柴石灘水庫(kù)引水隧洞設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

第第7章混凝土襯砌以及配筋7.1鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)7.1.1基本設(shè)計(jì)資料按構(gòu)造要求，初步設(shè)計(jì)鋼筋混凝土襯砌厚度為70cm。采用雙層配筋，限制開(kāi)裂寬度來(lái)設(shè)計(jì)。混凝土襯砌采用C25，壓力鋼管段采用C15；鋼筋采用=2\*ROMANII級(jí)鋼；結(jié)構(gòu)系數(shù)=1.35，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)=1.0，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)持久狀況取1.0，短暫狀況取0.95，偶然狀況取0.85。相關(guān)材料的基本性能參數(shù)如下表7-1：表7-1材料性能參數(shù)材料fckfcftkftEC15107.51.20.90.22C2517131.751.30.28Q2353353353103102.0注：強(qiáng)度單位為N/mm2；模量單位為1105MPa7.1.2襯砌分縫1）施工縫由于混凝土以及鋼筋混凝土襯砌是分段分塊澆筑的，所以襯砌中必然有橫向和縱向施工縫。橫向施工縫間距由澆筑能力決定，縱向施工縫根據(jù)澆筑能力，設(shè)在頂拱、邊墻及底版分界處或者內(nèi)力比較小的部位。對(duì)于施工縫需要進(jìn)行鑿毛處理或設(shè)插筋以加強(qiáng)其整體性，必要時(shí)還應(yīng)設(shè)止水。2）伸縮縫為防止混凝土因干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，沿洞軸線(xiàn)應(yīng)設(shè)置橫向伸縮縫。伸縮縫薦舉根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取8~10m，縫內(nèi)設(shè)置止水。圍巖條件好時(shí)，間距取稍小值，圍巖條件差時(shí)可以選取較大值。為便于施工，統(tǒng)一采用8m和10m兩種間距。3）沉陷縫隧洞穿越斷裂破碎帶和軟弱夾層地帶時(shí)，襯砌需要加厚。在斜洞段，圍巖條件較差，為防止因不均勻沉陷造成混凝土開(kāi)裂，在襯砌厚度突變處，應(yīng)設(shè)置沉陷縫。此外，在洞身和進(jìn)口、漸變段等接頭處可能產(chǎn)生較大位移的地段也需要設(shè)置橫向沉陷縫，縫內(nèi)設(shè)止水。伸縮沉陷縫如圖7-1所示。7.2考慮彈性抗力時(shí)的配筋設(shè)計(jì)7.2.1內(nèi)水壓力作用下的配筋計(jì)算采用對(duì)稱(chēng)配筋，鋼筋的斷面面積按下式計(jì)算：（7.1）其中，式中，——鋼筋斷面面積，m2；——內(nèi)水壓力，MPa；——隧洞內(nèi)半徑，3.2m或2.65m；——隧洞外半徑，3.5m~3.6或2.95m；——彈性抗力系數(shù)，；——襯砌外半徑與內(nèi)半徑之比，；——鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值，=，為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.35，故==310/1.35=229.63MPa；——鋼筋的彈性模量，2.0105MPa；代入計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)表7-2表7-2內(nèi)水壓力作用下配筋斷面面積表計(jì)算點(diǎn)(樁號(hào))pEhtm（×10—5m）f（mm2）選取實(shí)際面積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其它荷載作用下的配筋計(jì)算包括以下荷載作用：1）鉛直圍巖壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算：（7.2）式中：M——計(jì)算截面的彎矩，kN?m；N——計(jì)算截面上的軸力，kN；q——鉛直圍巖壓力強(qiáng)度，kPa；re——襯砌的外半徑，m；r——襯砌的平均半徑，m；K——圍巖的彈性抗力系數(shù)，kN/m3；E——襯砌材料的彈性模量，kPa；J——計(jì)算斷面的慣性矩，m4；b——計(jì)算寬度，取b=1m；A、B、C、D、F、G為系數(shù)，與有關(guān)，由表7-3查用。表7—3鉛直圍巖壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算系數(shù)表斷面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各個(gè)截面的鉛直圍巖壓力計(jì)算成果見(jiàn)表7-4。2）襯砌自重作用下,假定襯砌為等厚度，其設(shè)計(jì)值作用于各斷面上的內(nèi)力，可由下面的公式計(jì)算：（7.3）斷面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——單位面積的襯砌自重，kPa；A1、B1、C1、D1為系數(shù)，見(jiàn)表7-5；其余符號(hào)的意義同前。表7-5襯砌自重作用下的內(nèi)力計(jì)算系數(shù)表各個(gè)截面襯砌自重計(jì)算成果見(jiàn)表7-6。3）無(wú)水頭滿(mǎn)水作用時(shí)，水壓力徑向作用與襯砌上，其值由0（頂拱）起增加到（洞底），可按下面的公式進(jìn)行計(jì)算：（7.4）式中：——水的容重，kN/m3；——襯砌的內(nèi)半徑，m；A2、B2、C2、D2為系數(shù)，見(jiàn)表7-7；其余符號(hào)的意義相同。無(wú)水頭洞內(nèi)滿(mǎn)水壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算成果表見(jiàn)7-8。表7-7無(wú)水頭洞內(nèi)滿(mǎn)水壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算系數(shù)表斷面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然后按照不同工況進(jìn)行疊加求配筋f’，按下面的式子進(jìn)行。（7.5）式中，、——內(nèi)、外層鋼筋面積，m2；——襯砌有效厚度，0.6~0.7m；——內(nèi)、外圈鋼筋合力點(diǎn)到襯砌內(nèi)、外邊緣的距離，0.05m；——鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值，=229.63MPa；這里不計(jì)算外水壓力時(shí)的計(jì)算成果見(jiàn)表7-9。表中數(shù)據(jù)全部按絕對(duì)值取用。表7-9不計(jì)算外水壓力時(shí)的配筋計(jì)算成果截面(樁號(hào))斷面ΣMΣNfi'fe'選配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考慮彈性抗力時(shí)的配筋設(shè)計(jì)配筋比較表見(jiàn)表7-10，按照對(duì)稱(chēng)配筋原則，取大值保證安全和保證不小于最小配筋率的要求，選定配筋成果如表7-11。表7-10各種工況下的配筋比較表（f的單位：mm2，下同）截面不計(jì)外水壓力作用時(shí)內(nèi)水壓力作用下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考慮彈性抗力時(shí)的配筋成果表樁號(hào)實(shí)際配筋配筋面積間距0+032.75ф3632305422000+147.31ф3652508922000+183.31ф3662610721800+216.80ф3662610721800+357.00ф3622+ф403220362+377021800+377.00ф3612+ф40421017.92+50272180構(gòu)造筋計(jì)算：構(gòu)造配筋要求最小配筋率為0.15%，則最小配筋面積為Amin=A0.15%=(3.5-3.2)0.15%106=450mm2，以上配筋均滿(mǎn)足構(gòu)造要求。7.3裂縫驗(yàn)算7.3.1裂縫驗(yàn)算原則按照正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，最大裂縫寬度允許值為：1）、長(zhǎng)期組合：0.25mm；2）、短期組合：0.30mm；3）、水質(zhì)有侵蝕性時(shí)：0.20mm。設(shè)C1、C2為襯砌開(kāi)列寬度限制值，正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算規(guī)定：1）對(duì)于長(zhǎng)期組合，應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式：(7.6)2）對(duì)于短期組合，應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式：(7.7)式中：——材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；S1(·)、Ss(·)——作用效應(yīng)短期組合、長(zhǎng)期組合的功能函數(shù)；——可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的長(zhǎng)期組合系數(shù)，此處取1.0；——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為=2\*ROMANII級(jí)的隧洞支護(hù)取用1.0；由于內(nèi)水壓力作用，在襯砌中產(chǎn)生的軸向拉力，按下式計(jì)算：(7.8)式中：——彈性特征因素，按下式計(jì)算：，其中、為混凝土的彈性模量和泊松比，為圍巖單位抗力系數(shù)；其余符號(hào)同上。取其中截面引0+147.31演算有：=0.614=2.87106N7.3.2正截面裂縫寬度驗(yàn)算隧洞襯砌在軸心受拉、大偏心受拉及大偏心受壓情況，考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長(zhǎng)期作用影響后的最大裂縫寬度，可按下列公式計(jì)算：(7.9)(7.10)式中：——最大裂縫寬度，mm；——平均裂縫寬度，，v為形狀系數(shù)，mm；——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)<0.3時(shí)取0.3；、——計(jì)算系數(shù)，可以按下列數(shù)值取用：軸心受拉情況，=0.16，=0.60大偏心受拉情況，=0.075，=0.32大偏心受壓情況，=0.055，=0.235——襯砌結(jié)構(gòu)正常使用情況受拉鋼筋的應(yīng)力；、——受拉鋼筋的直徑和配筋率；——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；依然以引0+147.81截面=0斷面為例，驗(yàn)算裂縫開(kāi)列寬度。首先校核鋼筋的應(yīng)力，求出正常使用情況下鋼筋受拉的應(yīng)力：=+(7.11)=+(7.12)式中，==7.3910-5經(jīng)過(guò)計(jì)算得：=1.283N/mm2=0.814N/mm2然后計(jì)算內(nèi)層開(kāi)列：截面C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度為1.30N/mm2，鋼筋直徑d=36mm，配筋率為==0.03393；平均裂縫間距=60+1061.11軸心受拉情況，=0.16，=0.60，=0.7083，=229.78mm大偏心受拉情況，=0.075，=0.32，=0.8444，=136.21mm大偏心受壓情況，=0.055，=0.235，=0.8858，=115.89mm代入計(jì)算最大裂縫寬度：軸心受拉情況，=-0.063不合實(shí)際；大偏心受拉情況，=0.119mm<0.25mm大偏心受壓情況，=0.130mm<0.25mm.7.4縱向構(gòu)造筋縱向配筋選配ф14鋼筋，外層間距300mm，內(nèi)層間距250mm。內(nèi)外層環(huán)向筋之間配置構(gòu)造拉筋，選12@600即可。7.5鋼筋量計(jì)算成果詳見(jiàn)附圖BYSJ—2。

第8章壓力鋼管8.1設(shè)計(jì)假定與原則壓力鋼管上覆巖體厚度均大于3倍洞徑,故按埋管設(shè)計(jì)。壓力鋼管采用集中供水方式，鋼管壁厚由承受內(nèi)水荷載控制確定為，采用加勁環(huán)等措施滿(mǎn)足抗外壓穩(wěn)定要求；充分考慮一次支護(hù)作用，鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不計(jì)算山巖壓力。壓力鋼管一次支護(hù)：砂漿錨桿+鋼筋往+噴混凝土；二次支護(hù)：鋼板+素混凝土回填。為了防止隧洞段的滲水影響壓力鋼管，增加壓力鋼管的外水壓力，壓力鋼管起始處進(jìn)行灌漿，形成灌漿帷幕。灌漿材料為純水泥漿，灌漿孔深入巖石15m，經(jīng)灌漿后圍巖的滲透指標(biāo)應(yīng)小于3Lu（注：Lu為呂榮單位，是1Mpa壓力下，每米試段的平均壓入流量，以L(fǎng)／min計(jì)）。為了充填頂拱回填混凝土與圍巖及鋼管的空隙，保證頂拱襯砌與圍巖面及回填混凝土與鋼管間的緊密結(jié)合，在頂拱部位進(jìn)行回填灌漿，回填混凝土與鋼管間進(jìn)行接縫灌漿。8.2壓力鋼管壁厚設(shè)計(jì)8.2.1壓力鋼管直徑壓力管道的直徑應(yīng)通過(guò)動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定，在初步設(shè)計(jì)階段，可用彭德舒公式來(lái)初步確定。大中型壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)直徑：（8.1）式中：Qmax——鋼管的最大設(shè)計(jì)流量，m3/s；H——電站設(shè)計(jì)水頭；將Qmax=111.6m3/s，H=62.2m代入公式可得：D=5.30m。則高壓管道內(nèi)水流流速根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高壓管道內(nèi)的水流經(jīng)濟(jì)流速約為46m,符合要求，故取高壓管道的直徑D=5.3m。8.2.2高壓鋼管壁厚鋼管最小壁厚不小于（D/800+4）mm,據(jù)此規(guī)定，本次設(shè)計(jì)的高壓鋼管最小壁厚為11mm。為安全期間，不考慮巖石彈性抗力，在內(nèi)水壓力作用下，荷載由鋼管單獨(dú)承擔(dān)，依據(jù)下列公式求得鋼管壁厚：（8.2）式中：——水的容重，9.8kN/m3；H——內(nèi)水壓力水頭，查表6-3可知壓力鋼管所在斷面最大水頭H=132.86m；D——管道直徑，D=5.3m；——焊縫系數(shù)，取=0.9；——鋼材允許應(yīng)力，310MPa。將數(shù)據(jù)代入公式可得鋼管壁厚=13mm?？紤]鋼管銹蝕磨損及鋼管厚度誤差，管壁厚度比計(jì)算值增加2mm，所以結(jié)構(gòu)厚度13+2=15mm，取16mm。8.3壓力鋼管抗外壓失穩(wěn)計(jì)算壓力鋼管在放空時(shí)承載著遠(yuǎn)大于大氣壓力的外荷載，這些荷載主要來(lái)源于地下水壓力，鋼襯與混凝土之間的接縫灌漿壓力，回填混凝土?xí)r流態(tài)混凝土的壓力等。光面鋼襯的臨界壓力計(jì)算：采用經(jīng)驗(yàn)公式，求臨界壓力得：（8.3）式中：——鋼管壁厚，mm；——高壓管道襯砌內(nèi)徑，mm；——鋼材的允許應(yīng)力，310MPa；——臨界壓力，MPa；將上述相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式得，則鋼襯的允許外壓，安全系數(shù)K取2.0。即遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此鋼材承受的地下水壓力，灌漿壓力等荷載，故此設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，可不采用加勁環(huán)式鋼襯。8.4壓力鋼管外混凝土配筋壓力鋼管外包混凝土按照構(gòu)造要求配筋。由規(guī)范知，按Ⅱ級(jí)鋼筋偏心受壓梁去最小配筋率為0.4%。則1m隧洞段內(nèi)配筋：0.4×1×106×0.4%=1600mm2，則1m內(nèi)配6根環(huán)向ф20鋼筋,實(shí)際配筋面積1885mm2,滿(mǎn)足構(gòu)造要求。內(nèi)外層各三根，均勻?qū)ΨQ(chēng)分布。拉筋取ф12@600mm。見(jiàn)圖8-1縱向最小配筋率按0.18%取，采取對(duì)稱(chēng)配筋，配筋面積為：，選配84根ф14鋼筋，實(shí)際配筋面積為12927.6mm2,內(nèi)外層各42根，外層間距448mm，內(nèi)層間距388mm，如圖8-2所示。第9章不良地質(zhì)洞段處理柴石灘水電站引水隧洞內(nèi)徑為6.4m，長(zhǎng)377.0m，隧洞沿線(xiàn)水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧洞埋深較大，穿過(guò)圍巖的巖性主要為上震旦系陡山沱組（zbd）