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1、第1章 引 言1.1 工程概况柴石滩水库位于中国云南省昆明市宜良县境内，是珠江流域规划中南盘江中下游梯级的龙头水库，距昆明市84km、距宜良县28km。水库控制流域面积4556km2 。混凝土面板堆石坝，最大坝高103m，坝顶长309.8m。坝址处多年平均流量48.4m3 /s，年径流量15.3亿m3 。水库正常蓄水位1640.4m，总库容4.37亿m3 ，有效库容2.55亿m3 ，为多年调节水库。坝后式电厂，装机容量3×20万kW，最大引用流量111.6m3 /s，设计水头62.2m。 坝址河谷呈"V"形，两岸地形基本对称，在坝顶高程以下，右岸山坡坡度30
2、76;37°，左岸坡35°37°。坝段基岩主要为砂岩、页岩、砾岩、白云岩等。 引水发电隧洞布置在大坝左岸山体内，主副厂房及升压站布置在大坝左岸下游坝脚处。引水发电系统的主要建筑物包括：进口明渠、进水塔、隧洞、岔道、主副厂房及升压站等。引水隧洞长377m，洞径6.4m，底坡i=0.01。地震基本烈度6.5度。 柴石滩水库混凝土面板堆石坝是目前我国在建的100m以上高面板坝之一。1.2 设计范围本设计范围，包含从隧洞进口开始到压力钢管末端处止。设计内容，包含设计参数选择、隧洞总体设计、水力设计、一次支护设计、不良地质洞段处理、细部设计、施工技术要求及其他辅助设施设计。
3、1.3 设计主要思想设定本引水隧洞埋深较大，所经过的大部分地段围岩地质条件较好。但因隧洞穿越地层多，沿线工程地质条件、水文地质条件复杂，且不易搞清。目前地下结构设计理论尚不完善，要用多种理论和方法进行分析计算。充分考虑隧洞沿线的复杂地质条件，特别是不良地质洞段，针对不同地质条件，作出合理的设计。设计中应详细地对各种条件下的围岩稳定进行分析，注重围岩的加固，采用新奥法(NATM法)施工，充分发挥围岩的承载能力，做到简化衬砌结构，加快施工进度，缩短工期，降低工程造价。第2章 设计基本资料2.1 综合利用要求柴石滩水库具有灌溉、发电、防洪、工业用水及生态环境保护等综合效益。2.2 工程等级与建筑物级
4、别本工程水库总库容4.37亿m3，装机容量3×20万kw，按水电枢纽工程等级划分及设计安全标准(DJ180-2003)规定，枢纽工程等别为等，工程规模为大（2）型，发电(或引水)隧洞为本工程之主要建筑物，应按2级建筑物设计。2.3 工程地质水文资料本隧洞区属亚热带高原季风气候区，雨量充沛，年平均降雨量在 1100 毫米左右，流域面积广阔，水资源、矿产资源、植物资源十分丰富。冬暖夏凉，干湿季节分明的特点。流域多年平均降水量921.1mm,而510月的汛期降水量达798.2mm，占全年降水的86.7%。流域多年平均径流深338.2mm,年径流系数为0.37。地形地质条件优越，淹没损失较小
5、，坝址区为横向谷，坝段长550m，河道平直，河道流向S50oE，河底高程1551556m，比降0.2%河谷呈“V”形，两岸地形基本对称，右岸坡稍内凹，在坝顶高程1648.8m以下地形坡度为30o70o，坡面较平整，以上为40o60o，坡面起伏较大，并有坡壁相间，局部还有小陡壁，坝顶以上坡度为40o50o。坝区的地层有前震旦系牛头山组（Ptn）、上震旦系南沱组（Zbn）、陡山组（Zdb）和灯影组（Zdbn）为一套以碎屑岩为主和上部碳酸盐岩沉积岩系, 坝基大部分置于Ptn 、Zbn、Zdb和 和Zdbn厚达数百米的石英砂岩、冰积砾岩、粉砂岩、页岩及硅质白云岩之上，, 两坝肩局部置于Zdbn粘板岩、
6、砂质白云岩上。坝基弱风化岩体除个别页岩层及特殊构造带湿抗压强度小于25MPa外,其余均大于50MPa， 均能满足强度要求。坝基河床冲积层厚58 m，为砂卵石及漂石。2.4 水位及引用流量 (1) 水库水位水库正常蓄水位：1640.4m；水库死水位(最低)：1605.0m； (2) 引用流量本引水系统最大引用流量111.6m3/s；(3) 特征水头设计水头（计算水头）62.2m；最大水头76.42m；最小水头48.4m；加权平均水头58.24m；坝趾高程为：1543.2m。2.5 地震烈度(1) 基本地震烈度：6.5度；(2) 设计地震烈度：6.5度。第3章 隧洞布置与洞径复核与优化3.1 隧洞
7、布置根据地形地质条件结合枢纽总体布置，引水系统布置在左岸山体内，由进水口、引水隧洞以及压力管道组成。引水系统轴线按垂直、侧向埋深符合规范要求的条件下，力求是轴线最短的原则确定。根据枢纽总体布置，在左岸山体处布置电站引水隧洞进水口。进水口底版高程根据水库1605.00m的死水位以及淹没深度、泥沙淤积等确定为1594.00m。由于最大引用流量为111.6m3/s，为了降低洞内流速，减少水头损失，避免设置调压井，降低工程造价，加快施工进度，电站采用单管集中方式供水，压力钢管之后设置分叉管，并在每台机组之前设置事故阀门，以保证任意一台机组检修或发生事故时不致影响其他机组运行。引水隧洞从控制点A1开始，
8、与坝轴线成90°角延伸到控制点A2，然后右转60°角，继续向前延伸到控制点B1。每次转弯半径均为32m。详见平面布置图。3.2 隧洞围岩的覆盖厚度3.2.1 隧洞围岩的最小覆盖厚度水轮机蜗壳轴线高程为1533.51m，进水口高程为1594.00m，死水位1605.00m按照抗抬理论规定，不衬砌有压隧洞的最小覆盖厚度，一般按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定(图1)。即D³ Pgw K /(gRcos) (3.1)式中：gR 岩体的重度，gR =g=2.6×9.81=25506 N/m3；gw水的重度，gw=9800 N/m3K 安全系数，取1.3
9、0； P 内水压力，为隧道计算点高程与死水位高程之差与动水压力之和，取P=1605+0u2/(2g)，隧洞水流速取u=3.50m/s，0=1.0，P=1605.6；山边坡角，因引水隧洞基本与河道平行，故取0°；D 围岩覆盖厚度。代入计算有D0.48P1）洞身前端与进口渐变段衔接处P=11.6m，按式（3-1）有D=5.6 m；2)洞身斜井段 P=1605.6-，3)洞身平洞段，P=1605.6-1533.51=72.09m。3.3 隧洞断面尺寸选择3.3.1 形状与尺寸选择原则隧洞断面形状选择应考虑的主要因素有：隧洞流态、流速、地质条件、地应力情况、围岩加固形式及施工方法等。应综合考
10、虑，并通过技术经济比较确定。(1)有压隧洞多采用圆形断面，地质条件差时宜选用圆形或者马蹄形；无压隧洞宜采用圆拱直墙断面。流速大小对断面形态有重要影响，流速控制流速水头损失，按引水要求采用3.5m/s的流速。有压隧洞的过水能力仅取决于洞全长的水头损失,而与洞的纵坡无关,与洞的埋深即洞在上游水位下的深度无关.通常，为了见效隧洞的内水压力荷载值,有压隧洞洞线应尽量抬高,但是必须保证在任何工作条件下，或非恒定流的情况,洞顶处的水压力值不得小于1.52.0m.(2) 地质和地应力条件，主要涉及围岩稳定问题。地质条件差时，选用大断面，围岩稳定可能无保障，这时需要选用两条或两条以上小断面隧洞代替。在高地应力
11、地区的隧洞，断面高宽比，应与地应力条件相适应。若水平地应力大于垂直地应力时，可采用高度小而宽度较大的断面；若垂直地应力大于水平地应力时，可采用高度大而宽度小的断面。(3) 从围岩受力条件考虑，曲线形边界受力条件较好，直墙式受力条件较差。对施工而言，直墙、平底有利于开挖出渣和衬砌。应根据实际情况选择。3.3.2 横断面选择一般情况下，有压水工隧洞横断面形状宜选用圆形或马蹄形，在地质条件差时，更是如此。进出口和渐变段等洞段可采用方形或矩形。本工程采用有压隧洞引水，地质条件一般，侧向应力不大，采用圆形断面。便于采用钻岩机开挖，加快施工进度；水力特性好，同样的断面，具有最大的过水能力；有内外压力作用下
12、，受力条件最好。3.3.3 隧洞横断面尺寸的经济比较隧洞横断面尺寸的确定，关系到隧洞的造价和工程效益。隧洞长达377m，其投资占整个工程投资的比重比较大。因此，用动能经济分析来确定其断面尺寸。根据工程的特点，用综合分析法分析：根据各隧洞断面尺寸方案的经济、技术指标的优劣程度，进行综合分析而确定方案。首先由动能经济计算初步确定隧洞断面尺寸，所用公式和计算成果如下：1) 彭德舒公式 (3.3)代入计算有D=5.3m2) 经验公式 (3.4)或 (3.5)代入计算分别有D =5.0m以及D =6.0m3) 理论计算公式 (3.6)代入计算得D=4.71m由此初步确定断面直径为6.0m，对应的流速为=
13、3.94m/s 按隧洞整体取值，初步取=3.5m/s，此时计算断面为=6.4m3.4 隧洞纵坡设计隧洞纵坡设计中主要考虑了以下因素：(1) 隧洞进出口满足进出口水力学要求；(2) 隧洞纵坡应满足施工要求，底坡控制在0.5%1%以内，便于施工期和检修期排水及施工机械运行；(3) 隧洞纵坡不宜在隧洞中部向上凸，以免中部压坡线不满足要求；(4) 隧洞进口高程1594.0m，出口(末端)高程1533.51m。除去坝内埋管段，初步取隧洞纵坡i=1%。其中靠近坝内管段，因断裂破碎带发育，采用斜井，坡度为1:1.7，转向平洞段转弯半径为32m。第4章 进水口设计4.1 进水口布置设计电站进水口为深式进水口，
14、受地形及断层的限制，进水口布置只能在小范围内选择，以下对进水口布置型式进行三种方案的比较。图1中采用拦污栅与竖井分设的布置型式，其间用交通桥相接。此布置方式开挖工程量较小，边坡开挖高度也不大。但拦污栅塔结构抗震性能差；还需在拦污栅与竖井间，竖井与公路间设交通桥，为满足运输要求，交通桥建筑级别较高。总之，整个布置不紧凑。图2中的布置方式，整体稳定及抗震性能最好，开挖工程量最大，同时不可避免的存在高边坡的处理问题。进水塔置于震旦系南沱组（zbn）页岩上，高边坡处理工程量大，若处理不还对今后的工程运行将产生极为不利的影响。图3中采用拦污栅塔与闸门井相结合的布置型式，整体性好，可避免高边坡处理问题。与
15、图2相比较，开挖工程量小，塔基可置于上震旦系南沱组（zbn）页岩上。岩石完整，地基承载能力满足进水塔基础承载力的要求。但结构的抗震性能相对较差，鉴于国内其他已建工程的经验，综合权衡，选定进水口的布置型式为图3所示。但必须对进水塔结构作详细的动力分析，进一步论证进水塔的抗震性能，同时还需采取相应的抗震措施。4.2 进水口体型设计4.2.1进口高程选择有压进水口应低于水库运行中可能出现的最低水位（死水位），并有一定的淹没深度，以避免出现漏斗状吸气漩涡，并防止有压引水隧洞内出现负压，同时有压进水口的底部高程应高于设计淤泥高程。初步设计确定的水库死水位为1605.0m，进水口高程适当低一些，在特殊干旱
16、年份可利用水量就会多些。根据已建工程的原型观测分析表明，不出现吸气漩涡的临界淹没深度可按下面的戈登（J.L.Gordon）经验公式估算。 (4.1)式中：d闸门孔口高度，取6.4m； v闸门断面的水流速度，取v=3.5m/s； 闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度（m）； C经验系数，C=0.550.73，取0.55。代入计算有=4.7m。为便于计算及安全考虑，取临界淹没深度=5.0m。综上所述，同时考虑在进水口底坎高于淤沙高程的原则下，初选进水口高程为1594.0m。4.2.2 拦污栅布置柴石滩水库多年平均输沙量为60万M3，水库运行按100年考虑设计，泥沙淤积总量为6000万M3。无排沙排污
17、设施。其引水道进口污物的清除，对于电站的安全运行尤为重要。考虑到库水位涨落幅度大，且上游人畜分布密集，汛期污物排放量大，采用清污机清污的方式。拦污栅布置3孔，每孔宽4m，高12m，控制过栅流速，减小水头损失。在拦污栅前后埋设水位计，运行过程中可随时了解拦污栅的污物堵塞情况，及时清污以保证电站的正常运行。4.2.3 进水口轮廓尺寸的选定进水口的轮廓尺寸主要取决于三个控制断面的尺寸，即拦污栅断面、闸门孔口断面和隧洞断面。进水口的轮廓应能光滑地连接着三个断面，使得水流平顺，流速变化均匀，水流与四周侧壁之间无负压及涡流。电站设计水头62.2m，属中低水头电站，水头损失对电站出力影响较为明显。进水口的轮
18、廓尺寸及线型设计，须尽可能保证最优的水流条件，尽可能减少水头损失，在闸门前设置矩形喇叭型进口。喇叭形进口在垂直面上系由一1/4的椭圆曲线组成。喇叭口的顶板曲线和边墙通常采用椭圆曲线，其方程为：式中：a为椭圆长半轴，对于顶板曲线约等于闸门处的孔口高度H，对于边墙曲线约等于闸门处的孔口宽度B；b为椭圆短半轴，对于顶板曲线约为H/3，对于边墙曲线约为（1/51/3）B。但考虑到进水口整个面积较大，拦污栅启闭困难喇叭口分为3孔，顶部方程为；后部收缩段的两侧曲线设计为两圆弧相切的曲线，圆弧半径为R1=6.85，R2=4.60。喇叭口尺寸为宽×高=4m×12m,三孔，如图4 所示。为保
19、证电站安全运行及遇到突然事故时，能及时截断水流，以应付突发事故及检修的需要。设置事故闸门和检修门，其尺寸为7m×7m，均为平板闸门。工作闸门后井壁上设两个1m×1m的通气孔至塔顶，外口设栅栏保护。检修闸门和工作闸门的启闭由卷扬机完成。进水塔靠近山体一侧设交通桥与岸边公路相连。在闸门之后设置一个矩形断面过渡到圆形断面的渐变段。渐变段的受力较为不利，因此其设计应尽可能短些，其长度一般为隧洞直径的1.52.0倍，现取长度为16m。如图5所示，1-1断面为渐变段与闸门衔接面，3-3断面为渐变段与隧洞衔接面。圆角半径r可按直线规律渐变为隧洞半径R，i=1:12。侧面扩散角以为宜。4.
20、3 工程处理措施靠近进水塔的断层，设计中采取回填混凝土塞，固结灌浆，加固这部分围岩。进水塔基础潜入基岩3m，以利用四周的围岩支撑作用，来增加塔体的稳定。塔基基底及侧向围岩接触面打锚杆，山体的开挖回填部分用低标号混凝土回填，以增强进水塔的抗震性能。第5章 隧洞水力设计5.1 水力学计算原则及计算假定1）执行水利水电工程技术设计阶段引水式水电站水道水力学计算大纲范本规定。2）根据建筑物的等级,确定洪水位的高程、下泄流量和相应的下游尾水位,作为设计的校核情况、设计情况分别进行计算。3）在计算调压室的最高和最低涌波以及进行压力管道内的水锤计算时,要计算电站的开机与关机的条件：关机情况按有关规范规定,负
21、荷由100%0，引水道内流量由Q max0，相应的上游应为最高水位。开机情况其他机组均满负荷，瞬时开启最后一台机组，流量由Q p Q max，即Q p qQ max。相应的上游为最低水位。4)引水系统水力计算选用糙率系数时,计算调压室内最高涌波时取小值,计算最低涌波取大值。5）按照初步总体设计，引水口底版高程为1594.00m不再改变。5.2 隧洞压坡线计算5.2.1水头损失计算压力引水隧洞分首端渐变段、标准圆形段、末端渐变段、压力钢管段，其中标准圆形段又分上弯管段、平洞段；平洞段底坡为1%。对钢筋混凝土结构，初步计算衬砌厚度为0.3m。末端渐变段后为压力钢管，管壁厚度为11mm，钢管外回填混
22、凝土厚0.4m。水头损失可按下列公式计算：对于局部水头损失： （5.1） 式中：局部水头损失，m； 局部水头损失系数； 发生局部水头损失以后（或以前）的断面平均流速，m/s； g重力加速度，9.8m/s2.对于沿程水头损失： （5.2） 式中：沿程水头损失，m； 沿程水头损失系数，可用公式解得，n取0.014； 沿程长度，m； v管道中的断面平均流速，m/s； d管道直径，m； g重力加速度，取9.81m/s2。计算成果汇总如下表5-1表5-1 水头损失计算成果表类型计算段长度（m）水头损失系数水头损失（m）（m）局部水头损失进口渐变段160.050.03120.2546上斜第一弧面16.75
23、0.07590.0474上斜第二弧面16.420.07470.0466平面第一转弯33.490.10740.067末段渐变面200.10.0624沿程水头损失斜井段131.310.01530.19590.6189平洞段245.690.01530.3665压力钢管段150.01530.0565根据表5-1，取引水隧洞总水头损失=0.87m5.2.2 压坡线的绘制不计进水口水头损失，直接从渐变段进口绘制。结果见附图BS1。（1）通常不允许隧洞在负压下运行。为安全计，规定最低压坡线应高于洞顶2m。通过计算，若最低压坡线低于规定时，可降低隧洞高程，或加大洞径，或收缩隧洞出口，或综合采取这些措施进行调整
24、。需要指出的是，在长隧洞设计中，若水头损失计算参数取值不准，对压坡线计算影响较大，应予以注意。(2) 以压力钢管末端轴线所在高程为基准面，从引水隧洞进口断面轴线处水流具有的总水头T0开始，由上游至下游逐项逐段将各损失水头累减，便得出各断面处的总水头；再用直线将各断面处的总水头相连，便得出总水头线；继而用各断面处的总水头减去该断面处的流速水头，便得出各断面处的测压管水头(z+p/r)；用直线将各断面上的测压管水头连起来，便得出压坡线。5.3 水锤计算水锤计算分两种情况进行：正水锤计算和负水锤计算。正水锤计算的主要目的是绘制引水道沿线可能最大的内水压力分布，为结构设计提供依据，此时水库水位为正常蓄
25、水位1640.4m，下游水位为最低尾水位456.72m，忽略水头损失，则计算全水头为111.4m。考虑丢弃全负荷，即水轮机开度有1变为0。关机毛时间=14s，有效关机时间为=0.7=9.8s。负水锤计算主要目的是推求管道弯点富余水头，检查产生负压的可能性。此时，水库水位为死水位1605.0m，下游用最低尾水位1529.0m。进行水锤计算，最重要的是求出最大值。对于阀门直线关闭情况的水锤，根据最大压强出现的时间可归纳为两种类型：第一相水锤和极限水锤。对于水锤压强的计算应首先判别其发生的是何种类型的水锤，其判别式是：第一相水锤；极限水锤上述判别式中：水锤常数，；起始开度；C管道中的波速，取1200
26、m/s；管道中的最大流速；g重力加速度，取9.81m/s2；H0初始水头，取76m。将数据代入计算有：=2.82，因此。由此可知，引水压力管道中将发生极限水锤。研究证明，当压力管道末端出现极限水锤时，无论是正水锤还是负水锤，管道沿线的最大水锤压强都是按直线规律分布，如图51中虚线所示。若管道末端A点的最大水锤为和，则任意点P的最大水锤 （5.3）和 （5.4）式中：A点水锤相对压强； P点正水锤相对压强； P点负水锤相对压强。 （5.5）式中：表示阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率，。正常蓄水位时，将L=377.0m，,g=9.81m/s2,H0=76m,Ts=9.8s代入（5.5）计算
27、得，。死水位时，将L=377.0m，,g=9.81m/s2,H0=76m, Ts=9.8s代入（5.5）计算得，。根据以上所述及计算可得水锤压力情况见表5-2表5-2 水锤计算成果表/水锤类型水锤压力变化备注正水锤极限水锤26.79m由10负水锤极限水锤20.52m由10负水锤管道上弯点的富余水头1.65m5.4 隧洞的通气设计通气和通气设施是隧洞中不可缺少的重要组成部分。压力隧洞中，排水时需要补气，充水时需要排气。这里所谈的通气问题与掺气减蚀所谈的通气问题不同。目前，还无法对通气作出数字分析，只能根据试验和原形观测资料，由经验判断决定。此处用一般常用的方法计算与通气相关的数据：5.4.1 最
28、大需气量1) 我国一些明流隧洞的观测资料经验公式： （5.6）取为单机引用流量计算，=111.6m3/s，则=11.1622.32m3/s2) DL/T 5039-95推荐公式： (5.7)取Vw=3.5m/s，A=3.14156925*6.4/4代入计算有=10.13 m3/s初步设计取=15 m3/s。5.4.2 通气孔的风速通气孔的平均风速取15m/s，也即通气孔的面积为1m2。第6章 隧洞结构设计6.1 设计原则及假定隧洞的开挖，使得原始应力场重新分布，在孔口周边产生了应力集中。若围岩的强度足以承受集中后的应力，即使没有采取任何加固措施，开挖后的围岩也是稳定的；若围岩强度较低，就需要采
29、取加固措施。对围岩的加固，一般应遵循下列原则和基本假定：(1) 一切加固围岩的工程措施，都是为了加固不良围岩、维持围岩稳定；(2) 应当把所采取的工程措施(如支护、衬砌等)与围岩视为统一的复合体，即考虑支护和衬砌与围岩的共同作用；(3) 在支护、衬砌与围岩的复合体中，围岩应当是承受荷载(如内、外水压力等)的主体，因此，应最大限度的利用围岩，充分发挥围岩的作用；(4) 为了节约投资，加快水工隧洞的建设速度，应当尽量地把加固围岩所采取的措施压缩到最小的限度以内，并充分发挥其作用；(5) 以充分考虑围岩承载能力的基础上，应因地制宜地采用相应的加固措施，以维持围岩的稳定性；(6) 考虑到水工隧洞的特点
30、，加固措施还应满足水流摩阻小、水量渗漏损失少的原则；衬砌采用混凝土或钢筋混凝土衬砌时，按限裂宽度为0.2mm进行限制；(7) 内水外渗将危及围岩、山坡及临近建筑物的安全时，应结合岩体覆盖厚度、围岩条件，综合分析选用堵(如衬砌、灌浆)、截(如设置防渗帷幕)、排(如排水孔、排水廊道)等措施，以改善加固结构与围岩的工作条件；(8) 对于水工隧洞的设计，应当做到勘测、设计、施工及监测紧密结合。以上几点是相互联系、相互制约的，设计时要统一考虑，综合分析。由于本隧洞前110m处于zbd、zbdn1接触带假整合面，围岩稳定性较差外，其余地段围岩完整，稳定性较好。6.2 加固及衬砌形式选择水工隧洞设计规范(D
31、L/T51952004)及有关地下工程的规范规定，将围岩分为稳定、基本稳定、局部稳定性差、不稳定和极不稳定五类。在各类围岩中详细地描述了该类围岩的岩体特征、结构面及其组合状态、地下水状态及毛洞自稳能力等。不论哪种分类，所依据的都是围岩的自然特征。一般，围岩的自然特征划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构及散体结构，根据围岩的特征及其隧洞的作用选用加固形式。根据围岩分类，引水隧洞类围岩占71%，类围岩约占29%。由于引水隧洞为十分重要的水工建筑物，建筑物等级为2级，应采用全衬砌方式进行支护。开挖过程中应进行一次支护，确保围岩稳定和施工安全。对III类围岩段，采用系统锚杆加固。对表面裂隙发育或者具
32、有碎块的岩石，采用挂钢丝网喷混凝土作一次支护。 6.3 设计荷载确定及荷载组合6.3.1 设计荷载确定6.3.1.1 围岩压力考虑把岩体作为主要承载结构，对开挖后的孔口周边应力进行分析，必要时进行加固处理，即在未支护前，可按下式估算垂直围岩压力：q=(0.10.2)gB (6.1)取系数0.15计算，有q=24.48 kN/m2。 普氏理论法塌落拱高度： (6.2)顶拱为圆弧时的围岩垂直荷载：q=0.7×gh (6.3) 侧向围岩水平荷载： (6.4)式中：H 断面开挖高度，7m；B 洞室开挖宽度，7m；h 围岩可能塌落高度，m；e1 洞顶部侧向围岩水平荷载，kN/m2；e2 洞底部
33、侧向围岩水平荷载，kN/m2；f 围岩坚固系数，取f=1.52，；q 围岩垂直荷载，kN/m2；g 围岩重度，平均值25.5kN/m3；fK 换算摩擦角(°)，取fK=60°65°；mm=0.2220.268计算成果见表6-1： 围岩压力系数法q=Sy×g×B (6.5)e=SX×g×h (6.6) 式中：Sy 垂直向围岩压力系数，取0.4；Sx 水平向围岩压力系数，取0.05；h 洞室开挖高度，7.0m；B洞室开挖宽度，7.0 m；e 侧向围岩水平荷载，kN/m2；q 围岩垂直荷载，kN/m2；g 围岩重度，kN/m3；计
34、算成果见表6-2。表6-1 普氏理论法计算围岩压力成果表计算点(桩号)g（KPa）e1（KPa）e2（KPa）fm0+032.7525.0652.5344.282.215.3020.2220+147.3125.6603.5864.154.6111.191.50.2680+183.3125.6652.5345.342.235.4320.2220+216.8025.6652.5345.342.235.4320.2220+357.0025.6603.5864.154.6111.191.50.2680+377.0025.5603.5864.154.6111.191.50.268计算点(桩号)gSxeS
35、yq0+032.7525.00.058.750.470.00+147.3125.60.058.960.471.680+183.3125.60.058.960.471.680+216.8025.60.058.960.471.680+357.0025.60.058.960.471.680+377.0025.60.058.960.471.68表6-2 围岩压力系数法计算围岩压力成果表3.1.2 内水压力水荷载是水工隧洞的主要荷载。对有压隧洞，内水压力等于水库水位减去计算断面处的总水头损失，特殊荷载尚应该加上水锤压力水头。内水压力按隧洞分段计算成果见表6-3（按设计水位计算）。表6-3 内水压力按隧洞
36、分段计算成果表（单位：m）计算点(桩号)基面总水头局部水头损失累计沿程水头损失累计极限正水锤不计水锤内水压力计水锤时内水压力内水压力（MPa）0+032.75106.8960.490.07860.04892.2746.2746.540.4570+147.31106.892.190.12520.219710.47104.36114.831.1260+183.31106.891.940.12520.273413.03104.55117.581.1530+216.80106.891.60.19220.323415.41104.77120.181.1790+357.00106.890.20.19220
37、.532525.37105.96131.331.2880+377.00106.890.00.25460.652426.79106.07132.861.3036.3.1.3 地震荷载设计隧洞洞身时可不考虑地震荷载，但对隧洞的进出口建筑物，需按现行水工建筑物抗震设计规范对地面建筑结构的有关规定执行。本地区地震基本烈度按6.5级考虑，因地震而引起的隧洞附加荷载为：(1) 附加山岩压力 (6.6)(2) 地震水压力(水平横向作用) (6.7) (3) 衬砌自重惯性力Pg=Kcgc (6.8)上三式中：KC 地震系数,查表取KC =1/40；gR 岩石重度，取平均值25.5kN/m3；CP 地震纵波在岩
38、石里的传播速度，粗略取2000m/s；T0 地震波的周期，取1s；gC 衬砌重度，25.5kN/m3；岩石泊松比，=0.3；g 水重度，10时为9.8kN/m3。代入计算得=0.087MPa；=0.078MPa；g=24 kN/m36.3.1.4 灌浆荷载当固结(或回填)灌浆压力与外水压力接近时，可不考虑灌浆压力。固结(或回填)灌浆压力一般为0.20.3MPa，当回填灌浆压力与围岩压力不同时考虑。6.3.1.5 地层弹性抗力只有岩体较好时，才产生有效的弹性抗力，本隧洞III类岩石段可能产生弹性抗力。当衬砌向内变形时，不产生弹性抗力，只有衬砌向外变形时，才产生弹性抗力，其值为：P=Kd (6.9
39、)式中：P 地层弹性抗力，kN/m2；K 地层弹性抗力系数，kN/m3；d 衬砌向外变位值，m。岩体好时，在顶部中心角大约90°范围之外的衬砌变形指向围岩，作用有弹性抗力，其分布规律为： (6.10)式中：、分别为j=和j=处衬砌受到的弹性抗力，j为以隧洞圆心为圆心，自隧洞顶拱顶端逆时针旋转到计算断面所成的夹角。6.3.2 荷载组合根据施工、运行和检修等情况，分别考虑最不利的荷载组合，一般应遵循下列组合原则：(1) 垂直围岩压力与侧向围岩压力使顶拱产生的应力符号相反，互相有所抵消。一般估算的围岩压力不一定十分准确，尤其是侧向围岩压力的准确性就更差一些，这时宜不计侧向压力。在其它部位也
40、应考虑类似情况。(2) 灌浆压力与外水压力不要叠加。灌浆压力大于外水压力时，顶拱部位只计灌浆压力，其余部位为外水压力；灌浆压力小于外水压力时则可不计。(4) 考虑围岩抗力时，可少计或不计侧向围岩压力，不计底拱的反压力。荷载组合分四种工况，见表6-7。表6-7 荷 载 组 合 表荷 载组 合垂直围岩压力侧向围岩压力衬砌自重内水压力外水均匀压力外水非均匀压力灌浆压力弹性抗力地震基本正常运行工况DDDDD非常运行工况DDDDDDDD特殊检修工况DDDDD施工期DDDD6.4 二次支护结构计算原则及方法本隧洞采用采用组合式支护，即外层初期锚喷挂网支护，内层钢筋混凝土二次支护。钢筋混凝土衬砌的应力计算时
41、，对III类围岩及更差的围岩是把围岩当成荷载，把衬砌当成结构进行结构计算；而对II类及更好的围岩，则仅将围岩视为承载结构，一般要求采用下述方法进行： (1) 弹性力学法：包含弹性和弹塑性两种方法，主要适用与I、II、III类围岩；(2) 结构力学法：适用于IV、V类围岩及更差的围岩；(3) 混凝土及钢筋混凝土衬砌的强度及配筋计算，可按现行水工钢筋混凝土结构设计规范的有关规定进行。6.5 二次支护结构细部结构设计6.5.1 细部结构设计原则(1) 衬砌段长，一般根据浇筑能力和温度收缩等因素分析确定，底拱、边顶拱的环向缝不得错开。(2) 对岩性较均一，处于I、II、III类围岩中的混凝土衬砌，温度
42、变化较小，一般不设伸缩缝。只在地质条件突变的洞段、地质条件较差有严格要求的洞段、衬砌形式改变的洞段才设置伸缩缝。伸缩缝缝内设止水带及充填嵌缝材料。每一浇筑段设一施工缝，缝内只设止水带。(3) 对于岩性较均一，处于I、II、III类围岩中的混凝土衬砌，当可能最低地下水位高于隧洞压力线，且内水外渗不影响围岩稳定时，缝内可不设止水带。但对伸缩缝，缝内要用充填嵌缝材料充填。(4) 在不同衬砌结构连接点、地质条件变化处、体形改变处，均需设永久缝。(5) 对一般施工缝，纵向钢筋要求穿过缝；对永久伸缩缝，纵向钢筋不穿过缝。6.5.2 细部结构设计1）如图7所示，按照工程经验，初步拟订浇筑段长度浇筑段长度为8
43、m。2）横向施工缝由混凝土浇筑能力决定，拟订为8m；纵向施工缝根据浇筑能力，设在顶拱、侧墙以及底版分界处或者内力比较小的部位，对施工缝需要进行凿毛处理或者设置插筋以加强其整体性，缝内可设键槽，必要时还应设止水或者接缝处理。3）在地质条件变化处、进、出口以及断裂破碎带有可能产生较大相对变位处应该设置沉陷缝。也可设置波纹管补偿器，并采取相应的防渗措施。4）钢筋混凝土衬砌与钢板衬砌连接处，不应分缝，应有不少于1.0m的搭接长度，并在钢板上设置阻水措施。5）渐变段设计。隧洞进口渐变段为矩形向圆形过渡；压力钢管前端、引水洞末端为半径为3.2m向半径为2.65m的圆形过度，具体设计见设计详图。 第7章 混
44、凝土衬砌以及配筋7.1 钢筋混凝土衬砌设计7.1.1 基本设计资料按构造要求，初步设计钢筋混凝土衬砌厚度为70cm。采用双层配筋，限制开裂宽度来设计。混凝土衬砌采用C25，压力钢管段采用C15；钢筋采用II级钢；结构系数=1.35，结构重要性系数=1.0，设计状况系数持久状况取1.0，短暂状况取0.95，偶然状况取0.85。相关材料的基本性能参数如下表7-1：表7-1 材料性能参数材料fckfcftkftEC15107.51.20.90.22C2517131.751.30.28Q2353353353103102.0注：强度单位为N/mm2；模量单位为1´105MPa7.1.2 衬砌分
45、缝1）施工缝 由于混凝土以及钢筋混凝土衬砌是分段分块浇筑的，所以衬砌中必然有横向和纵向施工缝。横向施工缝间距由浇筑能力决定，纵向施工缝根据浇筑能力，设在顶拱、边墙及底版分界处或者内力比较小的部位。对于施工缝需要进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性，必要时还应设止水。2）伸缩缝 为防止混凝土因干缩和温度应力而产生裂缝，沿洞轴线应设置横向伸缩缝。伸缩缝荐举根据工程经验，取810m，缝内设置止水。围岩条件好时，间距取稍小值，围岩条件差时可以选取较大值。为便于施工，统一采用8m和10m两种间距。3）沉陷缝 隧洞穿越断裂破碎带和软弱夹层地带时，衬砌需要加厚。在斜洞段，围岩条件较差，为防止因不均匀沉陷造成混
46、凝土开裂，在衬砌厚度突变处，应设置沉陷缝。此外，在洞身和进口、渐变段等接头处可能产生较大位移的地段也需要设置横向沉陷缝，缝内设止水。伸缩沉陷缝如图7-1所示。 7.2 考虑弹性抗力时的配筋设计7.2.1 内水压力作用下的配筋计算采用对称配筋，钢筋的断面面积按下式计算： （7.1） 其中， 式中， 钢筋断面面积，m2；内水压力，MPa；隧洞内半径，3.2m或2.65m；隧洞外半径，3.5m3.6或2.95m；弹性抗力系数，；衬砌外半径与内半径之比，；钢筋的允许应力设计值，=，为结构系数，取1.35，故=310/1.35=229.63MPa；钢筋的弹性模量，2.0´105MPa；代入计算
47、，计算成果见表7-2表7-2 内水压力作用下配筋断面面积表计算点(桩号)pEhtm（×105m）f（mm2）选取实际面积0+032.750.4572.81.052.99323836´440720+147.311.2622.81.057.39805436´881430+183.311.1532.81.057.56826936´991610+216.801.1792.81.057.73845736´991610+357.001.2882.81.058.45925236´2+40´695760+377.001.3032.81.05
48、8.55936236´2+40´695767.2. 2 其它荷载作用下的配筋计算包括以下荷载作用：1）铅直围岩压力作用下的内力计算： （7.2）式中：M计算截面的弯矩，kN m； N计算截面上的轴力，kN； q铅直围岩压力强度，kPa； re衬砌的外半径，m； r衬砌的平均半径，m； K围岩的弹性抗力系数，kN/m3； E衬砌材料的弹性模量，kPa； J计算断面的惯性矩，m4； b计算宽度，取b=1m；A、B、C、D、F、G为系数，与有关，由表7-3查用。表73 铅直围岩压力作用下的内力计算系数表断面ABCDFG=00.162800.08721-0.006990.21222
49、-0.212220.02098=-0.025040.02505-0.000840.150040.349940.01484=-0.12500-0.125010.008240.000001.000000.00575=0.02504-0.025070.00021-0.150050.900070.01378=0.087200.16277-0.00837-0.212200.712220.02237各个截面的铅直围岩压力计算成果见表7-4。 2）衬砌自重作用下,假定衬砌为等厚度，其设计值作用于各断面上的内力，可由下面的公式计算： （7.3）断面A1B1C1D1=00.344770.021940.16669
50、0.06590=0.033480.002640.437490.04660=0.392720.025891.570800.01807=0.033510.000671.918690.04329=0.440590.026281.737490.07024式中：g单位面积的衬砌自重，kPa；A1、B1、C1、D1为系数，见表7-5；其余符号的意义同前。表7-5 衬砌自重作用下的内力计算系数表各个截面衬砌自重计算成果见表7-6。3）无水头满水作用时，水压力径向作用与衬砌上，其值由0（顶拱）起增加到（洞底），可按下面的公式进行计算： （7.4）式中：水的容重，kN/m3；衬砌的内半径，m；A2、B2、C2、
51、D2为系数，见表7-7；其余符号的意义相同。无水头洞内满水压力作用下的内力计算成果表见7-8。表7-7 无水头洞内满水压力作用下的内力计算系数表断面A2B2C2D2=00.172390.010970.583350.03295=0.016750.001320.427710.02330=0.196360.012950.214600.00903=0.016770.000340.394190.02614=0.220300.013150.631260.03513然后按照不同工况进行叠加求配筋f ，按下面的式子进行。 （7.5）式中，、内、外层钢筋面积，m2；衬砌有效厚度，0.60.7m；内、外圈钢筋合力
52、点到衬砌内、外边缘的距离，0.05m；钢筋的允许应力设计值， =229.63MPa；这里不计算外水压力时的计算成果见表7-9。表中数据全部按绝对值取用。表7-9 不计算外水压力时的配筋计算成果截面(桩号)断面MNfi'fe'选配fife0+032.75j=0°23.3217194-189.7-55936´1´21017.91017.9j=45°-25.54262.42-730.0-369.2j=90°8.4434563-684.4-819.4j=135°-3.49374.38-842.8-787.5j=180°
53、;9.07382.95-762.0-905.70+147.31j=0°23.79175.66-194.1-570.836´1´21017.91017.9j=45°-21.37267.98-752.7-414.3j=90°-0.69352.54-773.1-762.2j=135°-3.4377.99-850.0-796.1j=180°3.03390.07-825.4-837.30+183.31j=0°23.79175.66-194.1-570.836´1´21017.91017.9j=45
54、6;-21.37267.98-752.7-414.3j=90°-0.69352.54-773.1-762.2j=135°-3.4377.99-850.0-796.1j=180°3.03390.07-825.4-837.30+216.80j=0°23.79175.66-194.1-570.836´1´21017.91017.9j=45°-21.37267.98-752.7-414.3j=90°-0.69352.54-773.1-762.2j=135°-3.4377.99-850.0-796.1j=180&#
55、176;3.03390.07-825.4-837.30+357.00j=0°23.79175.66-194.1-570.836´1´21017.91017.9j=45°-21.37267.98-752.7-414.3j=90°-0.69352.54-773.1-762.2j=135°-3.4377.99-850.0-796.1j=180°3.03390.07-825.4-837.30+377.00j=0°18.63205.68-300.3-961.840´1´21256.61256.6j=45&
56、#176;-16.84271.36-724.2-457.5j=90°11.31367.94-711.6-890.7j=135°-7.38424.46-982.7-865.8j=180°8.66439.79-889.0-1026.27.2.3 考虑弹性抗力时的配筋设计配筋比较表见表7-10，按照对称配筋原则，取大值保证安全和保证不小于最小配筋率的要求，选定配筋成果如表7-11。表7-10 各种工况下的配筋比较表（f的单位：mm2，下同）截 面不计外水压力作用时内水压力作用下fi'fe'fife0+032.7536´136´136´4/0+147.3136´136´136´8/ 0+183.3136´136´136´9/0+216.80
