河口村水库1号泄洪洞洞身支护结构设计

孙永波，杜远征

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003)

1 工程概况

河口村水库工程位于河南省济源市河口村附近的沁河干流上，开发任务以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善河道基流等综合利用。水库总库容3.17亿m3，正常蓄水位275.00 m，设计、校核洪水位均为285.43 m。工程等别为Ⅱ等，属大(2)型工程，主要建筑物有混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道、供水发电洞等。泄洪洞为2条，均布置在左岸，两洞轴线相距40 m，担负着泄洪、排沙及放空水库的任务，均为明流泄洪洞，建筑物级别均为2级，靠河道侧泄洪洞为1号泄洪洞。

1号泄洪洞由引渠、进水塔、洞身段、出口挑流段组成，洞身全长为643.00 m。进水塔进口高程195.00 m，塔基尺寸49.00 m×33.00 m(长×宽)。1号泄洪洞进水口为有压短管进口，分为两孔，孔口大小4.00 m×7.00 m(宽×高)，工作门采用偏心铰弧门，门后为突跌突扩结构，突跌跌坎高度1.30 m，两边各突扩0.50 m。洞身结构起点桩号为1泄0+024.96，桩号1泄0+024.96～桩号1泄0+047.53段为渐变段1段，洞身断面由两孔矩形断面5.00 m×13.59 m(宽×高)渐变为一孔城门洞型14.00 m×13.50 m(宽×高，矢高2.5 m)。洞身1泄0+047.53～1泄0+097.53段为渐变段2段，洞身断面由城门洞型14.00 m×13.50 m(宽×高)渐变为标准城门洞型9.00 m×13.50 m(宽×高，矢高2.5 m)。桩号1泄0+024.96～1泄0+044.96段洞身纵坡为10%，1泄0+044.96至出口段洞身纵坡为2.338%，两纵坡间采用半径30.00 m的圆弧衔接。

2 复杂围岩条件

1号泄洪洞穿越的地层从进口到出口依次为：太古界登封群(Ard)变质岩、中元古界汝阳群(Pt2y、Pt2b、Pt2bd)厚层～巨厚层为主的硅质石英砾岩、铁钙质粉砂岩和硅质石英岩状砂岩、寒武系馒头组(∈1m1～∈1m6)中厚层～薄层为主的碳酸盐岩类，主要岩性为板状白云岩、条带状灰岩、钙质砂岩、页岩等。其中∈1m3以泥灰岩为主，岩性软，遇水软化，层间有数层泥化夹层或镜面，为不稳定的软弱结构面，围岩的洞段稳定性较差。

1号泄洪洞穿过的地层复杂，断层裂隙发育，围岩条件较差，先后穿越的断层为F11逆掩断层、五庙坡断层带(F6、F7、F8)及F4、F5等小断层，Ⅳ、Ⅴ围岩洞段长度占70%。其中五庙坡断层断距大，断层带宽达70 m，断层带物质为断层泥及碎块岩，为碎裂结构，成股水流渗水严重，对洞身支护结构稳定不利(见表1)。

表1 河口村水库1号泄洪洞围岩分类及主要物理力学参数

3 洞身开挖临时支护

1号泄洪洞洞身开挖跨度大，进口洞身结构起算点处开挖宽度达18.40 m，最小开挖宽度位于隧洞出口处，开挖宽度也有11.00 m。洞身穿过的地层复杂，围岩破碎，围岩稳定性较差。为确保泄洪洞施工期围岩稳定和开挖安全，参照《水工隧洞设计规范》(DL/T 5195—2004)，并收集国内外同类相似工程的洞身开挖喷锚支护参数，确定本泄洪洞开挖支护参数(见表2)。实际施工中，对V类围岩大多洞段增加了钢拱架支护措施,钢拱架间距1.00 m，钢拱架采用工字钢型号为22A。

表2 泄洪洞开挖临时支护参数

注：根据现场开挖揭露洞身围岩实际情况，复核确定布置钢拱架等加强措施。

4 洞身衬砌永久支护

洞身衬砌永久支护采用钢筋混凝土结构，洞身穿过的地层较为复杂，根据围岩类别、洞身运行条件、内外水荷载及与衬砌施工特点等，分段采取不同衬砌型式。洞身衬砌厚度沿程变化，分别在2.50～0.80 m之间。

4.1 计算方法

1号泄洪洞为明流泄洪洞，洞身桩号1泄0+024.96～1泄0+044.96段为两孔矩形断面，其永久支护结构计算采用《水利水电工程设计计算程序集》中《带斜杆带弹性地基梁的平面框架内力及配筋计算书G—14》。计算中假定底板为弹性地基梁，考虑弹抗系数的影响，其他各杆件不考虑弹抗系数影响，把围岩压力作为荷载加上去，考虑刚域及剪切变形的影响，完成结构计算。

本泄洪洞其他洞身段支护结构计算根据原《水工隧洞设计规范(试行)》(SD 134—84)推荐，采用边值法数值求解，其思路是：将衬砌结构的计算简化非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。无须假定衬砌上的抗力分布，由程序经迭代计算自动得出。本泄洪洞其他洞身段支护结构计算采用水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计软件SDCAD4.0水利版完成。

4.2 工况及荷载组合

根据河口村水库泄洪洞运行情况，将泄洪洞的计算工况分为运行期、检修期、施工期(见表3)。

表3 各工况荷载组合

4.3 初始条件

根据河口村水库洪水特点，校核水位工况洪峰值虽较高，但历时较短，在山体内难以形成稳定的地下水位线。所以，泄洪洞洞身支护结构设计时，假定山体内稳定地下水位线由库区正常蓄水位确定，即正常蓄水位275.00 m。

根据本工程地质条件并参考同类工程成功经验，假定泄洪洞洞身在防渗帷幕处上下游外水水头折减系数取30%，帷幕前外水位为正常蓄水位275.00 m，帷幕后外水位为线性变化，与泄洪洞出口洞顶连接，洞身最大外水水头达87.61 m(见图1)。

洞身混凝土设计标号为C30，迎水面混凝土保护层厚度为165 mm，背水面混凝土保护层厚度为65 mm，采用限裂设计，运行期最大裂缝宽度允许值为0.30 mm，检修期最大裂缝宽度允许值为0.35 mm，施工期不进行裂缝宽度验算，山体围岩压力垂直压力系数取0.2，侧向压力系数取0.05。

4.4 计算成果

1号泄洪洞进口段由于洞身跨度较大，覆盖岩体厚度较薄，受断层及裂隙影响较大，外水水头较高，局部洞段衬砌厚度较厚，达到2.50 m，钢筋直径达到40 mm(见表4)。

图1 1号泄洪洞纵剖面、围岩类别、地下水位及洞身桩号

表4 1号泄洪洞洞身衬砌永久支护主要钢筋成果

续表4 1号泄洪洞洞身衬砌永久支护主要钢筋成果

5 结 论

河口村水库1号泄洪洞洞身断面跨度较大，渐变段长度较长，穿越的地质条件复杂，围岩稳定较差，成股水流渗水严重，Ⅳ、Ⅴ围岩洞段约占70%，影响洞段较长，对洞身支护结构设计受制条件较多。本设计采用合理的边界参数，根据不同洞身断面采用合适的计算方法，得到可靠的设计成果。在此基础上，该泄洪洞已于2013年顺利建成完工，并于2017年10月通过竣工验收。目前1号泄洪洞安全运行超过5 a，运行状况良好。