洪塘水库深埋长输水隧洞设计及结构计算

彭宗兵，邓 刚，余立伟

（重庆市渝西水利电力勘测设计院有限公司，重庆 402160）

1 工程概况

洪塘水库坝址位于南川区大有镇大堡村1社处，工程所在河流为芙蓉江二级支流三江一级支流石砾河上。水库是一座具有城镇供水、农业灌溉和农村人畜饮水等综合利用的中型水利工程，总库容1111万m3。工程由水库枢纽工程、输水工程及灌区工程三部分组成。输水隧洞位于洪塘水库的NW侧，由隧洞、明渠、渡槽和出水渠组成。隧洞进口位于田家沟引水坝右岸，洞口接田家沟引水坝引水渠，隧洞终点位于鱼枧水库库尾，隧洞在水翠河位置出露，由前后两段组成，隧洞总长13km。输水隧洞级别为3级，设计洪水标准为30a一遇(P=3.33%)，校核洪水标准为100a一遇(P=1%)，隧洞合理使用年限为50a。工程区场地地震动峰值加速度为0.05g，对应地震基本烈度为Ⅵ度，地震反应谱特征周期为0.35s[1]。

2 输水隧洞布置

设计利用隧洞进出口之间区域高程与隧洞高程相近的沟谷出露，增加施工作业面，输水隧洞长13km，由前后两段组成，前段长6.4km，后段长6.6km，隧洞在水翠河位置通过明渠和渡槽连接。在满足隧洞设计最大输水流量7m3/s以及采用悬臂式掘进机开挖施工的要求下，隧洞断面选取城门洞形断面型式，隧洞衬砌后断面为2.7m×2.58m（宽×高），开挖断面为3.7m×3.48m（宽×高）。

3 隧洞地质条件

主洞进、出口地表均为基岩，沿线地质条件较好，隧洞沿线地表高程697.35～1440m，隧洞埋深10～724m，在桩号2+480处穿过德隆背斜，其余无大的断层切割，地表裂隙不发育；隧洞段洞身围岩除有200m为奥陶系下统湄潭组（O1m）夹灰岩外，其余均为奥陶系下统湄潭组（O1m）页岩夹灰岩，岩层倾角平缓，隧洞沿线岩层倾角3°～6°，隧洞洞身页岩围岩以Ⅳ类为主，局部节理裂隙发育段为Ⅴ类，其中Ⅲ类围岩200m，Ⅳ类围岩11920m，Ⅴ类围岩880m。

4 隧洞开挖及衬砌设计

本工程隧洞穿页岩夹灰岩段隧洞长度占整个隧洞场地的98.46%，穿夹层灰岩段隧洞长度占整个隧洞场地的1.54%。页岩夹灰岩天然单轴抗压强度42MPa,悬臂式掘进机可以满足开挖要求，同时工程隧洞后段在桩号SDHD2+629～SDHD6+600段下穿金佛山自然保护区试验区范围，采用掘进机开挖可避免爆破对生态环境的破坏，因此页岩夹灰岩段隧洞推荐采用全断面悬臂式掘进机开挖。隧洞穿越夹层灰岩段长约200m，灰岩天然单轴抗压强度60MPa，悬臂式掘进机开挖开挖效率较低，机械磨损严重，故灰岩段隧洞采用钻爆法施工。

Ⅲ类围岩隧洞开挖后及时支护，采用喷砼挂网，喷射C20混凝土厚度100mm，挂钢筋网设Φ22系统锚杆，锚杆纵横间距为1m，长度2.0m；底板采用0.3m厚C25混凝土衬砌，砼防渗等级W4，在隧洞墙顶拱90°～120°范围内进行回填灌浆。

Ⅳ类围岩隧洞开挖后及时支护，采用喷砼挂网，喷射C20混凝土厚度100mm，挂钢筋网设Φ22系统锚杆，锚杆纵横间距为1m，长度2.0m；边墙及顶拱、底板均采用0.4m厚C25钢筋混凝土衬砌，砼防渗等级W4，在隧洞顶拱90°～120°之间进行回填灌浆。

Ⅴ类围岩岩体较破碎，软岩流变显著，可能产生较大的变形破坏，隧洞开挖后及时支护，采用I18型钢一次性永久支护，并喷混凝土挂网设Φ22系统锚杆，锚杆纵横间距为0.7m，长度2.0m；边墙及顶拱、底板均采用0.4m厚C25钢筋混凝土衬砌，砼防渗等级W4，隧洞顶拱90°～120°范围内进行回填灌浆。

5 隧洞结构计算

工程按限值裂缝宽度设计，裂缝宽度短期组合≤0.3mm，长期组合≤0.25mm。隧洞衬砌采用结构力学方法计算。隧洞结构计算软件采用理正岩土隧洞衬砌计算软件[2]。

5.1 计算工况

基本组合：

1）工况1：正常运行期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+设计内水压力+外水压力）。

2）工况2：检修期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力）。

特殊组合：

3）工况3：施工期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力或灌浆压力）。

4）工况4：校核工况（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+校核内水压力+外水压力）。

5.2 荷载计算

5.2.1 围岩压力

1）Ⅲ类围岩自稳条件好并采取了有效的支护，不考虑围岩压力。

2）Ⅳ类围岩采取了有效的支护，围岩压力按《水工隧洞设计规范》公式计算：

输水隧洞垂直均布围岩压力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

输水隧洞水平均布围岩压力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

输水隧洞避车道垂直均布围岩压力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

输水隧洞避车道水平均布围岩压力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

3）Ⅴ类围岩自稳能力较差，采取了有效的支护后能自稳，围岩压力按《水工隧洞设计规范》公式计算：

输水隧洞垂直均布围岩压力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×3.7=20.20KN/m2

输水隧洞水平均布围岩压力qh=0.05×rb×H=0.0 5×27.3×3.48=4.75KN/m2

输水隧洞避车道垂直均布围岩压力qv=0.2×rb×B=0.2×27.3×7.46=40.73KN/m2

输水隧洞避车道水平均布围岩压力qv=0.2×rb×H=0.2×27.3×4.68=25.55KN/m2

5.2.2 弹性抗力

根据地勘建议物理力学性质指标值计算采用计算值，隧洞工程坚固系数和单位弹性抗力系数建议值表，见表1。

表1 隧洞工程坚固系数和单位弹性抗力系数建议值表

5.2.3 内水压力

由于本隧洞为无压隧洞，内水压力为隧洞内设计水深。本次按设计最大输水流量时隧洞内水深计算，隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩均为2.0m。

5.2.4 外水压力作用在衬砌结构上的外水压力根据《水工隧洞设计规范》进行估算，计算公式为：

根据不同的地下水活动情况按《水工隧洞设计规范》对外水压力进行折减。当有内水组合时，βe取小值，无内水组合时，βe取大值。

根据地质建议，本工程隧洞洞身围岩为奥陶系下统湄潭组第三段（O1m）页岩夹灰岩，洞顶上部有厚达上百米的页岩隔水层，地表水下渗至洞顶的可能性小。因此，隧洞周围无稳定地下水位，但在溶隙、裂隙发育或局部破碎带可能存在渗水或透水可能。本次设计结合国内深埋水工隧洞工程经验，最大外水水头按25m计算，考虑溶洞连通效应及排水措施， 外水压力折减系数(β)取0.3。

5.2.5 动水压力

由于本隧洞为无压隧洞，本次设计未考虑隧洞内的动水压力。

5.2.6 灌浆压力

根据《水工隧洞设计规范》，Ⅳ、Ⅴ类围岩段回填灌浆压力采用0.2MPa。根据《水工设计手册-水电站建筑物》，灌浆压力与外水压力不叠加。灌浆压力大于外水压力时，顶部只计灌浆压力，其余为外水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不计灌浆压力[3]。

输水隧洞不同工况荷载取值情况表，见表2。

表2 输水隧洞不同工况荷载取值情况表

5.3 计算结果

输水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果（底版），见表3；输水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果（顶拱），见表4；输水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果表（侧墙），见表5。

表3 输水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果表（底板）

表4 输水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果表（顶拱）

表5 输水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果表（侧墙）

输水隧洞Ⅴ类围岩段计算成果表（底版），见表6；输水隧洞Ⅴ类围岩段计算成果表（顶拱），见表7；输水隧洞Ⅴ类围岩段计算成果表（侧墙），见表8。

表6 输水隧洞Ⅴ类围岩段计算成果表（底板）

表7 输水隧洞Ⅴ类围岩段计算成果表（顶拱）

表8 输水隧洞Ⅴ类围岩段计算成果表（侧墙）

经计算输水隧洞在各种运用条件中，衬砌厚度采用0.4m 时能满足抗剪要求，裂缝宽度满足规范要求。

6 结 语

长距离隧洞工程应结合地形条件、地质构造、工程布置、围岩岩性、产状及地下水情况以及施工工艺、交通、占地、工程投资等条件进行充分的方案比较论证，选择合理、安全和经济的线路和走向，隧洞轴线尽量避开不良地质条件的影响，同时根据围岩地质条件采取合理的支护方式，选取合理的计算参数取值进行结构复核，确保工程设计措施的安全性与可靠性。