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      河口村水庫1號泄洪洞洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2018-10-23 02:28:04孫永波杜遠(yuǎn)征
      小水電 2018年5期
      關(guān)鍵詞:洞身泄洪洞河口

      孫永波,杜遠(yuǎn)征

      (黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州450003)

      1 工程概況

      河口村水庫工程位于河南省濟(jì)源市河口村附近的沁河干流上,開發(fā)任務(wù)以防洪、供水為主,兼顧灌溉、發(fā)電、改善河道基流等綜合利用。水庫總庫容3.17億m3,正常蓄水位275.00 m,設(shè)計(jì)、校核洪水位均為285.43 m。工程等別為Ⅱ等,屬大(2)型工程,主要建筑物有混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞等。泄洪洞為2條,均布置在左岸,兩洞軸線相距40 m,擔(dān)負(fù)著泄洪、排沙及放空水庫的任務(wù),均為明流泄洪洞,建筑物級別均為2級,靠河道側(cè)泄洪洞為1號泄洪洞。

      1號泄洪洞由引渠、進(jìn)水塔、洞身段、出口挑流段組成,洞身全長為643.00 m。進(jìn)水塔進(jìn)口高程195.00 m,塔基尺寸49.00 m×33.00 m(長×寬)。1號泄洪洞進(jìn)水口為有壓短管進(jìn)口,分為兩孔,孔口大小4.00 m×7.00 m(寬×高),工作門采用偏心鉸弧門,門后為突跌突擴(kuò)結(jié)構(gòu),突跌跌坎高度1.30 m,兩邊各突擴(kuò)0.50 m。洞身結(jié)構(gòu)起點(diǎn)樁號為1泄0+024.96,樁號1泄0+024.96~樁號1泄0+047.53段為漸變段1段,洞身斷面由兩孔矩形斷面5.00 m×13.59 m(寬×高)漸變?yōu)橐豢壮情T洞型14.00 m×13.50 m(寬×高,矢高2.5 m)。洞身1泄0+047.53~1泄0+097.53段為漸變段2段,洞身斷面由城門洞型14.00 m×13.50 m(寬×高)漸變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)城門洞型9.00 m×13.50 m(寬×高,矢高2.5 m)。樁號1泄0+024.96~1泄0+044.96段洞身縱坡為10%,1泄0+044.96至出口段洞身縱坡為2.338%,兩縱坡間采用半徑30.00 m的圓弧銜接。

      2 復(fù)雜圍巖條件

      1號泄洪洞穿越的地層從進(jìn)口到出口依次為:太古界登封群(Ard)變質(zhì)巖、中元古界汝陽群(Pt2y、Pt2b、Pt2bd)厚層~巨厚層為主的硅質(zhì)石英礫巖、鐵鈣質(zhì)粉砂巖和硅質(zhì)石英巖狀砂巖、寒武系饅頭組(∈1m1~∈1m6)中厚層~薄層為主的碳酸鹽巖類,主要巖性為板狀白云巖、條帶狀灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖、頁巖等。其中∈1m3以泥灰?guī)r為主,巖性軟,遇水軟化,層間有數(shù)層泥化夾層或鏡面,為不穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面,圍巖的洞段穩(wěn)定性較差。

      1號泄洪洞穿過的地層復(fù)雜,斷層裂隙發(fā)育,圍巖條件較差,先后穿越的斷層為F11逆掩斷層、五廟坡斷層帶(F6、F7、F8)及F4、F5等小斷層,Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段長度占70%。其中五廟坡斷層斷距大,斷層帶寬達(dá)70 m,斷層帶物質(zhì)為斷層泥及碎塊巖,為碎裂結(jié)構(gòu),成股水流滲水嚴(yán)重,對洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利(見表1)。

      表1 河口村水庫1號泄洪洞圍巖分類及主要物理力學(xué)參數(shù)

      3 洞身開挖臨時(shí)支護(hù)

      1號泄洪洞洞身開挖跨度大,進(jìn)口洞身結(jié)構(gòu)起算點(diǎn)處開挖寬度達(dá)18.40 m,最小開挖寬度位于隧洞出口處,開挖寬度也有11.00 m。洞身穿過的地層復(fù)雜,圍巖破碎,圍巖穩(wěn)定性較差。為確保泄洪洞施工期圍巖穩(wěn)定和開挖安全,參照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5195—2004),并收集國內(nèi)外同類相似工程的洞身開挖噴錨支護(hù)參數(shù),確定本泄洪洞開挖支護(hù)參數(shù)(見表2)。實(shí)際施工中,對V類圍巖大多洞段增加了鋼拱架支護(hù)措施,鋼拱架間距1.00 m,鋼拱架采用工字鋼型號為22A。

      表2 泄洪洞開挖臨時(shí)支護(hù)參數(shù)

      注:根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露洞身圍巖實(shí)際情況,復(fù)核確定布置鋼拱架等加強(qiáng)措施。

      4 洞身襯砌永久支護(hù)

      洞身襯砌永久支護(hù)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),洞身穿過的地層較為復(fù)雜,根據(jù)圍巖類別、洞身運(yùn)行條件、內(nèi)外水荷載及與襯砌施工特點(diǎn)等,分段采取不同襯砌型式。洞身襯砌厚度沿程變化,分別在2.50~0.80 m之間。

      4.1 計(jì)算方法

      1號泄洪洞為明流泄洪洞,洞身樁號1泄0+024.96~1泄0+044.96段為兩孔矩形斷面,其永久支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》中《帶斜桿帶彈性地基梁的平面框架內(nèi)力及配筋計(jì)算書G—14》。計(jì)算中假定底板為彈性地基梁,考慮彈抗系數(shù)的影響,其他各桿件不考慮彈抗系數(shù)影響,把圍巖壓力作為荷載加上去,考慮剛域及剪切變形的影響,完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。

      本泄洪洞其他洞身段支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)原《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(SD 134—84)推薦,采用邊值法數(shù)值求解,其思路是:將襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡化非線性常微分方程組的邊值問題,采用初參數(shù)數(shù)值解法,并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點(diǎn),以計(jì)算水工隧洞襯砌在各主動(dòng)荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布。無須假定襯砌上的抗力分布,由程序經(jīng)迭代計(jì)算自動(dòng)得出。本泄洪洞其他洞身段支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SDCAD4.0水利版完成。

      4.2 工況及荷載組合

      根據(jù)河口村水庫泄洪洞運(yùn)行情況,將泄洪洞的計(jì)算工況分為運(yùn)行期、檢修期、施工期(見表3)。

      表3 各工況荷載組合

      4.3 初始條件

      根據(jù)河口村水庫洪水特點(diǎn),校核水位工況洪峰值雖較高,但歷時(shí)較短,在山體內(nèi)難以形成穩(wěn)定的地下水位線。所以,泄洪洞洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),假定山體內(nèi)穩(wěn)定地下水位線由庫區(qū)正常蓄水位確定,即正常蓄水位275.00 m。

      根據(jù)本工程地質(zhì)條件并參考同類工程成功經(jīng)驗(yàn),假定泄洪洞洞身在防滲帷幕處上下游外水水頭折減系數(shù)取30%,帷幕前外水位為正常蓄水位275.00 m,帷幕后外水位為線性變化,與泄洪洞出口洞頂連接,洞身最大外水水頭達(dá)87.61 m(見圖1)。

      洞身混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為C30,迎水面混凝土保護(hù)層厚度為165 mm,背水面混凝土保護(hù)層厚度為65 mm,采用限裂設(shè)計(jì),運(yùn)行期最大裂縫寬度允許值為0.30 mm,檢修期最大裂縫寬度允許值為0.35 mm,施工期不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算,山體圍巖壓力垂直壓力系數(shù)取0.2,側(cè)向壓力系數(shù)取0.05。

      4.4 計(jì)算成果

      1號泄洪洞進(jìn)口段由于洞身跨度較大,覆蓋巖體厚度較薄,受斷層及裂隙影響較大,外水水頭較高,局部洞段襯砌厚度較厚,達(dá)到2.50 m,鋼筋直徑達(dá)到40 mm(見表4)。

      圖1 1號泄洪洞縱剖面、圍巖類別、地下水位及洞身樁號

      表4 1號泄洪洞洞身襯砌永久支護(hù)主要鋼筋成果

      續(xù)表4 1號泄洪洞洞身襯砌永久支護(hù)主要鋼筋成果

      5 結(jié) 論

      河口村水庫1號泄洪洞洞身斷面跨度較大,漸變段長度較長,穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜,圍巖穩(wěn)定較差,成股水流滲水嚴(yán)重,Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段約占70%,影響洞段較長,對洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受制條件較多。本設(shè)計(jì)采用合理的邊界參數(shù),根據(jù)不同洞身斷面采用合適的計(jì)算方法,得到可靠的設(shè)計(jì)成果。在此基礎(chǔ)上,該泄洪洞已于2013年順利建成完工,并于2017年10月通過竣工驗(yàn)收。目前1號泄洪洞安全運(yùn)行超過5 a,運(yùn)行狀況良好。

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