不同外水压力下输水隧洞结构及配筋计算分析

高祥泽

（水发规划设计有限公司，山东 济南 250000）

关键字：输水隧洞；外水头；边值法；SDCAD；外水折减系数；内力计算

输水隧洞一般为无压隧洞，外水压力是隧洞设计时应考虑的重要荷载，洞段受外水压力影响较大，在设计过程中，若外水压力折减系数取值不当，将直接影响输水隧洞衬砌结构内力计算及配筋结果。因此，根据《水工隧洞设计规范》，结合施工经验，选择合适的外水压力折减系数进行合理输水隧洞衬砌结构及配筋计算分析，是保证隧洞设计安全、经济的关键[1-2]。

本文以某输水隧洞工程为依托，进行三种工况、不同折减系数下输水隧洞衬砌结构及配筋计算。输水隧洞洞段围岩主要为Ⅳ类、V类围岩，外水水头在10～90m不等，计算取外水水头H=50m，通过折减系数变化来反映外水压力变化，隧洞围岩岩体力学参数取值见表1。

1 计算原理与方法

1.1 计算方法

本文输水隧洞结构及配筋计算方法采用边值法，将水工隧洞衬砌结构计算转化为用初参数求解非线性常微分方程组的边值问题。外水压力根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2016）中外水压力计算公式和外水压力折减系数确定。为实现计算程序化，采用SDCAD[3]，对输水隧洞在不同外水压力作用下的内力值计算，并进行单工况配筋及最终配筋计算。

1.2 计算模型

表1 隧洞围岩岩体力学参数取值表

SDCAD软件进行该输水隧洞结构计算时，选取圆拱直墙断面计算模型，隧洞因衬砌结构、荷载分布对称，在衬砌内力计算时应取衬砌结构一半作为计算区间，并将底板、边墙、圆拱分别按1段号、2段号、3段号进行划分并在每段内进行段点号编号。

1.3 计算数据、工况及荷载组合

该城门洞型输水隧洞，衬砌厚度0.4m，洞高2.48m（从底板中心线算起到直墙高度），顶拱半径1.44m，顶拱半中心角62.5°。隧洞围岩岩体力学参数取值见表1，选择Ⅳ类围岩洞段进行分析，垂直压力系数取0.3，侧向压力系数取0.1，计算外水头H取50m，内水压力为2.29m，计算工况取运行期持久状况、检修工况及施工工况，各种工况外水折减系数分别取0.2、0.5、0.75，通过外水折减系数来反映结构所受的外水压力作用。三种工况下的外水压力通过外水折减系数自动求出。运行期持久工况输水隧洞内有内水压力，检修、施工工况洞内无水，无内水压力，围岩压力将通过垂直、侧向压力系数输入后软件自动加载，计算中对衬砌上的弹性抗力不作任何假定，可由计算机进行迭代计算自动求出抗力分布，施工工况考虑灌浆压力，折减后灌浆压力值取0.2MPa，其计算工况对应的荷载组合如下：

运行期：围岩压力+衬砌自重+弹性抗力+内水压力+外水压力；

检修期：围岩压力+衬砌自重+弹性抗力+外水压力；

施工期：围岩压力+衬砌自重+弹性抗力+外水压力+灌浆压力。

2 内力计算结果分析

通过SDCAD软件在三种工况、不同外水折减系数折减后的外水压力作用下计算得到输水隧洞衬砌结构的弯矩、轴力及剪力值及变形值的数据较多，篇幅大，本文仅对运行期持久状况下得到的内力值进行整理、分析，所得底板内力结果见表2，并给出不同外水压力工况下内力图（图1）。

表2 运行期持久工况下不同外水折减系数内力值

图1 运行期持久工况衬砌内力图（βe=0.2）

由运行期持久工况下的内力计算成果以及内力分布图可知，本工程输水隧洞衬砌结构内力图变形规律一致，其内力主要是由外水压力控制，外水压力折减系数βe值越大，所对应的轴力、剪力及弯矩越大，最大值位于底板和边墙交接位置，轴力、剪力在边墙和拱顶交接处内力也较其他部位偏大，弯矩在底板跨中也较其他部位偏大。

检修工况、施工工况应力分布与运行期持久工况相似，因此施工工况在输水隧洞配筋中起决定性作用。

3 配筋计算分析

输水隧洞采用SDCAD进行结构配筋计算时，先进行单工况配筋计算，待每一工况单工况配筋完成后，最后进行最终选筋，选择出满足该输水隧洞结构的钢筋结果。三种工况下不同外水折减系数下的最终配筋如表3所示。

表3 三种工况下不同外水折减系数的配筋成果

4 结论

在三种工况，将外水压力通过外水压力折减系数βe进行折减，再采用SDCAD软件进行隧洞衬砌结构的内力和配筋计算，得到以下结论：

1）由隧洞衬砌结构内力图可以得知，衬砌内力主要受外水压力影响，三种工况下，除边墙和底板交接位置附近外，衬砌的拉压应力均满足设计要求，在设计时要采取一定的措施。

2）在同种工况下不同外水压力折减系数得到的内力分布规律基本一致，折减系数βe越大，内力值越大，对配筋结果要求越高。