水工隧洞配筋计算方法比较

保鹏刚，颜 敏

(云南省水利水电勘测设计院，云南 昆明 650000)

随着国家基础设施逐步完善，大中型水利项目基本趋于饱和，近年来小型水利项目逐渐增多，因小水利项目流量较小，导流规模较小，所需导流隧洞大小也基本为最小施工断面[1]或略大于最小施工断面；小型隧洞配筋计算软件，计算方法较多且计算结果差异较大，本文将针对某工程采用不同软件计算，对计算过程及成果进行分析比较，得出差异所在并提出较为简便快捷实用的计算方法以供日后计算参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

某水库坝址以上流域面积7.28km2，多年平均流量0.109m3/s。水库正常蓄水位为579.00m，相应库容为103万m3，兴利库容81.6万m3，校核洪水位581.94m，总库容128万m3。枢纽工程由混凝土面板堆石坝+左岸溢洪道+右岸取水、放空兼导流洞及下游供水管线系统组成。本水库工程等别为Ⅳ等，工程规模属小(1)型，主要建筑物级别为4级，导流洞内铺设取水放空管，因此导流洞按永久建筑设计，筑物级别为4级。

1.2 地层岩性

隧洞总长163m，埋深10～40m，位于边阳组第一段(T2b1)灰色薄～厚层泥岩夹砂岩地层，岩体为弱风化～微风化，岩体较完整，但泥岩易受风化及地下水影响产生掉块、塌方，围岩不稳定，以Ⅳ类围岩为主。建议参数为：Ⅳ类围岩K0=3MPa/cm，f=2.0。

1.3 导流设计情况

本工程采用围堰一次拦断河床、隧洞导流的施工导流方式，截流后第一个汛期由大坝临时断面挡水，导流洞过流，导流标准采用枯期(10月1日至次年4月30日)5年一遇洪水，导流设计流量为Q20%=9.94m3/s，对应上游水位为557.23m，下游水位544.19m。

导流隧洞布置在右岸(凸岸)，导流隧洞长163m，进口底板高程555.50m，出口底板高程547.00m，底坡为5.20%。隧洞断面采用城门洞型，断面尺寸为3.0m×3.5m(宽×高)，过流断面面积9.65m2，顶拱中心角139.27°，顶拱半径为1.6m，直墙高2.46m。

2 荷载计算

导流洞在施工期、运行期及封堵期存在的荷载有衬砌自重、山岩压力、灌浆压力、外水压力、内水压力、弹性抗力，不同工况下荷载组合[1]不同；衬砌自重由程序根据输入结构尺寸及容重自行计算，C25钢筋混凝土容重[2]为25kN/m3；

2.1 山岩压力

计算岩石松动压力的方法很多，根据规范[1- 3]建议和工程经验，采用经验系数法。由于本工程开挖时采取了钢支撑+锚喷的支护措施，故可少计山岩压力，计算时山岩压力系数取小值，垂直山岩压力qv=0.2γB，水平山岩压力qh=0.05γH。

2.2 内水压力

在各种工况下，根据不同的流量计算测压管水头值，计算中取最大值进行计算。

2.3 外水压力

外水折减系数[3]取0.75。

2.4 弹性抗力

Ⅳ类围岩弹抗系数为K0=3MPa/cm，输入程序根据所受内力自行计算。

2.5 灌浆压力

回填灌浆压力只作用于衬砌顶拱上，根据相关规范[1- 2]，本工程取0.2MPa。

2.6 计算参数

(1)安全系数[4]：基本组合1.15，特殊组合1.0；

(2)最大允许裂缝宽度：ωlim=0.3mm；

(3)混凝土：C25混凝土，轴心抗压强度fc=11.9N/mm2，轴心抗拉强度ft=1.27N/mm2，混凝土泊松比0.167，混凝土弹性模量Ec=2.80×104N/mm2，混凝土保护层厚度5cm；

(4)钢筋：钢筋采用HRB400，钢筋强度设计值fy=fy′=360N/mm2，钢筋弹性模量Es=2.0×105N/mm2，泊松比0.3。

3 工况分析

本工程各工况分析见表1。

表1 工况分析

本工程以施工工况为最不利工况。

4 计算结果

4.1 SDCAD4.0计算配筋结果

计算结果见表2。

表2 SDCAD4.0计算配筋结果

4.2 理正岩土计算配筋结果

(1)不考虑限裂验算计算成果

计算结果见表3。

(续表)

表3 不考虑限裂验算理正岩土计算配筋结果

(续表)

(2)考虑限裂验算计算成果

计算结果见表4。

表4 考虑限裂验算理正岩土计算配筋结果

(续表)

4.3 根据规范[4- 6]手动计算配筋结果

(1)不考虑限裂验算计算成果

计算结果见表5。

表5 不考虑限裂验算手动计算成果

(2)考虑限裂验算计算成果

计算结果见表6。

表6 考虑限裂验算手动计算成果

部位SDCAD4.0计算配筋面积/mm2理正岩土计算配筋面积根据规范手动计算配筋非抗裂/mm2抗裂/mm2非抗裂/mm2抗裂/mm2底板中点1337(0.3%)1601(0.37%)2131(0.49%)1547(0.31%)1547(0.31%)底板端点675(0.15%)1782.3(0.41%)2372(0.55%)1724(0.34%)1724(0.34%)边墙底端675(0.15%)1195.7(0.27%)1750(0.40%)1137(0.23%)1137(0.23%)边墙顶端675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)拱脚675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)拱顶675(0.15%)870.0(0.20%)870.0(0.20%)880(0.20%)880(0.20%)

4.4 计算结果比较

通过以上计算比较，SDCAD计算结果最小，手动计算结果次之，理正岩土计算结果最大，通过对各软件计算手册的进一步研究发现，SDCAD采用规范已失去时效性，不建议采用其计算结果；当隧洞不考虑限裂验算时，理正岩土计算成果与手动计算成果相差不大，均可采用；当隧洞需要进行裂缝宽度验收时，理正岩土计算配筋面积明显大于手动计算配筋面积，通过对理正岩土计算说明进行研究发现，其验算裂缝宽度公式采用SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[4]式7.2.2，规范[4]明确式7.2.2不适用于围岩中衬砌结构，应采用SL 279—2016《水工隧洞设计规范》[1]附录D计算。手动计算中裂缝宽度验算公式采用规范[1]附录D，结果符合规范要求。

5 结论

通过采用SDCAD、理正岩土和手动计算3种方法对小断面隧洞衬砌配筋计算比较，得出如下结论。

(1)SDCAD采用规范已失去时效性，不建议采用其计算结果，如程序对规范进行更新，需重新进行比较。

(2)不考虑限裂计算时，理正计算成果与手动计算成果均可选取。

(3)当考虑限裂计算时，不得采用理正计算成果，应根据规范【1】进行限裂验算。

6 结语

通过对上述计算方法的比较，笔者根据不同计算要求提出计算可采用方法的建议，为日后进行小型水工隧洞配筋计算提供参考，但在以后的计算中也应注意以下几点。

(1)本文提及的计算方法仅适用于简单的小型水工隧洞，对于结构复杂的水工隧洞或大型水工隧洞建议使用有限元方法进行计算。

(2)文中手动计算配筋时未手动计算结构内力，而是直接引用理正计算内力结果，与SDCAD内力计算结果存在差异，此差异未进行仔细研究，对配筋结果影响未知，需读者自行选取。

(3)SDCAD程序如对引用规范进行更新，可结合实际情况采用其进行计算。