湖北省建始县指阳河排洪洞衬砌计算

湖北省建始县指阳河排洪洞衬砌计算

曹  ,盈

中国葛洲坝集团勘测设计公司  湖北武汉  430070

摘要：指阳河隧洞承担城市排洪要求，4级建筑物，其过流能力按照无压流进行设计，截面净尺寸为4.40m，直墙高4.33m，顶部圆拱半径2.54m，成洞净高5.60m，其结构一次衬砌按照水工设计手册参照同等规模工程相关岩性进行一次支护，二次衬砌主要提高结构耐久性要求。本文主要对隧洞二次衬砌局部计算，混凝土衬砌厚度40cm，钢筋纵向规格6Φ20配置，横向按照构造配置，满足稳定及裂缝抗裂要求，保证工程安全性。

关键字：排洪隧洞，结构尺寸，衬砌计算，结果.

1. 工程概况

建始县指阳河两岸深受水患之扰，对当地人民群众生命财产安全造成严重影响，建始县委县政府及住房和城乡建设局了解情况后高度重视，建议尽快开展指阳河排水防涝治理工作，解决指阳河城区段历年来因排水不畅导致的洪水漫溢及城市内涝问题。根据指阳河及建始县城的特点，结合恩施州已建的防洪工程，提出了指阳河排洪隧洞方案，排洪隧洞起点位于指阳河强盛驾校对岸，终点位于广润河，隧洞设计洪水标准50年一遇，困扰当地居民多年的水患问题有望得到彻底解决。

指阳河排洪隧洞为4级建筑物，设计泄洪流量157.60m3/s（P=2%）。主要建筑物由进水渠段、宽顶堰、进口渐变段、洞身段、出水渠段以及原河道拦挡坝及过流涵管组成，全长1770.00m，其中隧洞段长度1674m。

2.洪水特性

建始县是全国的暴雨中心，洪水主要由暴雨形成。暴雨洪水主要发生在5月至8月。指阳河属典型的山区型河流，流域洪水由暴雨形成，洪水发生时间与暴雨一致，每年4月开始进入汛期，5～9月是本流域暴雨多发季节，特大暴雨、洪水常发生在此时期，而8月本流域常发生伏旱，若遇暴雨也有较大洪水发生。10月以后，副高南移，流域内降水较多，但雨强较小，一般不会形成大洪水。根据1：1万地形图量算，指阳河全流域面积6.83km2，河道长度5.08km，河道平均比降56‰。排洪工程进口断面以上流域面积5.26km2，河道长度3.64km，河道平均比降74.4‰。

根据计算，指阳河排洪工程进口处P=1%设计洪峰流量为177.8m3/s，P=2%设计洪峰流量为157.6m3/s,本次设计标准取P=2%设计洪峰流量为157.6m3/s。

3.隧洞设计标准及结构布置

隧洞主要任务为河道排洪，隧洞排洪流量标准为50年一遇，最大泄流流量为157.6m3/s。隧洞断面采用城门洞型。主要建筑物由进水渠段、宽顶堰、进口渐变段、洞身段、出水渠段以及原河道拦挡坝及过流涵管组成，全长1770.00m（其中隧洞段长度1674.0m）。

进水渠长21m，底板高程553.00m，底板净宽9m；后接宽顶堰，堰顶高程554.00m，堰顶净宽9.0m，顺水流向长度1.0m；以渐变收缩段连接隧洞，进口渐变段长9.0m，底宽由9.0m渐缩至6.0m；隧洞进口段0+016.00～0+050.00段为洞内渐变段，隧洞宽度由6.0m变为4.4m，高度由7.73m变为5.60m，排洪隧洞穿越山体后直达小溪口水库库尾，排洪隧洞全长1674.00m，纵向底坡i=1.06%，出口洞底高程536.00m。隧洞出口明渠段全长72m，其中消力池段长32m，底板高程536.00m；出水渠长15.8m，底板高程538.00m；跌水段长24.2m，底板高程538.00～534.00m。

4.地质条件

从隧洞进出口工程地质条件来看，隧洞进口位于山脚陡坡地带附近，左侧危岩体较发育，自然坡角约65°，表层零星覆盖薄层状第四系残坡积层，下伏白垩系上统正阳组泥质粉砂岩，岩层产状10°∠25°，隧洞走向近135°，与岩层走向（100°）交角为35°，岩体破碎，开挖易坍塌，洞口稳定性较差，应超前支护、防护，同时加强防排水措施。隧洞出口位于山坡坡脚部位，自然坡角约30°，表层覆盖较厚松散第四系残坡积层（3-10m），植被发育，表层松散堆积层有滑坡的风险。下伏志留系页岩，岩层产状120∠25°，隧洞走向近135°，与岩层走向呈大角度相交，岩体较破碎，洞口稳定性较差，应超前支护、防护，同时应加强防排水措施。

5. 隧洞支护型式

因隧洞围岩分为Ⅳ类、Ⅴ类且均为软岩，隧洞支护结构根据设计规范和参照工程经验类比，按照隧洞段不同围岩分类级别，采用不同支护形式。根据规范《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）相关要求，本次主要针对Ⅳ类类围岩工程衬砌结构设计主要内容如下：

Ⅳ类围岩洞身段分为S4a和S4b两种。S4a复合衬砌类型主要用于隧洞Ⅳ级围岩偏差的洞段。S4b复合衬砌类型用于隧洞Ⅳ级围岩偏好的洞段。

S4a衬砌类型：初期支护采用喷锚支护方案， C25喷射混凝土厚度16cm；挂设单层φ8钢筋网，网格尺寸20cm；I16工字钢拱架结构（边墙及顶拱），工字钢间距为1.0m；开挖岩面布置3m长Φ22系统锚杆，间排距1.0m×1.0m，梅花形布置。二次衬砌为C25钢筋混凝土结构（W8F100、二级配），厚度50cm，每隔9m～12m设置一道沉降缝，设652型橡胶止水带，缝间填充闭孔泡沫板。

S4b衬砌类型：

与S4b不同点在于配置的钢拱架不同，

采用I14工字钢拱架结构（边墙及顶拱）。

各衬砌型式见下图1.

6. 衬砌结构计算

1）基本参数

按照Ⅳ类围岩，衬砌厚度40cm设计，

内部过流水位按照4.4m考虑，

不考虑外部渗水，

其衬砌计算参数主要见下表1。

2）围岩压力

隧洞基本上均属Ⅳ～Ⅴ类围岩，隧洞主体洞段为泥质粉砂岩和页岩，作用在衬砌上的围岩压力按下式计算，计算成果见表2，表3；主要计算内力及变形见图2。

垂直方向：qv=（0.2～0.3）γRb                    

水平方向：qh=（0.05～0.1）γRh                 

其中：qv——垂直均布围岩压力，kN/m2；

      qh——水平均布围岩压力，kN/m2；

      γR——岩体容重，kN/m3，取26kN/m3；

      b——隧洞开挖宽度，m，取5.4m；

      h——隧洞开挖高度，m，取6.6m。

用理正岩土计算软件（6.0版）计算，计算得出配筋结果如下：

衬砌内侧纵筋最大面积As=800mm2，外侧纵筋最大面积As=800mm2；拉结筋最大面积Av=440.9mm2。

截面尺寸(抗剪)验算： 满足。

7. 结语

排洪洞一次支护采用钢拱架及锚杆喷混凝土挂网支护，可以保证隧洞安全施工；二期混凝土衬砌支护保证过流断面的平整度，满足耐久性要求，经过同类工程类比，衬砌厚度按照40cm设计，每米内外侧纵向受力筋6Φ20配置，钢筋间距200mm，其配筋率=1884/（435×1000）=0.433%，满足最小配筋率0.2%要求；按照水工混凝土结构设计规范，承受分布荷载厚板，分布筋可选10~16mm，间距200~400mm，本工程构造配置分布钢筋Φ16@400；拉结筋Φ12，沿洞长方向布置间距@200mm，沿洞室断面长度@600mm布置，满足构造及受力要求。截面尺寸满足抗裂要求。

参考文献：

[1]水工设计手册（第二版）（中国水利水电出版社）2014年2月版.

　[2]水工隧洞设计规范 SL  279-2016.

　[3]水工混凝土结构设计规范 SL  191-2008.

[4]乌东德水电站引水隧洞钢衬段混凝土施工技术 [J]. 蒋吉芳,罗平,张宇.人民黄河. 2019(S2).

作者简介：曹盈，1979年12月，女，陕西.咸阳,高级工程师，水利水电工程施工专业.

中国葛洲坝集团勘测设计公司，湖北武汉洪山区秦云路葛洲坝光谷大厦，430070，18607209024.