大河沿引水工程灌溉洞结构计算分析

周 亮，赵万强

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000)

1 工程概况

大河沿引水工程位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市大河沿河上游。拟建坝址距乌鲁木齐120km，距吐鲁番市60km，距大河沿镇17km。工程主要由挡水大坝、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空冲砂兼导流洞组成，是一座具有城镇供水、农业灌溉和重点工业供水任务的综合性水利枢纽工程。

灌溉隧洞布置于左岸山体内，全长约635m，开挖洞径2.8m。其中洞身段约510m长的洞段处于基岩内，洞顶上覆岩体厚15～60m，围岩为石炭系上统博格达下亚群第二组(C3bga- 2)砂岩、粉砂岩、砂砾岩。岩层走向与洞线近于正交，岩层倾角近于直立，断层不发育，岩体较完整，成洞条件较好；进、出口分别约106m、19m长洞段处于Ⅳ级阶地堆积的深厚砂砾石层内，砂砾石层具钙泥质弱胶结，隧洞上覆砂砾石层厚多大于2倍洞径，在干燥条件下进行强支护可成洞。

2 灌溉洞结构设计

进口段：进口段设置在泄洪放空冲砂兼导流洞进口上游侧10m处，确保水库运行过程中，灌溉洞进口处做到“门前清”。进口底板高程1577.0m，设置在泄洪放空冲砂兼导流洞边坡马道上，进口底宽4.0m，T型断面，边坡开挖坡比为1∶1.75，后接有压隧洞段，进口高程1577.5m，上游设置椭圆渐变段。

上游有压隧洞段：长为140.0m，进口高程1577.5m，纵坡i=1.2%，其中进口9.6m洞段为矩形洞段，尺寸为2.0×2.0m，后接渐变段，长10m，由矩形洞变成圆形洞。圆形洞洞径为2.0m，衬砌厚度0.4m，部分洞段坐落在砂卵石层上，砂卵石层成洞条件较差，该部位衬砌厚度为0.7m。

闸井段：长为3.5mm，闸井前、后均设置10m渐变段，设置事故检修平板闸门一道，事故检修平板闸门尺寸为2.0×2.0m。闸底高程1575.96m，底板厚度1.0m，闸井段采用竖井式布置在大坝上游侧山体内，其顶部高程为1619.3m，检修门采用卷扬机启闭，排架设置在闸室段顶部。闸井顶部平台与大坝坝顶之间设置公路连接。

下游有压隧洞段：长为514.5m，纵坡i=1.2%，圆形洞洞径为2.0m，衬砌厚度0.4m，出口附近为砂卵石洞段，砂卵石层成洞条件较差，该部位衬砌厚度为0.7m，砂卵石洞内设置钢衬，厚8mm，长40m，方便生态管、工农业用水和阀门连接。

出口镇墩段：镇墩长10m，因隧洞为有压隧洞，出口处隧洞拐弯与下游等高线平顺连接，设置镇墩，镇墩厚6m，镇墩处接一管径为φ600mm生态钢管，出口设置锥形阀接至河道，镇墩后部接渠道流量控制阀。

3 灌溉洞结构计算

通过对隧洞设计洞型和地址条件分析，本隧洞的衬砌计算采用结构力学法可满足计算精度和要求。计算荷载考虑山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重等。计算假定围岩与衬砌紧密结合围岩对衬砌产生一定的弹性抗力，在荷载及抗力共同作用下求出衬砌各断面的弯矩、轴力，然后计算配筋量，验算衬砌是否开裂以及计算开裂宽度。

3.1 荷载计算

作用在隧洞上的荷载主要有：

(1)衬砌自重

单位面积上自重强度

g=γhh，γh=24.5kN/m3

式中，h—含超欠挖衬砌厚度。

(2)山岩压力

q=(0.2～0.3)γB，γ=27.0kN/m3

式中，B—洞开挖宽度。

(3)弹性抗力

按文克尔假定

p=Kδ

式中，K—围岩的弹性抗力系数，δ—衬砌的变位。

(4)内水压力

Ps=γh

式中，h—计算点的水头，由压坡线或水面线确定。

(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；

(6)地震力

ah=0.178g，Tg=0.4s

按抗震规范计算地震力，上覆岩体厚度15m以上，

地震加速度按0.8倍折减，其他在0.5～1之间按厚度直线内插。

3.2 荷载组合

(1)正常运用情况

衬砌自重+山岩压力+设计水位时内、外水压力。

(2)非常运用情况

衬砌自重+山岩压力+校核水位时内、外水压力。

(3)施工、检修情况

衬砌自重+山岩压力+可能出现的最大外水压力+灌浆压力。

(4)地震情况

衬砌自重+山岩压力+正常水位时内、外水压力+地震。

3.3 结构计算

对于有压洞，内水压力对洞身起控制作用，而外水压力起抵消内水压力的有利作用，所以取外水压力较小而内水压力较大的工况为控制工况。在以上组合中，取基本组合的正常洪水和特殊组合的校核洪水两种工况进行计算。

计算采用计算软件进行计算。

(1)隧洞围岩分类

隧洞围岩分类统计见表1。

表1 隧洞围岩分类统计表

(2)基本资料

选取有代表性的洞段进行典型计算，各段基本资料见表2。

选取G0+60m(Ⅳ类围岩)、G0+200m(Ⅲ类围岩)两个典型断面进行计算，两个典型断面衬砌内力计算简图见图1—4。

G0+060m断面(Ⅳ类围岩)的检修情况、施工情况的荷载工况见图1—2。

图1 荷载工况(检修工况1)

单位G0+000～G0+19.6洞身G0+019.6～G0+105洞身段G0+105～G0+643G0+140～G0+143.5(竖井)断面形状矩形圆形形圆形方形衬砌轴线半径m1.01.01.0—衬砌厚度m0.70.40.40.6砼强度等级C30C30C30C25运行期内水水头m40.3/040.3/040.3/040.3/0运行期外水水头m372030运行期外水折减系数0.250.250.20.2检修期外水折减系数0.60.30.30.6施工期外水折减系数0.40.40.20.2灌浆压力强度MPa0.30.30.30.3单位弹性抗力MN/m3800350015003500围岩压力计算方法系数法系数法系数法系数法岩石重度KN/m327272727垂直压力系数0.30.250.250.25侧向压力系数0.070.070.070.07ah0.178g0.178g0.178g0.178gTgS0.40.40.40.4

3.4 计算结果

主要内力及配筋计算成果见表3。

表3 隧洞衬砌计算内力及配筋主要成果

图2 荷载工况(施工工况1)

G0+200m断面(Ⅲ类围岩)的检修情况、施工情况的荷载工况见图3—4。

图3 荷载工况(检修工况2)

图4 荷载工况(施工工况2)

通过上表配筋计算结果可以看出，隧洞衬砌结构厚度选择合理，配筋能够满足隧洞各种工况应力计算要求。

4 结束语

本文通过介绍隧洞的受力情况，采用系列软件对大河沿引水工程灌溉洞进行衬砌设计，以满足稳定、运行安全的要求。

为了保障隧洞在施工及运行中的安全，提出以下建议:

(1)现场开挖发现隧洞出口段地址条件较差，成洞条件不良，应做钢衬、固结灌浆或采用钢拱架等处理，具体措施视施工现场而定。

(2)在隧洞掘进过程中，应当保证施工质量尽量采用光面爆破、预裂爆破、微差爆破等先进爆破技术，减少超挖，保证衬砌工作面衬平整。施工中应尽量减小糙率，保持水流平稳，降低空蚀、空化对洞壁的安全隐患。