洪塘水庫(kù)深埋長(zhǎng)輸水隧洞設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算

彭宗兵，鄧 剛，余立偉

（重慶市渝西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 402160）

1 工程概況

洪塘水庫(kù)壩址位于南川區(qū)大有鎮(zhèn)大堡村1社處，工程所在河流為芙蓉江二級(jí)支流三江一級(jí)支流石礫河上。水庫(kù)是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的中型水利工程，總庫(kù)容1111萬(wàn)m3。工程由水庫(kù)樞紐工程、輸水工程及灌區(qū)工程三部分組成。輸水隧洞位于洪塘水庫(kù)的NW側(cè)，由隧洞、明渠、渡槽和出水渠組成。隧洞進(jìn)口位于田家溝引水壩右岸，洞口接田家溝引水壩引水渠，隧洞終點(diǎn)位于魚(yú)枧水庫(kù)庫(kù)尾，隧洞在水翠河位置出露，由前后兩段組成，隧洞總長(zhǎng)13km。輸水隧洞級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇(P=3.33%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇(P=1%)，隧洞合理使用年限為50a。工程區(qū)場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35s[1]。

2 輸水隧洞布置

設(shè)計(jì)利用隧洞進(jìn)出口之間區(qū)域高程與隧洞高程相近的溝谷出露，增加施工作業(yè)面，輸水隧洞長(zhǎng)13km，由前后兩段組成，前段長(zhǎng)6.4km，后段長(zhǎng)6.6km，隧洞在水翠河位置通過(guò)明渠和渡槽連接。在滿(mǎn)足隧洞設(shè)計(jì)最大輸水流量7m3/s以及采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工的要求下，隧洞斷面選取城門(mén)洞形斷面型式，隧洞襯砌后斷面為2.7m×2.58m（寬×高），開(kāi)挖斷面為3.7m×3.48m（寬×高）。

3 隧洞地質(zhì)條件

主洞進(jìn)、出口地表均為基巖，沿線地質(zhì)條件較好，隧洞沿線地表高程697.35～1440m，隧洞埋深10～724m，在樁號(hào)2+480處穿過(guò)德隆背斜，其余無(wú)大的斷層切割，地表裂隙不發(fā)育；隧洞段洞身圍巖除有200m為奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）夾灰?guī)r外，其余均為奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）頁(yè)巖夾灰?guī)r，巖層傾角平緩，隧洞沿線巖層傾角3°～6°，隧洞洞身頁(yè)巖圍巖以Ⅳ類(lèi)為主，局部節(jié)理裂隙發(fā)育段為Ⅴ類(lèi)，其中Ⅲ類(lèi)圍巖200m，Ⅳ類(lèi)圍巖11920m，Ⅴ類(lèi)圍巖880m。

4 隧洞開(kāi)挖及襯砌設(shè)計(jì)

本工程隧洞穿頁(yè)巖夾灰?guī)r段隧洞長(zhǎng)度占整個(gè)隧洞場(chǎng)地的98.46%，穿夾層灰?guī)r段隧洞長(zhǎng)度占整個(gè)隧洞場(chǎng)地的1.54%。頁(yè)巖夾灰?guī)r天然單軸抗壓強(qiáng)度42MPa,懸臂式掘進(jìn)機(jī)可以滿(mǎn)足開(kāi)挖要求，同時(shí)工程隧洞后段在樁號(hào)SDHD2+629～SDHD6+600段下穿金佛山自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)范圍，采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖可避免爆破對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，因此頁(yè)巖夾灰?guī)r段隧洞推薦采用全斷面懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖。隧洞穿越夾層灰?guī)r段長(zhǎng)約200m，灰?guī)r天然單軸抗壓強(qiáng)度60MPa，懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖開(kāi)挖效率較低，機(jī)械磨損嚴(yán)重，故灰?guī)r段隧洞采用鉆爆法施工。

Ⅲ類(lèi)圍巖隧洞開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)，采用噴砼掛網(wǎng)，噴射C20混凝土厚度100mm，掛鋼筋網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，錨桿縱橫間距為1m，長(zhǎng)度2.0m；底板采用0.3m厚C25混凝土襯砌，砼防滲等級(jí)W4，在隧洞墻頂拱90°～120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

Ⅳ類(lèi)圍巖隧洞開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)，采用噴砼掛網(wǎng)，噴射C20混凝土厚度100mm，掛鋼筋網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，錨桿縱橫間距為1m，長(zhǎng)度2.0m；邊墻及頂拱、底板均采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌，砼防滲等級(jí)W4，在隧洞頂拱90°～120°之間進(jìn)行回填灌漿。

Ⅴ類(lèi)圍巖巖體較破碎，軟巖流變顯著，可能產(chǎn)生較大的變形破壞，隧洞開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)，采用I18型鋼一次性永久支護(hù)，并噴混凝土掛網(wǎng)設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，錨桿縱橫間距為0.7m，長(zhǎng)度2.0m；邊墻及頂拱、底板均采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌，砼防滲等級(jí)W4，隧洞頂拱90°～120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

5 隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

工程按限值裂縫寬度設(shè)計(jì)，裂縫寬度短期組合≤0.3mm，長(zhǎng)期組合≤0.25mm。隧洞襯砌采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件采用理正巖土隧洞襯砌計(jì)算軟件[2]。

5.1 計(jì)算工況

基本組合：

1）工況1：正常運(yùn)行期（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力+外水壓力）。

2）工況2：檢修期（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+外水壓力）。

特殊組合：

3）工況3：施工期（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+外水壓力或灌漿壓力）。

4）工況4：校核工況（襯砌自重+圍巖壓力+彈性抗力+校核內(nèi)水壓力+外水壓力）。

5.2 荷載計(jì)算

5.2.1 圍巖壓力

1）Ⅲ類(lèi)圍巖自穩(wěn)條件好并采取了有效的支護(hù)，不考慮圍巖壓力。

2）Ⅳ類(lèi)圍巖采取了有效的支護(hù)，圍巖壓力按《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算：

輸水隧洞垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

輸水隧洞水平均布圍巖壓力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

輸水隧洞避車(chē)道垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

輸水隧洞避車(chē)道水平均布圍巖壓力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

3）Ⅴ類(lèi)圍巖自穩(wěn)能力較差，采取了有效的支護(hù)后能自穩(wěn)，圍巖壓力按《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算：

輸水隧洞垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

輸水隧洞水平均布圍巖壓力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

輸水隧洞避車(chē)道垂直均布圍巖壓力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

輸水隧洞避車(chē)道水平均布圍巖壓力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

5.2.2 彈性抗力

根據(jù)地勘建議物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值計(jì)算采用計(jì)算值，隧洞工程堅(jiān)固系數(shù)和單位彈性抗力系數(shù)建議值表，見(jiàn)表1。

表1 隧洞工程堅(jiān)固系數(shù)和單位彈性抗力系數(shù)建議值表

5.2.3 內(nèi)水壓力

由于本隧洞為無(wú)壓隧洞，內(nèi)水壓力為隧洞內(nèi)設(shè)計(jì)水深。本次按設(shè)計(jì)最大輸水流量時(shí)隧洞內(nèi)水深計(jì)算，隧洞Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖均為2.0m。

5.2.4 外水壓力作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

根據(jù)不同的地下水活動(dòng)情況按《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)外水壓力進(jìn)行折減。當(dāng)有內(nèi)水組合時(shí)，βe取小值，無(wú)內(nèi)水組合時(shí)，βe取大值。

根據(jù)地質(zhì)建議，本工程隧洞洞身圍巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組第三段（O1m）頁(yè)巖夾灰?guī)r，洞頂上部有厚達(dá)上百米的頁(yè)巖隔水層，地表水下滲至洞頂?shù)目赡苄孕　Ｒ虼耍矶粗車(chē)鸁o(wú)穩(wěn)定地下水位，但在溶隙、裂隙發(fā)育或局部破碎帶可能存在滲水或透水可能。本次設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)內(nèi)深埋水工隧洞工程經(jīng)驗(yàn)，最大外水水頭按25m計(jì)算，考慮溶洞連通效應(yīng)及排水措施， 外水壓力折減系數(shù)(β)取0.3。

5.2.5 動(dòng)水壓力

由于本隧洞為無(wú)壓隧洞，本次設(shè)計(jì)未考慮隧洞內(nèi)的動(dòng)水壓力。

5.2.6 灌漿壓力

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段回填灌漿壓力采用0.2MPa。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)-水電站建筑物》，灌漿壓力與外水壓力不疊加。灌漿壓力大于外水壓力時(shí)，頂部只計(jì)灌漿壓力，其余為外水壓力；灌漿壓力小于外水壓力時(shí)，可不計(jì)灌漿壓力[3]。

輸水隧洞不同工況荷載取值情況表，見(jiàn)表2。

表2 輸水隧洞不同工況荷載取值情況表

5.3 計(jì)算結(jié)果

輸水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果（底版），見(jiàn)表3；輸水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果（頂拱），見(jiàn)表4；輸水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（側(cè)墻），見(jiàn)表5。

表3 輸水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（底板）

表4 輸水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（頂拱）

表5 輸水隧洞Ⅳ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（側(cè)墻）

輸水隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（底版），見(jiàn)表6；輸水隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（頂拱），見(jiàn)表7；輸水隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（側(cè)墻），見(jiàn)表8。

表6 輸水隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（底板）

表7 輸水隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（頂拱）

表8 輸水隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖段計(jì)算成果表（側(cè)墻）

經(jīng)計(jì)算輸水隧洞在各種運(yùn)用條件中，襯砌厚度采用0.4m 時(shí)能滿(mǎn)足抗剪要求，裂縫寬度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)距離隧洞工程應(yīng)結(jié)合地形條件、地質(zhì)構(gòu)造、工程布置、圍巖巖性、產(chǎn)狀及地下水情況以及施工工藝、交通、占地、工程投資等條件進(jìn)行充分的方案比較論證，選擇合理、安全和經(jīng)濟(jì)的線路和走向，隧洞軸線盡量避開(kāi)不良地質(zhì)條件的影響，同時(shí)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件采取合理的支護(hù)方式，選取合理的計(jì)算參數(shù)取值進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，確保工程設(shè)計(jì)措施的安全性與可靠性。