及配筋進行計算分析，進行不同襯砌厚度及配筋組合計算，選取較為經濟合理的襯砌厚度和配筋組合。計算所采用的程序是“水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計系統SDCAD4.0”水利版，計算方法為邊值法。 采用限裂設計進行裂縫開度驗算。

（2）典型斷面控制工況內力圖（附圖）。

附圖 典型斷面控制工況內力圖

（3）計算結果。

2#泄洪洞襯砌結構設計計算結果見表3。

表3 2#泄洪洞襯砌厚度及配筋

4 結語

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加強排水以降低外水頭；加強圍巖固結灌漿，提高圍巖整體性，進而提高圍巖彈性抗力；施工期加強圍巖變形觀測，根據圍巖變形觀測成果預測圍巖后期變形及應力分布，指導臨時支護及永久襯砌結構設計。