某水库放空冲沙兼导流洞结构配筋设计

曹凯

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆 吐鲁番 838000）

1 工程概述

新疆托克逊县某水库主要任务为农业灌溉和工业供水，遏制灌区地下水超采，是一座具有综合效益的水库枢纽工程。主要建筑物由右岸至左岸分别为放空冲沙兼导流洞、溢洪洞、沥青砼心墙砂砾石坝、灌溉放水洞组成。水库的总库容为1440万m3。水库枢纽的工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型水库。放空冲沙兼导流洞布置在河床的右岸，是一条具有多种通途的水工隧洞。放空冲沙兼导流洞在水库大坝工程截流后的施工过程中承担施工导流任务，在水库完建后，正常运行期间由该隧洞完成冲沙、放空任务。汛期泄洪时应可考虑开启该隧洞以集中排泄泥沙；非汛期水库水位保持正常蓄水位905.00m，根据河流径流分配情况和运行期泥沙观测资料，结合来水量合理制定冲沙调度方案，定期冲沙，保证隧洞进口门前清，减少水库泥沙淤积，确保大坝安全和正常使用。

2 工程地质情况

工程区位于中天山山脉博罗科努山和天格尔山北麓，吐鲁番盆地西缘，地势西高东低，高差悬殊。托克逊县某河发源于天格尔山北麓，河道蜿蜒于峡谷中，总体流向北东，出山后汇入阿拉沟河，河道全长68km，河槽纵坡46‰左右，河谷狭窄，宽度60～150m。流域上游为高山区，属天山主峰中段，山势高峻雄伟，奇峰重叠，主要分水岭为末日落克山主峰，最高标高为4433m，3800m标高以上常年积雪，相对高差1000～1500m，山脉走向NWW；干查拉沟至托克逊县某出口属中低山区，山顶标高1400～3000m，相对高差800～1000m，两岸零星分布有Ⅰ～Ⅳ阶地；托克逊县某出口下游为冲洪积堆积平原，标高＜700m。

根据GB18306-2015版1：4×106《中国地震动反应谱特征周期区划图》和《中国地震动峰值加速度区划图》，该区基本地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震动峰值加速度为0.20g，对应的地震基本烈度为Ⅷ度区。

放空冲沙兼导流洞设计为城门洞型，布置于右岸山体内，隧洞段长约426.90m，隧洞进口位于坝前冲沟出口坡脚，出口位于下游坡脚。隧洞沿线地表一般基岩裸露，洞顶上覆岩体20～90m，围岩为华力西晚期第二次侵入红色花岗岩（γ2c4）。隧洞沿线节理裂隙较发育且低序次小断层，其中顺坡向的卸荷裂隙走向与洞向交角较小，主要发育于强风化带内，弱风化层至新鲜岩体内节理多呈现闭合状，与洞向呈大角度斜交，倾角陡。

3 结构布置

放空冲沙兼导流洞有压段桩号0+000～0+121.97 ，全长121.97m，隧洞断面形式采用3m×3.50m城门洞型，纵坡i=8.26%，有压段隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为0.60m，桩号为0+111.97 ～0+121.97 为渐变段，由3m×3.50m城门洞型渐变为3m×3.50m的矩形断面；无压段桩号为0+141.07 ～0+426.91 ，总长为285.84m，无压段断面形式采用3.00m×4.00m城门洞型，纵坡i=3.76%，无压段隧洞采用钢筋砼衬砌，衬砌厚度为0.60m，在桩号为0+141.07 ～0+151.07 为渐变段，由3.00m×4.00m矩形断面渐变为3.00m×4.00m的城门洞型。

4 衬砌配筋计算分析

放空冲沙兼导流洞配筋计算采用由北京理正软件股份有限公司设计的《理正岩土工程计算分析软件》，计算出该隧洞的不同工况下的配筋要求，通过比对分析，确定隧洞配筋大小。

4.1 计算参数

根据《新疆托克逊县托克逊县某水库地质报告》，该工程地质力学指标见表1。

表1 放空冲沙兼导流洞工程地质力学指标表

选取桩号0～35有压洞段为典型进行计算，f=3，K0=17.00 MPa/cm。

4.2 计算工况

放空冲沙兼导流洞荷载组成及工况组合详见表2，计算图详见图1、图2及图3。

图1 工况Ⅰ及工况Ⅲ计算简图

图2 工况Ⅱ及工况Ⅳ计算简图

图3 工况Ⅴ计算简图

表2 放空冲沙兼导流洞荷载组成及工况组合表

4.3 计算结果分析

计算原理：各种荷载单独作用下，求出衬砌中的弯矩和轴力，然后根据荷载组合进行叠加。计算方法为公式法，采用理正隧道衬砌设计软件进行计算，计算结果详见表3。

表3 放空冲沙兼导流洞荷载组合参数及计算结果统计表

通过以上5种工况下计算出的内侧及外侧纵筋最大面积As，可以得出在工况Ⅳ：内水水压+限裂的情况下，对钢筋的需求最大为5767.60mm2，则该段放空冲沙兼导流洞内外侧受力钢筋选取7φ32@150，分布钢筋选取φ20@200。

5 结论

利用计算软件进行结构计算，分析放空冲沙兼导流洞在不同工况下对配筋的面积需求，对于导流洞衬砌结构而言，按照最不利工况下的配筋面积选取钢筋，既能提高导流洞建设的质量，同时也最大限度地防止裂缝的出现和发展。现今隧洞结构利用软件计算，在解决实际的复杂问题中的作用显得越来越明显。运用软件对水库工程放空冲沙兼导流洞进行结构配筋计算，减少了结构计算时间，提高了计算精确度，为工程设计提供理论依据。