柴石滩水库引水隧洞设计说明书

第第7章混凝土衬砌以及配筋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=2\*ROMANII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1105MPa7.1.2衬砌分缝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8~10m，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，3.5m~3.6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，2.0105MPa；代入计算，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（×10—5m）f（mm2）选取实际面积0+032.750.4572.81.052.993238ф36440720+147.311.2622.81.057.398054ф36881430+183.311.1532.81.057.568269ф36991610+216.801.1792.81.057.738457ф36991610+357.001.2882.81.058.459252ф362+ф40695760+377.001.3032.81.058.559362ф362+ф40695767.2.2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7—3铅直围岩压力作用下的内力计算系数表断面ABCDFG=00.162800.08721-0.006990.21222-0.212220.02098=-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=00.34477—0.02194—0.166690.06590=0.03348—0.002640.437490.04660=—0.392720.025891.570800.01807=—0.033510.000671.918690.04329=0.44059—0.026281.737490.07024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、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=00.17239—0.01097—0.583350.03295=0.01675—0.00132—0.427710.02330=—0.196360.01295—0.214600.00903=—0.016770.00034—0.394190.02614=0.22030—0.01315—0.631260.03513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，0.6~0.7m；——内、外圈钢筋合力点到衬砌内、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ΣMΣNfi'fe'选配fi’fe’0+032.75°23.32171．94-189.7-559ф36121017.91017.9°-25.54262.42-730.0-369.2°8.44345．63-684.4-819.4°-3.49374.38-842.8-787.5°9.07382.95-762.0-905.70+147.31°23.79175.66-194.1-570.8ф36121017.91017.9°-21.37267.98-752.7-414.3°-0.69352.54-773.1-762.2°-3.4377.99-850.0-796.1°3.03390.07-825.4-837.30+183.31°23.79175.66-194.1-570.8ф36121017.91017.9°-21.37267.98-752.7-414.3°-0.69352.54-773.1-762.2°-3.4377.99-850.0-796.1°3.03390.07-825.4-837.30+216.80°23.79175.66-194.1-570.8ф36121017.91017.9°-21.37267.98-752.7-414.3°-0.69352.54-773.1-762.2°-3.4377.99-850.0-796.1°3.03390.07-825.4-837.30+357.00°23.79175.66-194.1-570.8ф36121017.91017.9°-21.37267.98-752.7-414.3°-0.69352.54-773.1-762.2°-3.4377.99-850.0-796.1°3.03390.07-825.4-837.30+377.00°18.63205.68-300.3-961.8ф40121256.61256.6°-16.84271.36-724.2-457.5°11.31367.94-711.6-890.7°-7.38424.46-982.7-865.8°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+032.75ф361ф361ф364/0+147.31ф361ф361ф368/0+183.31ф361ф361ф369/0+216.80ф361ф361ф369/0+357.00ф361ф361ф362+ф406/0+377.00ф401ф401ф362+ф406/表7-11考虑弹性抗力时的配筋成果表桩号实际配筋配筋面积间距0+032.75ф3632305422000+147.31ф3652508922000+183.31ф3662610721800+216.80ф3662610721800+357.00ф3622+ф403220362+377021800+377.00ф3612+ф40421017.92+50272180构造筋计算：构造配筋要求最小配筋率为0.15%，则最小配筋面积为Amin=A0.15%=(3.5-3.2)0.15%106=450mm2，以上配筋均满足构造要求。7.3裂缝验算7.3.1裂缝验算原则按照正常使用极限状态设计，最大裂缝宽度允许值为：1）、长期组合：0.25mm；2）、短期组合：0.30mm；3）、水质有侵蚀性时：0.20mm。设C1、C2为衬砌开列宽度限制值，正常使用极限状态验算规定：1）对于长期组合，应采用下列设计表达式：(7.6)2）对于短期组合，应采用下列设计表达式：(7.7)式中：——材料强度标准值，MPa；S1(·)、Ss(·)——作用效应短期组合、长期组合的功能函数；——可变作用标准值的长期组合系数，此处取1.0；——结构重要性系数，对应于结构安全级别为=2\*ROMANII级的隧洞支护取用1.0；由于内水压力作用，在衬砌中产生的轴向拉力，按下式计算：(7.8)式中：——弹性特征因素，按下式计算：，其中、为混凝土的弹性模量和泊松比，为围岩单位抗力系数；其余符号同上。取其中截面引0+147.31演算有：=0.614=2.87106N7.3.2正截面裂缝宽度验算隧洞衬砌在轴心受拉、大偏心受拉及大偏心受压情况，考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度，可按下列公式计算：(7.9)(7.10)式中：——最大裂缝宽度，mm；——平均裂缝宽度，，v为形状系数，mm；——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，当<0.3时取0.3；、——计算系数，可以按下列数值取用：轴心受拉情况，=0.16，=0.60大偏心受拉情况，=0.075，=0.32大偏心受压情况，=0.055，=0.235——衬砌结构正常使用情况受拉钢筋的应力；、——受拉钢筋的直径和配筋率；——混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2；依然以引0+147.81截面=0断面为例，验算裂缝开列宽度。首先校核钢筋的应力，求出正常使用情况下钢筋受拉的应力：=+(7.11)=+(7.12)式中，==7.3910-5经过计算得：=1.283N/mm2=0.814N/mm2然后计算内层开列：截面C25混凝土轴心抗拉强度为1.30N/mm2，钢筋直径d=36mm，配筋率为==0.03393；平均裂缝间距=60+1061.11轴心受拉情况，=0.16，=0.60，=0.7083，=229.78mm大偏心受拉情况，=0.075，=0.32，=0.8444，=136.21mm大偏心受压情况，=0.055，=0.235，=0.8858，=115.89mm代入计算最大裂缝宽度：轴心受拉情况，=-0.063不合实际；大偏心受拉情况，=0.119mm<0.25mm大偏心受压情况，=0.130mm<0.25mm.7.4纵向构造筋纵向配筋选配ф14钢筋，外层间距300mm，内层间距250mm。内外层环向筋之间配置构造拉筋，选12@600即可。7.5钢筋量计算成果详见附图BYSJ—2。

第8章压力钢管8.1设计假定与原则压力钢管上覆岩体厚度均大于3倍洞径,故按埋管设计。压力钢管采用集中供水方式，钢管壁厚由承受内水荷载控制确定为，采用加劲环等措施满足抗外压稳定要求；充分考虑一次支护作用，钢管结构设计时,不计算山岩压力。压力钢管一次支护：砂浆锚杆+钢筋往+喷混凝土；二次支护：钢板+素混凝土回填。为了防止隧洞段的渗水影响压力钢管，增加压力钢管的外水压力，压力钢管起始处进行灌浆，形成灌浆帷幕。灌浆材料为纯水泥浆，灌浆孔深入岩石15m，经灌浆后围岩的渗透指标应小于3Lu（注：Lu为吕荣单位，是1Mpa压力下，每米试段的平均压入流量，以L／min计）。为了充填顶拱回填混凝土与围岩及钢管的空隙，保证顶拱衬砌与围岩面及回填混凝土与钢管间的紧密结合，在顶拱部位进行回填灌浆，回填混凝土与钢管间进行接缝灌浆。8.2压力钢管壁厚设计8.2.1压力钢管直径压力管道的直径应通过动能经济计算确定，在初步设计阶段，可用彭德舒公式来初步确定。大中型压力钢管的经济直径：（8.1）式中：Qmax——钢管的最大设计流量，m3/s；H——电站设计水头；将Qmax=111.6m3/s，H=62.2m代入公式可得：D=5.30m。则高压管道内水流流速根据经验，高压管道内的水流经济流速约为46m,符合要求，故取高压管道的直径D=5.3m。8.2.2高压钢管壁厚钢管最小壁厚不小于（D/800+4）mm,据此规定，本次设计的高压钢管最小壁厚为11mm。为安全期间，不考虑岩石弹性抗力，在内水压力作用下，荷载由钢管单独承担，依据下列公式求得钢管壁厚：（8.2）式中：——水的容重，9.8kN/m3；H——内水压力水头，查表6-3可知压力钢管所在断面最大水头H=132.86m；D——管道直径，D=5.3m；——焊缝系数，取=0.9；——钢材允许应力，310MPa。将数据代入公式可得钢管壁厚=13mm。考虑钢管锈蚀磨损及钢管厚度误差，管壁厚度比计算值增加2mm，所以结构厚度13+2=15mm，取16mm。8.3压力钢管抗外压失稳计算压力钢管在放空时承载着远大于大气压力的外荷载，这些荷载主要来源于地下水压力，钢衬与混凝土之间的接缝灌浆压力，回填混凝土时流态混凝土的压力等。光面钢衬的临界压力计算：采用经验公式，求临界压力得：（8.3）式中：——钢管壁厚，mm；——高压管道衬砌内径，mm；——钢材的允许应力，310MPa；——临界压力，MPa；将上述相关数据代入公式得，则钢衬的允许外压，安全系数K取2.0。即远远大于此钢材承受的地下水压力，灌浆压力等荷载，故此设计满足要求，可不采用加劲环式钢衬。8.4压力钢管外混凝土配筋压力钢管外包混凝土按照构造要求配筋。由规范知，按Ⅱ级钢筋偏心受压梁去最小配筋率为0.4%。则1m隧洞段内配筋：0.4×1×106×0.4%=1600mm2，则1m内配6根环向ф20钢筋,实际配筋面积1885mm2,满足构造要求。内外层各三根，均匀对称分布。拉筋取ф12@600mm。见图8-1纵向最小配筋率按0.18%取，采取对称配筋，配筋面积为：，选配84根ф14钢筋，实际配筋面积为12927.6mm2,内外层各42根，外层间距448mm，内层间距388mm，如图8-2所示。第9章不良地质洞段处理柴石滩水电站引水隧洞内径为6.4m，长377.0m，隧洞沿线水文地质和工程地质条件较为复杂，隧洞埋深较大，穿过围岩的岩性主要为上震旦系陡山沱组（zbd）