周 亮,趙萬(wàn)強(qiáng)
(吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 吐魯番 838000)
大河沿引水工程位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市大河沿河上游。擬建壩址距烏魯木齊120km,距吐魯番市60km,距大河沿鎮(zhèn)17km。工程主要由擋水大壩、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞組成,是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和重點(diǎn)工業(yè)供水任務(wù)的綜合性水利樞紐工程。
灌溉隧洞布置于左岸山體內(nèi),全長(zhǎng)約635m,開(kāi)挖洞徑2.8m。其中洞身段約510m長(zhǎng)的洞段處于基巖內(nèi),洞頂上覆巖體厚15~60m,圍巖為石炭系上統(tǒng)博格達(dá)下亞群第二組(C3bga- 2)砂巖、粉砂巖、砂礫巖。巖層走向與洞線近于正交,巖層傾角近于直立,斷層不發(fā)育,巖體較完整,成洞條件較好;進(jìn)、出口分別約106m、19m長(zhǎng)洞段處于Ⅳ級(jí)階地堆積的深厚砂礫石層內(nèi),砂礫石層具鈣泥質(zhì)弱膠結(jié),隧洞上覆砂礫石層厚多大于2倍洞徑,在干燥條件下進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)可成洞。
進(jìn)口段:進(jìn)口段設(shè)置在泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞進(jìn)口上游側(cè)10m處,確保水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中,灌溉洞進(jìn)口處做到“門前清”。進(jìn)口底板高程1577.0m,設(shè)置在泄洪放空沖砂兼導(dǎo)流洞邊坡馬道上,進(jìn)口底寬4.0m,T型斷面,邊坡開(kāi)挖坡比為1∶1.75,后接有壓隧洞段,進(jìn)口高程1577.5m,上游設(shè)置橢圓漸變段。
上游有壓隧洞段:長(zhǎng)為140.0m,進(jìn)口高程1577.5m,縱坡i=1.2%,其中進(jìn)口9.6m洞段為矩形洞段,尺寸為2.0×2.0m,后接漸變段,長(zhǎng)10m,由矩形洞變成圓形洞。圓形洞洞徑為2.0m,襯砌厚度0.4m,部分洞段坐落在砂卵石層上,砂卵石層成洞條件較差,該部位襯砌厚度為0.7m。
閘井段:長(zhǎng)為3.5mm,閘井前、后均設(shè)置10m漸變段,設(shè)置事故檢修平板閘門一道,事故檢修平板閘門尺寸為2.0×2.0m。閘底高程1575.96m,底板厚度1.0m,閘井段采用豎井式布置在大壩上游側(cè)山體內(nèi),其頂部高程為1619.3m,檢修門采用卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉,排架設(shè)置在閘室段頂部。閘井頂部平臺(tái)與大壩壩頂之間設(shè)置公路連接。
下游有壓隧洞段:長(zhǎng)為514.5m,縱坡i=1.2%,圓形洞洞徑為2.0m,襯砌厚度0.4m,出口附近為砂卵石洞段,砂卵石層成洞條件較差,該部位襯砌厚度為0.7m,砂卵石洞內(nèi)設(shè)置鋼襯,厚8mm,長(zhǎng)40m,方便生態(tài)管、工農(nóng)業(yè)用水和閥門連接。
出口鎮(zhèn)墩段:鎮(zhèn)墩長(zhǎng)10m,因隧洞為有壓隧洞,出口處隧洞拐彎與下游等高線平順連接,設(shè)置鎮(zhèn)墩,鎮(zhèn)墩厚6m,鎮(zhèn)墩處接一管徑為φ600mm生態(tài)鋼管,出口設(shè)置錐形閥接至河道,鎮(zhèn)墩后部接渠道流量控制閥。
通過(guò)對(duì)隧洞設(shè)計(jì)洞型和地址條件分析,本隧洞的襯砌計(jì)算采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法可滿足計(jì)算精度和要求。計(jì)算荷載考慮山巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、襯砌自重等。計(jì)算假定圍巖與襯砌緊密結(jié)合圍巖對(duì)襯砌產(chǎn)生一定的彈性抗力,在荷載及抗力共同作用下求出襯砌各斷面的彎矩、軸力,然后計(jì)算配筋量,驗(yàn)算襯砌是否開(kāi)裂以及計(jì)算開(kāi)裂寬度。
作用在隧洞上的荷載主要有:
(1)襯砌自重
單位面積上自重強(qiáng)度
g=γhh,γh=24.5kN/m3
式中,h—含超欠挖襯砌厚度。
(2)山巖壓力
q=(0.2~0.3)γB,γ=27.0kN/m3
式中,B—洞開(kāi)挖寬度。
(3)彈性抗力
按文克爾假定
p=Kδ
式中,K—圍巖的彈性抗力系數(shù),δ—襯砌的變位。
(4)內(nèi)水壓力
Ps=γh
式中,h—計(jì)算點(diǎn)的水頭,由壓坡線或水面線確定。
(5)外水壓力
有壓洞取地下水位線以下的水柱高乘以折減系數(shù);
(6)地震力
ah=0.178g,Tg=0.4s
按抗震規(guī)范計(jì)算地震力,上覆巖體厚度15m以上,
地震加速度按0.8倍折減,其他在0.5~1之間按厚度直線內(nèi)插。
(1)正常運(yùn)用情況
襯砌自重+山巖壓力+設(shè)計(jì)水位時(shí)內(nèi)、外水壓力。
(2)非常運(yùn)用情況
襯砌自重+山巖壓力+校核水位時(shí)內(nèi)、外水壓力。
(3)施工、檢修情況
襯砌自重+山巖壓力+可能出現(xiàn)的最大外水壓力+灌漿壓力。
(4)地震情況
襯砌自重+山巖壓力+正常水位時(shí)內(nèi)、外水壓力+地震。
對(duì)于有壓洞,內(nèi)水壓力對(duì)洞身起控制作用,而外水壓力起抵消內(nèi)水壓力的有利作用,所以取外水壓力較小而內(nèi)水壓力較大的工況為控制工況。在以上組合中,取基本組合的正常洪水和特殊組合的校核洪水兩種工況進(jìn)行計(jì)算。
計(jì)算采用計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。
(1)隧洞圍巖分類
隧洞圍巖分類統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。
表1 隧洞圍巖分類統(tǒng)計(jì)表
(2)基本資料
選取有代表性的洞段進(jìn)行典型計(jì)算,各段基本資料見(jiàn)表2。
選取G0+60m(Ⅳ類圍巖)、G0+200m(Ⅲ類圍巖)兩個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算,兩個(gè)典型斷面襯砌內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1—4。
G0+060m斷面(Ⅳ類圍巖)的檢修情況、施工情況的荷載工況見(jiàn)圖1—2。
圖1 荷載工況(檢修工況1)
單位G0+000~G0+19.6洞身G0+019.6~G0+105洞身段G0+105~G0+643G0+140~G0+143.5(豎井)斷面形狀矩形圓形形圓形方形襯砌軸線半徑m1.01.01.0—襯砌厚度m0.70.40.40.6砼強(qiáng)度等級(jí)C30C30C30C25運(yùn)行期內(nèi)水水頭m40.3/040.3/040.3/040.3/0運(yùn)行期外水水頭m372030運(yùn)行期外水折減系數(shù)0.250.250.20.2檢修期外水折減系數(shù)0.60.30.30.6施工期外水折減系數(shù)0.40.40.20.2灌漿壓力強(qiáng)度MPa0.30.30.30.3單位彈性抗力MN/m3800350015003500圍巖壓力計(jì)算方法系數(shù)法系數(shù)法系數(shù)法系數(shù)法巖石重度KN/m327272727垂直壓力系數(shù)0.30.250.250.25側(cè)向壓力系數(shù)0.070.070.070.07ah0.178g0.178g0.178g0.178gTgS0.40.40.40.4
主要內(nèi)力及配筋計(jì)算成果見(jiàn)表3。
表3 隧洞襯砌計(jì)算內(nèi)力及配筋主要成果
圖2 荷載工況(施工工況1)
G0+200m斷面(Ⅲ類圍巖)的檢修情況、施工情況的荷載工況見(jiàn)圖3—4。
圖3 荷載工況(檢修工況2)
圖4 荷載工況(施工工況2)
通過(guò)上表配筋計(jì)算結(jié)果可以看出,隧洞襯砌結(jié)構(gòu)厚度選擇合理,配筋能夠滿足隧洞各種工況應(yīng)力計(jì)算要求。
本文通過(guò)介紹隧洞的受力情況,采用系列軟件對(duì)大河沿引水工程灌溉洞進(jìn)行襯砌設(shè)計(jì),以滿足穩(wěn)定、運(yùn)行安全的要求。
為了保障隧洞在施工及運(yùn)行中的安全,提出以下建議:
(1)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)隧洞出口段地址條件較差,成洞條件不良,應(yīng)做鋼襯、固結(jié)灌漿或采用鋼拱架等處理,具體措施視施工現(xiàn)場(chǎng)而定。
(2)在隧洞掘進(jìn)過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)保證施工質(zhì)量盡量采用光面爆破、預(yù)裂爆破、微差爆破等先進(jìn)爆破技術(shù),減少超挖,保證襯砌工作面襯平整。施工中應(yīng)盡量減小糙率,保持水流平穩(wěn),降低空蝕、空化對(duì)洞壁的安全隱患。