涔天河水库扩建工程2#泄洪洞衬砌结构设计简介

詹双桥 郑永兰

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游峡谷出口处，下距江华县城12 km。 该工程开发任务为灌溉、防洪、下游补水和发电，兼顾航运等综合利用。 水库正常蓄水位313 m，拦河大坝最大坝高114 m，总库容15.1 亿m3，灌溉面积7.43万hm2（111.46万亩），电站装机容量200 MW。工程规模为Ⅰ等大（Ⅰ）型，大坝、泄水建筑物等主要水工建筑物为1 级建筑物。

本工程设计洪水标准500年一遇，校核标准10 000年一遇，水库最大下泄流量5 186 m3/s，右岸两条隧洞联合泄洪。 1#泄洪洞洞身尺寸10 m×12 m（宽×高），洞身长573 m，纵坡6.2%，短管进水口，最大泄量2 308 m3/s；2#泄洪洞洞身尺寸12 m×12.5 m（宽×高），洞身长770 m，纵坡2%，WES 堰开敞式进水口，最大泄量2 878 m3/s。 两泄洪洞平面距离80 m，均为无压隧洞，其中2#泄洪洞结合导流洞。

泄洪洞围岩岩性为寒武系上组（∈3）灰绿、深灰色中厚～巨厚层状浅变质砂岩、石英砂岩夹中厚至薄层状砂质板岩及板岩和泥盆系下统（D1）石英砂岩、砂岩、粉砂岩夹页岩等。 隧洞埋深（30～190）m，除进出口段分布有少量强风化、弱风化岩体外，大部分洞段为微风化岩体，围岩属Ⅲ～Ⅴ类。 斜切洞线的主要断 层有F21、F88、F27、F1、F10、F230、F231、F247、F245、F252、F6、F260、F249 等13 条，破碎带最宽达（3～5）m，结构较松散，透水性较强，多富水，地下水最大水头超过140 m。

泄洪隧洞洞身尺寸较大，部分洞段地质条件较差，地下水水头高，给隧洞施工和隧洞衬砌结构设计增加了难度，本文就断面尺寸较大的2#泄洪洞开挖过程中临时支护和永久衬砌结构设计作简要的介绍分析。

2 泄洪洞临时支护

2#泄洪洞出口地形陡峻，岩体风化程度较深，为了减少明挖及边坡支护工程量，设计采用强行进洞的开挖方式。根据施工期围岩变形观测成果，通过工程类比及工程经验，拟定隧洞临时支护设计参数。

2.1 围岩稳定分析

2#泄洪洞采用先挖上半洞、再挖下半洞分期开挖的施工方法，开挖施工过程中各类围岩的应力变化规律基本相同，上半洞开挖后，开挖断面周围的第一、第三主应力有较大幅度的增加，最大拉应力多出现在喷混凝土层上。观测结果表明，最大水平位移出现在两边墙中心附近，最大下沉位移出现在顶拱中心附近，最大上抬位移出现在底板跨中附近，Ⅲ类围岩变形较小、Ⅳ类围岩变形稍大、Ⅴ类最大。

2.2 开挖临时支护设计

根据围岩稳定分析成果、隧洞沿线地质条件、变形观测成果及工程经验，确定隧洞临时支护设计参数，2#泄洪洞开挖临时支护参数见表1。

表1 2#泄洪洞临时支护设计参数

3 泄洪洞衬砌结构设计

3.1 基本资料

2#泄洪洞运行期为全程无压洞，内水头不超过直墙，水库蓄水后，最大外水头位于桩号0+170 m附近，达146 m。 衬砌混凝土的设计荷载主要为外水压力、内水压力、围岩压力、衬砌自重、围岩弹性抗力及灌浆压力，设计工况分运行期、检修期和施工期三个工况。

3.1.1 荷 载

作用在隧洞上的荷载主要有：

（1）衬砌自重：单位面积上的自重强度g=γh，h为含超欠挖的衬砌厚度。

（2）围岩压力：垂直方向q=（0.2～0.3）γhB、垂直水平方向q=（0.05～0.1）γhB，B为洞开挖宽度。

（3）弹性抗力：按文克尔假定，p=Kδ，K为围岩的弹性抗力系数，δ为衬砌的变位。

（4）内水压力：ps=γsh，h为计算点的水头。

（5）外水压力：有压洞取地下水位线以下的水柱高乘以折减系数。

3.1.2 荷载组合（表2）

表2 2#泄洪洞计算工况及荷载组合

3.2 设计计算参数

3.2.1 围岩压力

（1）Ⅲ类围岩自稳条件较好，开挖后围岩变形量小且很快收敛，在永久衬砌结构设计时不考虑围岩压力。

（2）Ⅳ、Ⅴ类围岩节理、裂隙相对发育，局部受断层影响成洞条件较差，由于施工期进行了钢支撑、管棚、超前锚杆和喷锚临时支护，按《水工隧洞设计规范》（SL 279-2002）相关规定，作用于永久衬砌结构上的围岩压力，垂直压力按0.2γhB 取值，水平压力按0.05γhB 取值。

3.2.2 围岩弹性抗力系数

2#泄洪洞为无压洞，根据地勘试验成果并类比相关工程，围岩弹性抗力系数Ⅴ类围岩500 MPa/m、Ⅳ类围岩1 000 MPa/m、Ⅲ类围岩2 000 MPa/m。

3.2.3 外水压力折减系数

作用于衬砌结构上的外水压力折减系数根据开挖后围岩地下水活动状态及所采取的排水措施综合确定。Ⅳ、Ⅴ类围岩全断面衬砌，顶拱设Φ50@2.5 m、L=4 m 排水孔，Ⅳ、Ⅴ类围岩外水压力折减系数取0.25；Ⅲ类围岩底板及侧墙衬砌、顶拱喷锚，顶拱设Φ50@2.5 m、L=4 m 排水孔，侧墙及底板设纵环向排水网，Ⅲ类围底板及侧墙衬砌结构设计按外水头低于侧墙顶考虑。

3.2.4 灌浆压力

衬砌形成后，Ⅳ、Ⅴ类围岩拱顶需进行回填灌浆，施工期拱顶灌浆压力按0.2 MPa 考虑。

3.2.5 钢筋混凝土

本泄洪洞最大流速超过36 m/s，考虑抗冲耐磨要求，衬砌混凝土标号底板及侧墙C40、顶拱C25。为了充分利用钢筋强度、减少钢筋用量，受力钢筋采用Ⅲ级钢。

3.3 衬砌厚度及配筋

（1）计算工况及方法。

对于无压洞，外水压力对洞身衬砌结构设计起控制作用，而内水压力起抵消外水压力的有利作用，所以取外水压力较大而无内水压力的施工工况为控制工况。

采用传统结构力学方法对混凝土的衬砌厚度及配筋进行计算分析，进行不同衬砌厚度及配筋组合计算，选取较为经济合理的衬砌厚度和配筋组合。计算所采用的程序是“水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统SDCAD4.0”水利版，计算方法为边值法。 采用限裂设计进行裂缝开度验算。

（2）典型断面控制工况内力图（附图）。

附图 典型断面控制工况内力图

（3）计算结果。

2#泄洪洞衬砌结构设计计算结果见表3。

表3 2#泄洪洞衬砌厚度及配筋

4 结语

本泄洪洞为无压隧洞，隧洞埋深大、地下水位较高，洞身衬砌主要荷载为外水压力，开挖过程中和衬砌形成后应加强排水以降低外水头；加强围岩固结灌浆，提高围岩整体性，进而提高围岩弹性抗力；施工期加强围岩变形观测，根据围岩变形观测成果预测围岩后期变形及应力分布，指导临时支护及永久衬砌结构设计。