AT1#深孔无压隧洞结构设计

张 玲

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水工隧洞是水利枢纽泄洪及引水建筑物中不可缺少的建筑物，隧洞的压力状态是根据隧洞用途及特点综合考虑地形地质、工程总体布置、水力学、施工、运行等因素，通过技术经济比较确定，可分为有压隧洞和无压隧洞两种。隧洞的横断面型式又可分为圆形，城门洞型及马蹄形断面。

1 工程概况

某枢纽为大(1)型Ⅰ等工程[1]。1#深孔放空排沙洞由进口明渠段、事故闸井段、洞身段、工作闸井段及出口消力池段组成。1#深孔放空排沙洞为1级建筑物，出口无压隧洞为1级建筑物，根据坝址区50年超越概率10%的场地基岩地震动峰值加速度为190.4 g，确定场地的基本烈度为Ⅷ[2]。

2 计算说明

2.1 主要计算原则和方法

无压隧洞计算荷载考虑山岩压力及内水压力的作用。通过“隧洞衬砌内力及配筋计算G-12[3]”通用程序对各个杆件进行内力及配筋计算。

2.2 计算工况

无压隧洞计算工况有完建期和运行期两种工况。

第一工况：完建期，泄洪洞建成，但没有使用，没有内水和外水，只存在山岩压力。

第二工况：运行期，泄洪洞建成，泄洪使用，洞内有内水，同时有山岩压力。

断面按弹性地基梁考虑，通过G-12计算各个杆件的内力配筋。

3 设计基本资料

3.1 1#深孔放空排沙洞无压隧洞段主要结构尺寸

如图1所示，无压隧洞段由渐变段、渥奇曲线段及扩散段组成，总长140.437 m，断面型式为城门洞型式，无压隧洞洞身段底板及边墙采用高性能抗冲磨C50F200W6混凝土，顶拱采用C30F200W6混凝土。C50抗冲磨混凝土抗冲磨强度>12 h/(kg/m3)。

图1 1#深孔放空排沙洞无压隧洞布置及主要尺寸

桩号深一1+384.726～深一1+394.726为渐变段，长10 m，断面尺寸由7.768 m×10.670 m渐变到8.212 m×9.679 m，衬砌厚度为1.5 m。

桩号深一1+394.726～深一1+428.926为渥奇曲线段，长34.2 m，其中桩号深一1+394.726～深一1+414.692 断面尺寸由8.212 m×9.679 m渐变到9.100 m×9.600 m，衬砌厚度为0.7 m。桩号深一1+414.692～深一1+428.926 断面尺寸为9.100 m×9.600 m，衬砌厚度为0.7 m。

桩号深一1+428.926～深一深一1+525.163为扩散段，长74.559 m，其中桩号深一1+428.926～深一1+503.485 断面尺寸由9.100 m×9.600 m渐变到14.809 m×9.600 m，衬砌厚度为1.2 m。桩号深一1+503.485～深一1+525.163断面尺寸由14.809 m×9.600 m渐变到16.469 m×16.333 m，衬砌厚度为1.2 m。

3.2 计算参数值选取

水工隧洞的围岩分类，岩洞应按GB 50847的规定执行，土洞应按GB/T 50145的规定执行[4]。无压隧洞段围岩类别均为Ⅳ类，须采取强支护措施，建议fk=2～3，K0=6 MPa/cm～8 MPa/cm，计算fk=2，桩号深1+384.726～深1+503.485，K0=8 MPa/cm，桩号深1+503.485～深1+525.163，K0=6 MPa/cm，转换单位为10000 t/m3。

岩石/岩石抗剪强度：Ⅳ类围岩f=0.5～0.7(Φ=26.5°～35°)[3]。计算f=0.675(Φ=34°)

3.3 材料特性

钢筋混凝土容重r=24.5 kN/m3[5]；水容重r水=9.8 kN/m3；无压隧洞洞身段底板及边墙采用高性能抗冲磨C50F200W6混凝土，顶拱采用C30F200W6混凝土。C50抗冲磨混凝土抗冲磨强度>12 h/(kg/m3)。

4 计算方法

无压隧洞采用地下洞室型式，对其均取单宽简化为“城门洞形”框架结构。对简化的框架结构根据不同的计算工况采用静力学方法计算内力，并用钢筋混凝土结构力学配筋计算。本次采用“隧洞衬砌内力及配筋计算通用” 程序计算。

5 结构计算过程

5.1 计算断面选取

无压隧洞总长140.437 m，断面型式为城门洞型式，由于该无压隧洞洞身底宽始终是渐变的，所以每个结构段的结构尺寸都不相同。故全线选取15个计算断面进行结构计算，从而得出较经济合理的计算配筋。

洞身1-1剖面尺寸及荷载分布见图2，洞身2-2剖面～15-15剖面简化为城门洞型，其剖面尺寸及荷载分布见图3。

图2 洞身1-1剖面尺寸及荷载分布

图3 洞身2-2剖面～15-15剖面剖面尺寸及荷载分布

洞身剖面1-1～剖面15-15详细剖面尺寸见表1。

表1 洞身剖面尺寸

5.2 计算荷载

完建期山岩压力及运行期水压力荷载计算见表2。

表2 荷载计算表

5.3 结构计算

1#深孔放空排沙洞无压隧洞结构计算结果见表3。

表3 1#深孔放空排沙洞无压隧洞结构计算成果表

5.4 抗剪计算

深孔放空排沙无压隧洞各剖面抗剪计算结果见表4。

表4 1#深孔放空排沙洞无压隧洞抗剪计算成果表

6 计算结果分析及结论

6.1 结构计算结果

1-1剖面和2-2剖面配Φ28@200、3-3剖面和4-4剖面配Φ22@200、5-5剖面和11-11剖面配Φ25@200、12-12剖面配Φ25@200贴Φ16@200、13-13剖面配Φ28@200贴Φ16@200、14-14剖面配Φ32@200、15-15剖面配Φ32@125。

6.2 抗剪计算结果

抗剪筋采用Φ16@200，计算VSV=248.74(t)，通过抗剪筋的配置，结构满足抗剪要求。

7 结语

(1)本次结构计算，将隧洞断面通过静力学方法简化成框架进行计算，计算方法简单，计算各种工况符合工程实际运行情况、满足结构安全运行要求。

(2)计算结果较为真实的反映了隧洞结构在运行时各种工况的状态，配筋结果在既满足结构需要的同时，又达到了经济合理的目的，大大减少了工程投资。

(3)本次计算结果，也为其他同类工程提供了借鉴。