滇中引水工程软土地基输水暗涵结构选型与设计

韩 雪 丹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

·水利工程·

滇中引水工程软土地基输水暗涵结构选型与设计

韩 雪 丹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以滇中引水工程为例，结合滇中引水现场地形地质条件，对软土地基大流量输水暗涵的结构选型、结构设计以及软基处理方案进行了研究分析，以供类似工程参考借鉴。

输水暗涵，结构选型，结构设计，软土地基

1 工程概况

滇中引水工程是从根本上解决滇中区水资源短缺的基础性工程，工程从金沙江上游干流奔子栏筑坝引水，输水工程自奔子栏至红河蒙自全长842.56 km，总投资约1 068.49亿元。

输水暗涵是滇中引水工程中重要的交叉输水建筑物之一，总共有28座，总长11.21 km，尤其是昆明以前段输水暗涵的规模较大，设计流量在140 m3/s～100 m3/s。输水暗涵布置于沟谷之中，地质条件相对较差，大部分处于第四系覆盖层，暗涵结构形式选择、结构设计和基础处理方案对整个工程安全运行尤为重要，为此，本文以滇中引水工程某一软土地基上到流量暗涵为代表对输水暗涵的结构选型、结构设计以及基础处理方案进行研究，提出了技术经济合理的输水暗涵结构形式和结构设计方案。

某暗涵是滇中引水工程输水线路楚雄段中的一段，全长为155.93 m，建筑物等级Ⅰ级，设计流量为115 m3/s，坡降为：1/5 000。万家暗涵位于红梅水库大坝下游河谷，河谷总体呈“U”形，暗涵所在位置有红梅水库坝下水池，东侧有溢洪道，两侧谷坡地形坡度25°～40°。万家暗涵布置于沟谷内，均为第四系冲洪积层覆盖，厚约10 m，冲洪积层组成物质为砂、卵砾石，卵砾石成分主要为泥岩，部分为砂岩，粒径一般1 cm～5 cm，含量约40%～60%，松散～稍密。下伏基岩为第三系上新统石灰坝组(N2s)和上白垩统江底河组第一段(K2j1)地层，前者主要为泥质砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，底部常见砾岩及不稳定煤层，主要分布于沟谷冲洪积层之下，厚度3 m～6 m，低压缩性，具膨胀性；后者主要为紫红、灰绿、灰黄色泥岩、砂质泥岩夹砂岩、泥灰岩，弱风化。泥质岩遇水易软化、泥化，失水易崩解，透水率6 Lu～8 Lu，弱透水，饱和抗压强度5 MPa～15 MPa，属软岩，软化系数0.4～0.5，易软化岩石。该地域地震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.15g。

2 输水暗涵的结构选型

2.1 暗涵断面形式比选

暗涵断面形式一般有圆形、城门形和矩形3种形式，经对上述3种形式采用相同的设计流量、纵坡、糙率、宽高比及净空率进行计算比较，其中圆形混凝土截面积最大、矩形次之、城门形最小；而在结构形式及施工条件上，则矩形最简单、城门形次之、圆形最复杂。因此，暗涵断面采用矩形暗涵结构形式。

2.2 暗涵单、双孔比选

以所对应的单孔和双孔暗涵结构尺寸为代表进行比较。

单孔暗涵结构断面尺寸为8.0 m×10.0 m(净宽×净高)，流量Q=115 m3/s，底坡i=1/5 000，混凝土强度等级为C25，边墙、底板、顶板均为1.4 m厚。为改善矩形断面角点处的受力状态，四个角设0.5 m的贴角，顶部全部进行回填土覆盖，综合楚雄段暗涵回填厚度，选用2 m为代表。

双孔暗涵结构断面尺寸为2-5.0 m×10.0 m(净宽×净高)(见图1)，流量Q=115 m3/s，底坡i=1/5 000，混凝土强度等级为C25，边墙、底板、顶板及中墩均为1.0 m厚，为改善矩形断面角点处的受力状态，四个角设0.5 m的贴角，顶部全部进行回填土覆盖，综合楚雄段暗涵回填厚度，选用2 m为代表。

表1列出了双孔暗涵方案和单孔暗涵方案的单位长度工程量。

表1 双孔暗涵方案与单孔暗涵方案每米主要工程量表

根据表1可知，双孔箱方案开挖量比单箱方案大，但钢筋混凝土用量和钢筋量要小，投资相对略省，双孔暗涵方案比单孔暗涵方案每米投资减少约4%。另外结合输水线路穿越的地形地质条件，由于地质条件较差，基础大部分为第四系覆盖层或湖积层，因此，从安全角度分析，选双孔暗涵方案也较为合适。

3 结构设计

1)计算主要参数及工况。作用于暗涵的荷载有回填土的垂直土压力和侧向土压力、内水压力、外水压力、结构自重、覆土顶部活荷载(汽车荷载)。a.作用于暗涵上的一切垂直荷载将由底板下的地基反力平衡，因暗涵跨径不大，假定地基反力按均匀分布。b.暗涵顶部回填土要求夯实，压实度不小于90%。回填土容重取γ=16.5 kN/m3，回填土内摩擦角取30°。万家暗涵回填到原始地面线的最大覆土厚度为2 m。因此本暗涵顶的覆土厚度取2 m。c.暗涵穿越公路部位的车辆荷载考虑到其穿越的公路等级不高，按照JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范的规定，采用公路—Ⅱ级荷载，其最不利状况。d.地震荷载万家暗涵的设计地震加速度为0.15g，地震设计烈度为7度。根据SL 203-97水工建筑物抗震设计规范规定，本级工程渠道工程抗震设防类别属于乙级。

各荷载组合见表2。

表2 荷载组合表

2)有限元分析。使用ANSYS结构分析程序计算内力，计算模型为管身横剖面沿轴线取单位长度作为搁置在地基的静力框架。由于该结构系弹性地基上的框架结构，用平面应变单元模拟地基，基础深度取结构高度2倍以上，同时考虑边荷载的影响。基础与管底间设接触单元以模拟两者之间的摩擦效果(见图2～图10)。

根据以上计算方法，按照SL 191-2008水工混凝土结构设计规范对双孔矩形暗涵进行配筋、抗裂计算，最大裂缝宽度允许值为0.25 mm。

4 软基处理方案

结合已建类似工程成功经验，凤屯隧洞可能发生大变形洞段主要是由于围岩本身强度与变形模量较低，向开挖临空面发生非线性挤压大变形，并可能呈现出明显的塑性和流变性质。对于该类围岩洞段常有以下支护处理与措施：1)采用台阶法开挖，必要时预留核心土。2)预留一定的围岩周边相对位移变形量避免二次扩挖。3)支护设计要遵循重视监控量测、分期支护、先柔后刚的指导思想。初期支护应采用既具有一定柔性又能快速实施的喷锚支护，包括可缩式钢拱架及锚杆，使围岩塑性区得到一定的发展，以完成适度的岩体应力释放和卸压作用，二次支护的作用是承受长期蠕变阶段的围岩压力，以保证洞室围岩的长期稳定，可采用现浇或预制块钢筋混凝土复合结构。支护处理时需注意以下几方面：a.初步喷锚支护参数主要采用监控量测，及时调整支护参数，使“围岩—支护”的变形协调发展。初期喷锚支护应尽快实施，一般在开挖后2 h内施作喷混凝土，8 h～16 h内完成喷锚支护，以迅速提供连续的支承抗力，确保一次支护同围岩紧密接触，以充分保证一次支护同围岩的整体受力，避免支护与围岩之间出现空腔而造成局部围岩产生附加应力。为了有效控制围岩变形，系统锚杆长度应穿透整个围岩松动区的厚度，宜采用恒阻让压式锚杆，有必要时减小开挖循环进尺。b.对围岩含水量较大且不能形成施工断面的洞段，应对围岩采取超前预灌浆的支护方法，使之超前固结，及时实施软岩的变形超前控制措施，采取超前小导管(φ48，L=6 m @0.25 m×4 m)、超前大管棚(50%洞段φ108，L=20 m @0.4 m×15 m；50%洞段φ108，L=12 m @0.4 m×10 m)和超前固结灌浆等超前加固措施。c.二次支护的施作时机是保证大变形围岩稳定的关键，通过洞室收敛变形和围岩位移量测，合理确定二次支护的施作时机，一般应考虑同时满足三项标准：隧洞围岩的变形收敛速度明显下降；隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90%以上；隧洞周边水平收敛速率小于0.2 mm/d，拱顶或底板垂直位移速率小于0.1 mm/d。d.采用仰拱封底，形成全封闭结构，避免隧洞底部没有约束，围岩裸露，形成膨胀和应力释放的集中部位，产生底鼓，造成隧洞墙脚内移和支护结构的严重破坏。4)施工过程中应加强超前地质预报和安全监测，超前地质预报主要包括：地下水情况，包括有无地下水、涌水位置和水量；断层破碎带、断层影响带，裂隙密集带的位置、规模和性状；软弱夹层，软弱结构面的位置、规模和性状；隧洞围岩级别变化等。及时发现不良地质问题，采取合理的开挖支护方式或预加固措施。

[1] 熊启钧.取水输水建筑物丛书——涵洞[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2] DL/T 5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].

[3] SL 265-2001，水闸设计规范[S].

[4] SL 430-2008，调水工程设计导则[S].

Structural selection and design of buried water discharge culvert with soft foundation of Dianzhong water diversion engineering

HAN Xue-dan

(China Electricity Construction Group Kunming Survey & Design Institute Co., Ltd, Kunming 650051, China)

Taking Dianzhong water diversion engineering as an example, combining with its field morphology conditions, the paper analyzes structural selection, structural design and soft foundation treatment scheme of buried water discharge culvert, with a view to provide some guidance for similar engineering.

buried water discharge culvert, structural selection, structural design, soft foundation

1009-6825(2014)36-0227-03

2014-10-14

韩雪丹(1982- )，女，工程师

TV554

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