兴隆引水隧洞结构计算书2015.7.1.doc
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重庆市酉阳县龙潭河上游重点河段
综合治理工程（兴隆镇）
隧洞衬砌计算书
计算书编号：
J53-3E30-03
设计阶段：
施工图设计阶段
编制单位：
重庆分公司设计一室
设计：
年月日
校核：
年月日
审查：
年月日
长江勘测规划设计研究有限责任公司
二〇一五年七月
目录
1工程概况 3
2设计依据 3
2.1规范、规程 3
2.2参考资料 3
3计算方法 4
4计算工况 4
4.1基本组合 4
4.2特殊组合 4
5典型计算断面及其选择原则 5
6荷载计算 7
6.1围岩压力 7
6.2弹性抗力 8
6.3内水压力 8
6.4外水压力 8
6.5动水压力 9
6.6灌浆压力 9
7程序计算结果 9
重庆市酉阳县
兴隆镇排洪隧洞衬砌结构配筋计算书
1工程概况
重庆市酉阳县梅江河支流龙潭河上游重点河段（兴隆镇）防洪排涝综合治理工程为重庆市中小流域治理规划建设项目。
工程任务为城镇防洪排涝，保护对象为兴隆镇房屋和人口。
工程等别为Ⅴ等，建筑物级别为5级，防洪标准为10年一遇。
工程由引水渠，排洪隧洞等组成。
进口引水渠总长588.31m，隧洞总长2915.68m。
工程方案为隧洞进口由胸墙控制，隧洞内按无压流设计，排洪隧洞的下泄洪水直接排入土坪河支流林木沟，隧洞出口设挑流消能。
10年一遇洪水时，排洪隧洞设计下泄流量115.4m3/s。
据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工程区区域地震动峰值加速度值于为0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，相应地震基本烈度Ⅵ度。
本工程建筑物可不进行抗震计算，建筑物可不设防。
2设计依据
2.1规范、规程
《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）（以下简称“隧洞规范”）
《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SL191-2008）（以下简称“砼规”）
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）
《中华人民共和国工程建设标准强制性条文（水利工程部分）》2010年版；
2.2参考资料
《重庆市酉阳县梅江河支流龙潭河上游重点河段（兴隆镇）综合治理工程初步设计报告》
《理正岩土隧道衬砌计算软件》-隧道衬砌计算。
《取水输水建筑物丛书－隧洞》
《水工设计手册－水电站建筑物》（水利电力出版社，2013）
《水力学－下册》（吴持恭，高等教育出版社，1982）
3计算方法
隧洞支护及衬砌结构按新奥法理论进行设计，支护型式采用锚喷支护通过工程类比确定，喷锚支护类型及其参数参照电力隧洞规范附录F表F.1选取；衬砌型式采用钢筋混凝土衬砌。
根据隧洞规范6.1.8条第2点规定，围岩具有一定的抗渗能力、内水外渗可能造成不良地质段的局部失稳，经处理不会造成危害者，宜提出一般防渗要求，本工程按限制裂缝宽度设计，二类环境，裂缝宽度短期组合不超过0.3mm，长期组合不超过0.25mm。
隧洞衬砌采用结构力学方法计算。
隧洞结构计算软件采用《理正岩土隧道衬砌计算软件》-隧道衬砌计算。
4计算工况
4.1基本组合
工况1：
正常运行期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+设计内水压力+外水压力）
工况2：
检修期 （衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力）
4.2特殊组合
工况3：
施工期 （衬砌自重+弹性抗力+外水压力或灌浆压力）
工况4：
校核工况 （衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+校核内水压力+外水压力）
5典型计算断面及其选择原则
Ⅳ、Ⅴ及土洞典型断面按荷载受力不利原则选取。
计算围岩压力时，采用围岩压力最大处断面；计算弹性抗力时，采用地勘提供参数的小值平均值；计算内水压力时，采用各类围岩承受最大静水压力处断面；计算外水压力时，对无内水组合工况采用地下水作用最大水头处断面，对有内水组合工况采用地下水作用最小水头处断面。
兴隆镇排洪隧洞洞身段分为扩大段、收缩段、直线段三部分：
（1）扩大段
隧洞0+000.00～隧洞0+059.00段为扩大段，长59.0m，底坡为平坡，底板高程633.00m；隧洞净空尺寸由3.5m×6.0m（宽×高，下同）扩大为3.5m×11.7m；隧洞采用C25钢筋砼全断面衬砌，衬砌厚度40cm。
（2）收缩段
隧洞0+059.00～隧洞0+307.96段为收缩段，长248.96m。
其中隧洞0+059.00～隧洞0+285.00段底坡为平坡，底板高程633.00m，隧洞净空尺寸由3.5m×11.7m缩小为3.5m×6.0m；隧洞0+285.00～隧洞0+307.96段底坡i=5.9%，底板高程633.00m～631.65m，隧洞净空尺寸由3.5m×6.0m缩小为3.5m×5.2m；隧洞采用C25钢筋砼全断面衬砌，衬砌厚度40cm。
（3）等高段
隧洞0+307.96～隧洞2+915.68段为直线段，长2607.72m，底坡i=5.9%，底板高程631.65m～477.79m；隧洞净空尺寸3.5m×6.0m（宽×高）；其中隧洞0+307.96～隧洞0+327.96段、隧洞2+895.68～隧洞2+915.68段采用40cm厚C25钢筋砼全断面衬砌，隧洞0+327.96～隧洞2+895.68段采用10cm厚C20砼挂φ8@0.2m钢筋网全断面喷护。
各类围岩断面几何初步拟定情况见表5-1。
表5-1 各类围岩断面几何参数
断面位置
围岩
类别
断面
形式
底宽
（m）
洞高
（m）
一衬厚度
（m）
二衬厚度
（m）
弹性抗力计算半径（m）
结构计算半径（m）
出口标准段长2533m
Ⅳ
城门形
3.5
6
0.1
0.4
2.25
1.75
Ⅴ
城门形
3.5
6
0.2
0.4
2.35
1.75
进口第一段12.5m
Ⅲ
城门形
4.0
6.3
0.1
0.4
2.5
2.4
进口第二段12.5m
Ⅲ
城门形
4.0
7.4
0.1
0.4
2.5
2.4
进口第三段
10m
Ⅲ
城门形
4.0
6.91
0.1
0.4
2.5
2.4
进口第四段
10m
Ⅲ
城门形
4.0
6.42
0.1
0.4
2.5
2.4
进口第五段
10m
Ⅲ
城门形
4.0
5.93
0.1
0.4
2.5
2.4
进口第六段
10m
Ⅲ
城门形
4.0
5.44
0.1
0.4
2.5
2.4
进口第七段
10m
Ⅲ
城门形
3.5
11.45
0.1
0.4
2.5
2.4
本计算选取了3.5m×6.0m以及3.5m×11.7m两种全断面衬砌作为典型断面进行计算。
其中3.5m×6.0m断面隧洞进口段为II、III类围岩，隧洞出口段为IV、V类围岩；3.5m×11.7m为隧洞进口过渡段最大洞高断面，围岩类别为III类。
隧洞衬砌采用C25钢筋砼，衬砌C25砼弹性模量：
28000×0.9=25200（MPa）。
图5-1兴隆镇排洪隧洞衬砌结构计算典型断面图
6荷载计算
6.1围岩压力
1、Ⅲ类围岩自稳较好，采取了有效的1期支护，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.1×γr×B
Q2=Q3=0.025×γr×H
2.Ⅳ类围岩能自稳数日，采取了有效的1期支护，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.2×γr×B
Q2=Q3=0.05×γr×H
3.Ⅴ类围岩自稳能力较差，采用有效1期支护后能自稳，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.3×γr×B
Q2=Q3=0.1×γr×H
6.2弹性抗力
围岩单位弹性抗力主要根据已开挖段地质编录取值，如表6-1所示。
表6-1 引水隧洞围岩参数表
围岩类别
变形模量Eo
（GPa）
泊松比
μ
普氏系数
f
单位弹性抗力系数
K0（MPa/cm）
Ⅱ
10～15
0.16～0.2
5～6
15～20
Ⅲ
6～8
0.20～0.23
3～5
5～15
Ⅳ
2～3
0.22～0.25
1～3
1～5
Ⅴ
0.5～1.0
>0.3
<1
<1
隧洞围岩弹性抗力系数k=k0/r，单位弹性抗力系数偏安全考虑采用小值平均值，计算结果如下：
Ⅲ类围岩弹性抗力系数k=10/2.4=4.17MPa/cm=4170×10kN/m3=42MN/m3
Ⅳ类围岩弹性抗力系数k=2/2.4=0.83MPa/cm=830×10kN/m3=8.3MN/m3
Ⅴ类围岩不计围岩弹性抗力。
6.3内水压力
由于本隧洞为无压隧洞，内水压力为隧洞内正常水深。
Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩分别为6.4m、5m、5m。
6.4外水压力
作用在衬砌结构上的外水压力根据隧洞规范第6.2.5式进行估算。
Pe=βe×γw×He
根据不同的地下水活动情况按隧洞规范表6.2.5对外水压力进行折减：
干燥或潮湿 βe＝0~0.2
渗水或滴水 βe＝0.1~0.4
大量滴水或线状流水βe＝0.25~0.6
严重滴水或小量涌水 βe＝0.4~0.8
股状流水或大量涌水βe＝0.65～1.0
当有内水组合时，βe取较小值；无内水组合时，βe取较大值。
根据施工阶段引水隧洞纵断面地质编录图，对无内水组合工况，典型断面选地下水作用最大处水头处；对有内水组合工况，典型断面选地下水作用最小外水头处。
根据地质建议，对无内水组合工况，最大外水水头为20m，根据围岩类别，考虑溶洞连通效应及排水措施，外水折减取值如下：
三类岩体：
βe取0.25。
四类、五类岩体：
βe取0.4。
6.5动水压力
由于本隧洞为无压隧洞，本次设计未考虑隧道内的动水压力。
6.6灌浆压力
根据隧洞规范15.1.2条，Ⅳ、Ⅴ类围岩段回填灌浆压力采用0.2MPa。
根据《水工设计手册－水电站建筑物》荷载组合说明，灌浆压力与外水压力不叠加。
灌浆压力大于外水压力时，顶部只计灌浆压力，其余为内水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不计灌浆压力。
本工程外水压力大于灌浆压力，按外水最大压力考虑。
7程序计算结果
各工况经计算，检修期工况为主要控制工况，各类岩石分断面计算如下：
结算结果见附件1、2、3。
表7-1隧洞各典型断面衬砌计算表
断面尺寸
3.5m×6m
围岩类别
IV
V
基本组合
检修期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力（含顶部及底板））
计算弯矩剪力图
衬砌内侧纵筋最大面积As=1970.3mm2，外侧纵筋最大面积As1=1970.3mm2；
拉结筋最大面积Av=135.6mm2。
截面尺寸（抗剪）验算：
满足。
根据规范，偏压计算时e0/h0<=0.55,不需要验算裂缝。
侧墙顶拱配单侧配置18@200（延伸到底板1.0m），底板18@200（延伸到侧墙1.0m）
衬砌内侧纵筋最大面积As=2399.2mm2，外侧纵筋最大面积As1=2399.2mm2；
拉结筋最大面积Av=135.6mm2。
截面尺寸（抗剪）验算：
满足。
根据规范，偏压计算时e0/h0<=0.55,不需要验算裂缝
侧墙顶拱配单侧配置20@200（延伸到底板1m），底板20@200（延伸到侧墙1m）
断面尺寸
衬砌内、外侧纵筋最大面积（mm2）
3.5m×6m
3.5m×11.7m
围岩类别
IV
V
III
基本组合
检修期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力（含顶部及底板））
计算弯矩剪力图
衬砌内侧纵筋最大面积As=1970.3mm2，外侧纵筋最大面积As1=1970.3mm2；
拉结筋最大面积Av=135.6mm2。
截面尺寸（抗剪）验算：
满足。
根据规范，偏压计算时e0/h0<=0.55,不需要验算裂缝。
侧墙顶拱配单侧配置18@200（延伸到底板1.0m），底板18@200（延伸到侧墙1.0m）
衬砌内侧纵筋最大面积As=2399.2mm2，外侧纵筋最大面积As1=2399.2mm2；
拉结筋最大面积Av=135.6mm2。
截面尺寸（抗剪）验算：
满足。
根据规范，偏压计算时e0/h0<=0.55,不需要验算裂缝
侧墙顶拱配单侧配置20@200（延伸到底板1m），底板20@200（延伸到侧墙1m）
衬砌内侧纵筋最大面积As=4702.3mm2，外侧纵筋最大面积As1=4702.3mm2；
拉结筋最大面积Av=135.6mm2。
截面尺寸（抗剪）验算：
满足。
根据规范，偏压计算时e0/h0<=0.55,不需要验算裂缝
侧墙顶拱配单侧配置28@200（延伸到底板1.5m），底板28@200（延伸到侧墙6m），侧墙与底板端部配置45°斜钢筋25@200长2.5m。
特殊组合
施工期（衬砌自重+弹性抗力+外水压力）
（墙高在9m以上部分）衬砌厚度0.4m
衬砌内侧纵筋最大面积As=3651.5mm2，外侧纵筋最大面积As1=3651.5mm2；
拉结筋最大面积Av=156.3mm2。
截面尺寸（抗剪）验算：
满足。
侧墙顶拱配单侧配置28@200（延伸到底板1.5m），底板28@200（延伸到侧墙1.5m），侧墙与底板端部配置45°斜钢筋25@200长2.5m。
校核工况（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+校核内水压力+外水压力）
附件1、2、3：
理正计算书
-12-
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