石门坎水电站导流洞二次衬砌设计方法 e*jn7aya
黄细丁，竹怀水，王永新 6jO*rseC
（黄河勘测规划设计有限公司，河南，郑州，450003） &YmOXKf7
【摘 要】 针对石门坎水电站导流洞的工程地质和水文地质条件，对石门坎水电站导流洞的二次衬砌的荷载确定、结构内力计算和配筋方法进行了介绍。 s@'};E^]@r
【关键词】 导流洞、衬砌设计、荷载、配筋 ,D
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1. 工程简介 @|j`I1r. A
石门坎水电站位于李仙江干流崖羊山水电站的下游，工程开发任务以发电为主。枢纽由混凝土拱坝、引水式地面厂房组成，最大坝高108.00m，总库容1.95×108m3，总装机容量130MW。 LrsP4G
坝址河谷呈基本对称的“V”型，不具备分期导流或明渠导流的条件，两岸山体雄厚，岸边基岩裸露，两岸均具有隧洞布置及成洞条件，左岸洞线长、水流条件和地质条件稍差。 9 %,_G.
分析工程区枯、汛期的流量特点，经详细计算并结合施工仿真，拱坝在一个枯水期难以浇筑至枯期水位以上，因此采用河床一次断流，导流洞泄流，围堰挡水的前期导流方式。后期利用崖羊山电站调节库容控制泄量以削减洪峰。
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2. 地质概况 4 9@
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导流洞布置于坝址右岸山体内，最大埋深约156m。导流洞沿线II~III类围岩，约占总长度37％，III-Ⅳ类围岩约占总长度60％，构造带及其影响带Ⅳ-Ⅴ围岩约占总长度3％。洞身段埋深一般35m～110m。围岩均为微风化-新鲜岩体，大部分洞段岩层走向与洞向夹角较大，围岩总体稳定性较好。 {o*z iZh
导流洞大部分洞段位于地下水位以下，且地下水位较高，外水水头折减前最高处有130多米。地下水致使岩体结构面间摩擦系数降低，粉砂岩、泥岩等较软岩失水易风化崩解。导流洞地质剖面图如下： t'Nu^_#
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3. 衬砌设计 E JNj.c-#
导流洞断面为7.0m×9.0m(宽×高)城门洞型断面，进口底板高程为668.80m，出口高程665.98m，底坡0.5%，隧洞长度为575.04m。设计泄流量为1205m3/s，相应出口流速为19.95m/s。衬砌设计综合考虑了地质条件、断面型式、支护结构、施工条件等，并充分利用围岩的自承能力。本导流隧洞采用锚喷支护和钢筋混凝土衬砌相结合的衬砌方式。
6<(HT#=# 3.1计算荷载的确定
_( 0!bUs> 钢筋混凝土衬砌的厚度根据强度、抗渗、构造和合理配筋等要求，并结合施工方法分析计算确定。初步估算时取厚度为洞径的1/ 12～1/ 16。本工程根据外水压力和地质条件，选择了9个具有代表性的断面进行计算，编号分别为A-A~I-I，其中A、B为进口渐变段处断面，考虑到隧洞封堵段前在封堵期外水压力较大而后部分外水压力较小，III类围岩增加D-D计算断面和H-H计算断面，F-F断面控制其它段的III类围岩，E-E断面为II~III类围岩的典型断面，I-I计算断面为出口的典型断面。分别对选择的各个代表性计算断面进行三种工况（施工、运行、封堵）的内力计算及配筋设计。
+7|Oy3s fFqK.^Tn 各种工况下的荷载组合情况见表一：
"a? k #!E 表一：荷载组合情况表
tV[?WA[xt 工况 围岩压力 衬砌自重 内水压力 外水压力 灌浆压力 围岩抗力
>hRYsWbmg 施工 √ √ √ √
!,V8?3.aJn 运行 √ √ √ √ √
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o4Su# 封堵 √ √ √ √
U-Fr[1I6p 作用于衬砌上的基本荷载包括围岩压力、衬砌自重、水压力，特殊荷载包括灌浆压力、校核水位时内水压力(包括动水压力) 和相应的地下水压力、施工荷载等。荷载组合时，根据施工、运行和封堵情况分别考虑最不利的组合。
D@" q2 ! 内水压力根据不同的运行工况进行计算，以得出压坡线，插值得出各个计算断面处的内水水头。由于导流隧洞所处地段外水位较高，相对于内水压力，外水压力起控制作用，对洞身衬砌内力的影响很大。外水压力本质上是水流通过介质，形成稳定渗流后的渗透体积力。因此要较准确地计算外水压力，需进行渗流场计算。由于地下渗流情况十分复杂，衬砌又紧贴围岩，所以，外水压力很难准确计算。为简化计算，把外水压力看成作用于衬砌外表面的边界力，将地下水面以下的水柱高乘以折减系数作为外水压力值。根据地质探洞的地下水情况（有少量滴水现象），外水压力折减系数取值范围为0.1~0.4。实际取值根据各个计算断面的覆盖层厚度、地下水位情况、岩石渗透特性和隔水层位置进行确定。最终确定两断层之间的隧洞围岩外水折减系数取0.15，其它隧洞段外水折减系数取0.1。
'i%Azzv 对于中等坚硬以上的岩石（岩石坚固系数大于2），不考虑水平围岩压力。岩石覆盖层厚度小于2倍隧洞开挖洞径时，按照系数法进行计算围岩压力；岩石覆盖层厚度大于2倍隧洞开挖洞径时按照普氏塌落拱理论计算围岩压力。位于地下水位线以下的岩石，采用浮容重。塌落拱实际上就是围岩的破坏范围，塌落拱内围岩的重量就是支护、衬砌结构的承受荷载。衬砌所承受的灌浆压力主要考虑以回填灌浆为主，分布于衬砌拱顶上方顶拱中心角90°~120°范围内。施工时回填灌浆主要是低压灌浆，对于钢筋混凝土衬砌通常是0. 3～0. 5 MPa。由于隧洞回填灌浆是在钢筋混凝土的强度达到设计强度的70%后进行的，属于施工期的临时荷载，所以在进行衬砌内力计算时不予考虑。
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qpa 围岩弹性抗力是衬砌产生向围岩方向的变形时，围岩对这种变形的一种抵抗力，因此围岩弹性抗力是对衬砌稳定有利的力。工程地质条件是影响围岩弹性抗力的主要因素，围岩坚固完整，则可利用的围岩弹性抗力较大；围岩破碎松散，则可利用的围岩弹性抗力很小，甚至不能利用。工程中为有效利用围岩弹性抗力，常对围岩进行固结灌浆。
oB&s 2~ 由此，衬砌承受的荷载主要考虑衬砌自重、围岩压力、内水压力、外水压力、围岩弹性抗力。
!Z<GUbl t :{E 3H3 3.2 结构计算
ahhVl=9/ao 隧洞衬砌结构计算根据结构特点、荷载作用形式、围岩条件和施工方法等，选取合适的计算方法和计算模型。《水工隧洞设计规范》( SL279 —2002)6. 3. 4条规定，对于Ⅳ、Ⅴ类围岩中的洞段、无压洞，可采用结构力学方法计算。对于门洞型隧洞采用边值法进行计算。
@:oMlIw; 《水利水电工程程序集》G-12“隧洞衬砌内力及配筋通用计算程序”采用屠规彰等提出的衬砌结构的非线性常微分方程组，将衬砌结果的计算化为非线性常微分方程组的边值问题，应用初参数数值解法，解算隧洞衬砌在水压力、山岩压力及衬砌自重等荷载作用下弹性抗力分布，算出变位和内力，并按水工钢筋混凝土规范进行配筋计算。符合规范采用边值法进行计算的要求。本导流隧洞衬砌结构计算主要采用G-12程序进行计算。
i/y+kL XqyfeY5t 3.3 配筋方法
C.C\(2- Rr 根据《水利水电工程程序集》G-12“隧洞衬砌内力及配筋通用程序”计算出的衬砌各节点所需要的受拉钢筋面积，采用线性插值法计算衬砌边缘处需要的钢筋面积。再根据需要的总钢筋面积，结合内外侧选择合适的钢筋，在抗弯强度不够的部位设置短筋。配置抗剪钢筋时，先考虑箍筋，在抗剪强度仍不满足的部位设置弯筋，最小配箍率为0.12%。原则上尽量避免施工的复杂和困难，同部位钢筋的直径相差不超过3级，短筋锚固长度取为35倍钢筋直径，综合考虑各个计算断面的配筋情况，尽量使钢筋的种类不太多，短筋的尺寸一致，方便施工。
Yc"G="XP; 4. 计算结果及分析
_U.8\J2 表二：配筋成果表
WvAl !^{` YM1tP'4j@ 计算 衬砌 部位 箍筋 弯筋
Y\%R6/Gj|u 断面 厚m 底板 底板 侧墙 侧墙 顶拱 顶拱 直径 间距 顺水流间距 下角 上角
Yu9Ccj` 内侧 外侧 内侧 外侧 内侧 外侧 mm cm cm
%_@8f|# ,M A-A 1.8 5Φ28 5Φ32 10Φ28 5Φ32 5Φ28 5Φ32 16 50 10 5Φ32 5Φ32
H
\.E K Z B-B 1.8 5Φ28 5Φ28 5Φ28 5Φ28 5Φ28 5Φ28 16 50 20 5Φ25
nR!qolh C-C 1.0 5Φ22 5Φ22 5Φ28 5Φ28 5Φ22 5Φ22 16 60 20 5Φ28
]W5s!T_ D-D 0.8 5Φ25 5Φ22 5Φ25 5Φ22 5Φ22 5Φ22 16 60 20 5Φ25
U :J~O y_Z E-E 0.6 5Φ28 5Φ22 5Φ20 5Φ22 5Φ20 5Φ20 16 60 20
&pZ]F=.r+ F-F 0.6 5Φ28 5Φ28 5Φ28 5Φ28 5Φ20 5Φ20 16 60 20
O8[dPm W G-G 0.8 6Φ22 6Φ25 6Φ28 6Φ25 6Φ22 6Φ22 16 60 20 6Φ22
b! PN6<SI H-H 0.6 5Φ20 5Φ20 5Φ20 5Φ20 5Φ20 5Φ20 16 60 20
j0kEi+!TVq I-I 1.0 5Φ28 5Φ22 5Φ22 5Φ28 5Φ28 5Φ22 16 60 20 5Φ28
yV$p(+KkS '355Pce/ 导流洞进出口山岩压力比较大，受封堵工况上游高水位的影响，进口渐变段衬砌厚度较厚，围岩条件较差处导流洞衬砌厚度较厚、钢筋用量较大，符合一般规律。为了使同一计算断面钢筋直径不太多，实际配筋面积比所需钢筋面积要大，设计稍偏保守。
A:cc @ku sq@Eu>Ng(X 5. 结语
dG Qy=T: 1. 导流隧洞的安全运行对于施工导流的成败有着决定性的影响，同时导流工程大多是临时工程，因此对于导流隧洞的设计既要保证安全又要尽量经济。
Q5Y4@ 2. 隧洞工程是地下工程，隧洞结构设计与地质条件密切相关。在进行衬砌结构内力计算时，有很多难于确定的参数，比如外水折减系数、采用系数法计算围岩压力时的系数等，往往需要根据工程经验来确定。
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参考文献
ceH7Rq:4W 1水工隧洞设计规范,SL279-2002。
sog?Mvoq 2 汪胡桢, 水工隧洞设计理论和计算，水利电力出版社,1990年。
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