XX水库供水隧洞结构计算书.doc

龙洞河水电站有压引水隧洞结构计算书
1 工程概况
公明供水调蓄工程供水隧洞是从鹅颈至公明水库连通隧洞L0+387桩号接往石岩水库的一条供水隧洞，全长6.397km，桩号为G0+000~G6+397。根据初步设计报告供水隧洞为2级建筑物，设计流量为10.24m3/s，采用圆型断面，内径为3.4m。供水隧洞进口底高程为29.60m，出口底高程为27.50m，隧洞全段纵坡为-0.0328%。供水隧洞Ⅱ类围岩3576m、Ⅲ类围岩1836m、Ⅳ类围岩345m、Ⅴ类围岩310m。
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” ）
《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004）（电力行业标准，下称“电力隧洞规范” ）
《水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）》（SDJ20-78）（以下简称“砼规”）
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）
2.2 参考资料
《深圳市公明水库调蓄工程初步设计报告》（深圳市水利规划设计院，2007.05）
《G-12　隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序》
《PC1500程序集地下结构计算程序使用中的几个问题》（新疆水利厅，张校正）
《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，1989）
《水击理论与水击计算》（清华大学出版社，1981）
《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，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PC1500程序集中的G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序。
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
Ⅱ、Ⅲ、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。
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
围岩
类别
断面
形式
内径
（m）
初衬厚度
（m）
二衬厚度
（m）
开挖洞径
（m）
弹性抗力计算半径（m）
结构计算半径（m）
Ⅱ
圆形
3.4
0.05
0.3
4.1
2.05
1.85
Ⅲ
圆形
3.4
0.1
0.3
4.2
2.1
1.85
Ⅳ
圆形
3.4
0.1
0.4
4.4
2.2
1.9
Ⅴ
圆形
3.4
0.2
0.4
4.6
2.3
1.9
土洞
圆形
3.4
0.2
0.4
4.6
2.3
1.9
6 荷载计算
6.1 围岩压力
1. Ⅱ、Ⅲ类围岩自稳条件好并采取了有效的支护，不考虑围岩压力。
2. Ⅳ类围岩能自稳数日，采取了有效的支护，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.2×γr×B= 0.2×23×4.4=20.24kN/m=2.024×10kN/m
Q2= Q3=0.05×γr×H=0.05×23×4.4=5.06kN/m=0.506×10kN/m
3. Ⅴ类围岩自稳能力较差，采用有效支护后能自稳，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.3×γr×B= 0.3×21×4.6=28.98kN/m=2.898×10kN/m
Q2= Q3=0.1×γr×H=0.1×21×4.6=9.66kN/m=0.966×10kN/m
4. 土洞围岩压力计算
1）计算依据
土洞围岩压力按隧洞规范8.1.2条确定：对能形成塌落拱的土洞，可按松动介质平衡理论估算围岩压力；不能形成塌落拱的浅埋土洞，围岩压力宜按顶拱的上覆土体重力计算围岩压力，并根据地形条件、施工所采取的稳定措施予以修正。
2）计算断面的确定
对供水隧洞进出口处深埋土洞根据北线隧洞经验可以形成塌落拱，故土洞围岩压力最大处为深浅埋土洞的分界处，计算断面亦取深浅埋土洞的分界处
3）塌落拱高度计算
查《取水输水建筑物丛书－隧洞》P54表3-2岩石坚固系数及其它力学指标表，密实粘土及粘质土坚固系数fK=1.0，换算内摩擦角为
Φ=45°。
b1=2.3m，b2=b1+ b1×tg(45-Φ/2)=3.253m。
计算塌落拱高度等于拱跨度之半b2除以岩石的坚固系数fK，即h=b2/fK=3.253/1=3. 253m。
根据《取水输水建筑物丛书－隧洞》3-9式，取曲线形洞顶实际塌落拱高度为计算塌落拱高度的0.7倍，荷载等效高度（塌落拱高度）Hg=0.7h=2.277m。
4）垂直围岩压力计算
根据规范8.1.2条条文说明，深浅埋土洞的分界深度Hp=2.5Hg=2.5×2.277=5.69m
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》第4.4.7条规定：浅埋土质隧洞采用钢架喷混凝土支护时，钢架应有足够的刚度和强度，应能承受40~60kN/m2的垂直土压力。
《铁路隧道新奥法指南》第3.4.13条规定：钢架的设计强度，应保证能单独承受2~4m高的松动岩柱重量。
本次计算按初期支护承担2m土重考虑，则折减以后土洞围岩压力为：
Q4=(5.69-2)×18=66.42 kN/m=6.642×10kN/m
5）侧向围岩压力计算
侧向水平围岩压力计算按松散体理论，根据《取水输水建筑物丛书－隧洞》P57页公式3-10及3-11计算。
Q2= 0.7×γ×h×tg2(45°-Φ/2)=0.7×18×3.253×tg2(45-45/2)=7.03 kN/m=0.703×10kN/m
Q3=(0.7×h +H)×γ×tg2(45°-Φ/2)
= (0.7×3.253+4.6)×18×tg2(22.5°)
=22.17 kN/m=2.217×10kN/m
6.2 弹性抗力
围岩单位弹性抗力主要根据初步设计报告第3章表3.6.2.2选取（P89），如表6-1所示。
表6-1　　　　　　公明水库输水隧洞围岩主要物理力学参数
围岩类别
密度γ
(g/cm3)
内摩擦角φ(°)
凝聚力C
(MPa)
变形模量E
(GPa)
泊松比μ
单位弹性抗力系数
K0（MPa/cm）
备 注
有压洞
无压洞
Ⅱ
2.5~2.7
40~45
1.7~3.5
10.0~20.0
0.17~0.23
50~100
15~20

Ⅲ-1
2.4~2.5
37~40
1.0~1.7
7.0~10.0
0.23~0.26
35~50
10~15
偏于Ⅱ类岩特征
Ⅲ-2
2.3~2.4
35~37
0.4~1.0
5.0~7.0
0.26~0.29
20~35
5~10
偏于Ⅳ类岩特征
Ⅳ-1
2.2~2.3
32~35
0.25~0.4
2.0~5.0
0.29~0.32
12~20
3~5
位于地下水位以上或偏于Ⅲ类岩特征
Ⅳ-2
2.1~2.2
30~32
0.1~0.25
0.5~2.0
0.32~0.35
5~12
1~3
位于地下水位以下或偏于Ⅴ类岩特征
Ⅴ-1
1.9~2.1
20~30
0.05~0.1
0.05~0.5
0.35~0.36
2~5
0.75~1
位于地下水位以上
Ⅴ-2
1.8~1.9
10~20
0.02~0.05
0.02~0.05
0.36~0.38
1~2
0.5~0.75
位于地下水位以下
6.2.1 有内水压力时弹性抗力
有压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：
Ⅱ类围岩弹性抗力系数k2=((50+75)/2)/2.15=29.07 MPa/cm =290700×10kN/m3
Ⅲ类围岩弹性抗力系数k3=((20+35)/2)/2.2= 12.5MPa/cm =125000×10kN/m3
Ⅳ类围岩弹性抗力系数k4=((5+12)/2)/2.3=3.7 MPa/cm =37000×10kN/m3
Ⅴ类围岩弹性抗力系数k5=((1+2)/2)/2.4=0.625 MPa/cm =6250×10kN/m3
土洞根据隧洞规范8.1.3条按不计土体联合作用考虑，根据《水工隧洞设计规范》（SD134-84）附录程序说明取弹性抗力系数k6=100×10kN/m3
6.2.2 无内水压力时弹性抗力
根据《水工设计手册》第七卷P7-47页，无压隧洞围岩弹性抗力系数（又称地基系数）k=b×k0，其中b为弹性地基梁宽度，取单宽b=1m；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：
Ⅱ类围岩弹性抗力系数k2=(15+17.5)/2=16.25 MPa/cm =162500×10kN/m3
Ⅲ类围岩弹性抗力系数k3=(5+10)/2= 7.5MPa/cm =75000×10kN/m3
Ⅳ类围岩弹性抗力系数k4=(1+3)/2=2 MPa/cm =20000×10kN/m3
Ⅴ类围岩弹性抗力系数k5=(0.5+0.75)/2=0.625 MPa/cm =6250×10kN/m3
土洞根据隧洞规范8.1.3条按不计土体联合作用考虑，根据《水工隧洞设计规范》（SD134-84）附录程序说明取弹性抗力系数k6=100×10kN/m3
6.3 内水压力
鹅颈水库正常蓄水位（扩建后）为66.70m，设计洪水位为67.43m，校核洪水位为67.8m；公明水库正常蓄水位为59.70m，设计洪水位为60.25m，校核洪水位为60.58m；石岩水库正常蓄水位为36.59m，设计洪水位为38.98m，校核洪水位为39.94m。
正常运行期设计水位采用正常蓄水位校核工况采用校核水位；供水隧洞桩号L6+397（出口处）洞底高程最低，为27.50m，此处为Ⅴ类围岩，供水隧洞正常运行由公明水库向石岩水库供水，正常运行期最大内水压力（静水压力）为59.7-27.5=32.2m，考虑到供水隧洞纵坡较缓（0.0238%），不远处就有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩，高程相差不到0.4m，故所有类别围岩正常运行期最大内水压力（静水压力）偏安全考虑均取32.2m。考虑北线鹅颈-石岩隧洞检修或事故情况下可利用本工程供水隧洞供水，故校核内水压力（静水压力）取67.8-27.5＝40.3m。
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。
根据初设报告P87-P89供水隧洞地质描述（摘录见斜体字）及供水隧洞纵断面图，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，典型断面桩号、计算水头、折减系数及作用水头详见表6-2。
表6-2　　　 　　外水压力水头计算表
工 况
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
土洞
无内水组合
（最大地下水作用水头处断面）
桩号
L4+860
L4+840
L0+240
L2+530
L1+000
βe
0.4
0.6
0.8
1.0
1.0
He（m）
122.8
122.8
39.1
26.1
4.3
Pe（m）
49.12
73.68
31.28
26.1
4.3
有内水组合
（最小地下水作用水头处断面）
桩号
L6+250
L1+356
L2+450
L1+340
L1+010
βe
0.1
0.25
0.4
0.65
0.65
He（m）
11.2
3.5
8.7
0
3.7
Pe（m）
1.12
0.875
3.48
0
2.4

（15）、G2+737～G6+250，段长3513m，隧洞埋深27.8～180.1m，地下水位至隧洞顶板27.8～120.2m，Ⅱ类围岩，局部Ⅲ类（约占10%），弱-微风化花岗岩，岩体呈整体块状结构，较完整，裂隙不发育，潮湿，沿裂隙有滴水，在局部可形成线状流水，围岩基本稳定，但局部可能掉块。局部裂隙相对集中区域成Ⅲ类围岩，完整性稍差，围岩局部稳定性差，可能出现坍塌和变形。
（8）、G1+355～G1+465，段长110m，隧洞埋深11.5～44.7m，地下水位至隧洞顶板2.1～20.9m，Ⅲ类围岩，弱风化片麻岩，岩体完整性较差，裂隙较发育，围岩局部稳定性差，可发生坍落或掉块。以滴水为主，沿裂隙有线状流水。
（2）、G0+080～G0+280，段长200m，隧洞埋深60.5～77.5m，地下水位至隧洞顶板32.3～37.5m，Ⅳ类围岩，弱风化片麻岩，岩体完整性差，裂隙发育，围岩稳定性差，易坍塌或掉块。沿裂隙多有线状流水。
（13）、G2+435～G2+648，段长213m，隧洞埋深10.4～48m，地下水位至隧洞顶板7.6～24.5m，Ⅳ-Ⅴ类围岩，f 4断层及影响带，形成构造碎裂岩糜棱岩，裂隙极发育，岩体极破碎(但有初步胶结，胶结力较弱)，沿裂隙有线状流水，部分股状，围岩不稳定，易坍塌或变形。
（7）、G1+340～G1+355，段长15m，隧洞埋深3.7～11.5m，地下水位至隧洞顶板0～2.1m， V类围岩，全-强风化片麻岩，不稳定，极易坍塌, 滴水及线状流水。
（5）G0+922～G1+010，段长88m，隧洞埋深12.2～44.3m，地下水位至隧洞顶板2.1～12.2m，V类围岩，强风化片麻岩，呈风化岩块状和半岩土状，不稳定，极易坍塌，滴水及线状流水。
鉴于有内水组合工况外水压力仅0~3.48m，数值较小；另处根据北线隧洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩及土洞初期支护后部分洞壁较为干燥，偏安全考虑本次计算有内水组合工况时有外水压力取值为0。
6.5 动水压力
发电引水隧洞进水口设有检修闸门和工作闸门，下接压力钢管，设计引水流量8m3/s，下游接冲击式水轮机的控制阀门，引水隧洞运行时可考虑关闸水锤动水压力增加值。
6.5.1 水位组合
参考有压引水隧洞的水力计算成果，取满足发电要求的最低水位1294.0m为计算水锤动水压力的上游水位，对应下游尾水位为1087.7m，尾水坎高程1087.05m。
6.5.2 计算方法
本次计算对是否考虑有引水隧洞和压力钢管水力损失分别进行计算，不考虑水损时采用《水工设计手册》简化方法计算；考虑水损时采用《水击理论与水击计算》中的特征线法编制程序求解。
6.5.3 初始条件
洞径分两种：起始段为有压引水隧洞，D1＝2.2m，隧洞长L1＝2644m；末段为紧接水轮机的压力钢管，D2＝1.44m，隧洞长L2＝263.77m。隧洞上游进口水位Z0=1294.0m，下游压力钢管出口水位Zn＝1087.7m，水头差ΔH＝1294-1087.7=206.3m，出口尾水坎高程为Zn＝1087.05m。
6.5.4 水锤传播速度
根据《水工设计手册》P7-100：除均质薄壁管外，各组合管的水锤波速公式都是近似的，水锤波速对第一相水锤影响较大，对于最大水锤压强出现在第一相末的情况，可取一个略为偏小的数值以策安全。水锤波速应对以后各相水锤的影响逐渐减小，对大多数电站，最大水锤压强出现在开度变化接近终了时刻，此时不必过分追求水锤波速的精度。
根据《水工设计手册》第七卷（以下称《手册》）P7-99，水锤波速按式（33-1-7）计算：
（33-1-7）
式中：Ew、γ------水的体积弹性模量和容重，在一般温度和压力下，Ew＝2.1×104kg
/cm2，γ＝0.001kg/cm3；
r------管道半径
k------抗力系数，引水隧洞为钢筋混凝土管，按式（33-1-11）计算k值；压力钢管为薄壁管，按式（33-1-8）计算k值。
（33-1-11）
式中：r——管道半径；
Es和Ec——钢筋和混凝土的弹性模量，取C25砼弹性模量Ec＝2.85×105 kg/cm2，钢筋弹性模量Es＝2.09×106 kg/cm2。
f——每厘米长管壁中钢筋的截面积；
——管壁厚度，取30.0cm
（33-1-8）
式中： r------管道半径；
Es------管材的弹性模量，取E＝2.1×106 kg/cm2
——管壁厚度，取1.0cm
由上述公式（33-1-11）和（33-1-8）计算水锤波速值如下：
1、前段引水隧洞r＝2.2m，＝30cm

2、后段压力管道r＝1.44m，＝1.0cm

根据《手册》式（33-1-17），计算隧洞平均波速为：

6.5.5 相长：根据《手册》式（33-1-18），水锤的相长为：
6.5.6 等价隧洞中的流速
《水力学》计算公式：
1、引水隧洞R＝D1/4＝0.55m，n＝0.015 代入上式得： λ＝0.02
考虑10%局部水头损失，λ1＝1.1×λ＝0.022
Φ＝Cv0/(2gH0)=1432.4×2.1/(2×9.8×15.213)＝10.088m
ζ1=2Φ＝2×10.088=20.176
阀门断面水头增值为
ΔH1=20.176×15.213=306.94m
关闭阀门后阀门前水头为
H1=H0+ΔH1=15213+306.94=322.153m
引水隧洞中最大流速：

2、供水隧洞R＝D2/4＝0.85m，n=0.015 代入上式得：λ2＝0.01864
考虑10%局部水头损失，λ2＝1.1×λ＝0.0205
供水隧洞水头差为ΔH2＝6397/10670×23.11＝13.855m
供水隧洞中最大流速：
3、等价最大流速：
根据《手册》式33-1-57，根据管道中水体动能不变的要求得：

4、等价过流断面面积根据水电站33-1-57及各断面过流量不变原则反推：

5、等价直径：
6.5.7 边界条件与基本假设
1）隧洞末端断面的边界条件
隧洞末端与水库相连，故隧洞末端断面的流动条件与控制设备及其控制规律相关，下游端闸门按线性开关考虑，闸门开度与时间关系为直线规律变化：
由于闸门的关闭时间可由设计设定，故分别取不同的关闭时间进行试算，选取合适的关门时间，Ts分别取300s、360s、420s、480s、540s。
2）隧洞进口断面的边界条件
隧洞进口与水库相连，由于库容很大，库水位不会因隧洞流量的变化而涨落，所以，进口的边界条件是：水击波的传播过程中，进口断面的水位保持为常数即Z 0。
6.5.8 等价隧洞特性常数
管道断面特征系数：5.56 《手册》式（33-1-32）
H0——管道出口初始作用水头，23.11m。
水锤特征系数： 《手册》式（33-1-37）
＝0.423、0.352、0.302、0.264、0.235
（分别为300s、 360s、420s、480s、540s的关门时间）
6.5.9 水锤计算
1）不考虑隧洞水力损失： （τ0------闸门初始开度），根据《手册》P7-103产生极限水锤的判别条件，属极限水锤范畴。将数据代入《手册》式33-1-43，不同关门条件计算结果见表6-3。
式33-1-43
2）考虑隧洞水力损失：将以上数据代入程序，不同关门条件计算结果同列于表6-3。
表6-3 不同关门时间下游端水锤计算成果表
关门时间
(min)
设计内水静水压力(m)
上下游水位差ΔH
(m)
考虑隧洞水力损失
不考虑水损
最高水位
(m)
最高水头
(m)
动水压力P (m)
ζ=P/ΔH
ζm
动水压力
5
32.2
23.11
73.57
46.07
13.87
0.600
0.522
12.06
6
32.2
23.11
70.9
43.40
11.2
0.485
0.419
9.68
7
32.2
23.11
69.09
41.59
9.39
0.406
0.351
8.11
8
32.2
23.11
67.79
40.29
8.09
0.350
0.301
6.96
9
32.2
23.11
66.8
39.30
7.1
0.307
0.264
6.10
根据《手册》P7-118说明，在水头较低、压力隧洞较长和阀门关闭时间较长的情况下，进行水锤计算时考虑压力水管的水力损失是必要的。综合考虑选取关门时间为6min，采用不考虑隧洞水力损失的计算成果，动水压力为11.20m，水锤压力升高系数为0.485。由于还未考虑调压室（检修支洞）的影响，本计算成果是偏安全的。
6.6 灌浆压力
根据隧洞规范9.1.2条，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段回填灌浆压力采用0.4MPa，对填土洞灌浆压力采用不大于0.2MPa。根据《水工设计手册－水电站建筑物》荷载组合说明（P7-53），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，其余为外水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不计灌浆压力。
6.7 不同工况荷载取值情况
不同工况荷载取值详见表6-3。
表6-3 　不同工况荷载取值情况表
工
况

类
别
基本组合
工况1（正常运行）
工况2（检修期）
衬砌
自重
(m)
围岩
压力
(10kN
/m)
弹性抗力
(10kN
/m3)
内水
压力
(m)
动水
压力
(m)

计算内压
(m)
围岩
压力
(10kN
/m)
弹性抗力
(10kN
/m3)
外水
压力
(m)
Ⅱ
d=0.3
0↓
0→
290700
32.2
11.2
43.4
0↓
0→
162500
-49.12
Ⅲ
d=0.3
0↓
0→
125000
32.2
11.2
43.4
0↓
0→
75000
-73.68
Ⅳ
d=0.4
2.024↓
0.506→
37000
32.2
11.2
43.4
2.024↓
0.506→
20000
-31.28
Ⅴ
d=0.4
2.898↓
0966→
6250
32.2
11.2
43.4
2.898↓
0.966→
6250
-26.10
土
洞
d=0.4
6.642↓
0.703→
2.217→
100
32.2
11.2
43.4
6.642↓
0.703→
2.217→
100
-4.3
工
况

类
别
特殊组合
工况3（施工期）
工况4（校核）
衬砌
自重
(m)
围岩
压力
(10kN
/m)
弹性抗力
(10kN
/m3)
外压(取大值)
围岩
压力
(10kN/m)
弹性抗力
(10kN/m3)
内水
压力
(m)
外水
压力
(m)
外水
压力(m)
灌浆
压力
(m)
Ⅱ
d=0.3
0↓
0→
162500
-49.12
-40
0↓
0→
290700
40.3
0
Ⅲ
d=0.3
0↓
0→
75000
-73.68
-40
0
0→
125000
40.3
0
Ⅳ
d=0.4
0
0→
20000
-31.28
-40
2.024↓
0.506→
37000
40.3
0
Ⅴ
d=0.4
0↓
0→
6250
-26.10
-40
2.898↓
0.966→
6250
40.3

0
土
洞
d=0.4
0↓
0→
0→
100
-4.3
-20
6.642↓
0.703→
2.217→
100
40.3
0

-17-
7 计算简图
供水隧洞计算简图以Ⅳ类围岩段为例，如图6-1所示，其它类围岩段尺寸见表8-1。

8 参数取值
G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序参数含义及取值如表8-1所示。

表8-1　　　　　　　G-12通用程序参数含义及取值情况表
参数
数值
备　　注
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
土洞
A
1
1
1
1
1
断面形状编号，参阅G-12程序说明附图。
Ky

基本：1.60　特殊1.45
钢筋砼偏心受压安全系数　砼规31条表8
K1
基本：1.80 特殊 1.60
受内水压力控制情况，隧洞规范表6.3.3
基本：1.50　特殊1.40
其他情况砼抗拉安全系数　砼规31条表8
R#
250
250
250
250
250
混凝土标号，如250#应为“250”
Rg
3400
3400
3400
3400
3400
钢筋强度（kg/cm2）砼规18条表5
Eg
2E+06
2E+06
2E+06
2E+06
2E+06
钢筋弹性模量（kg/cm2）砼规19条表6
A
5
5
5
5
5
钢筋毛保护层（cm）
D
1.6
1.8
2
2.2
2.5
钢筋直径（cm），用以计算裂缝开展宽度
L1
0
0
0
0
0
半跨底宽（m）
H2
0
0
0
0
0
侧墙高度（m）
R1
0
0
0
0
0
弧形底板半径（m）
R2
1.85
1.85
1.9
1.9
1.9
侧底拱半径（m）
R4
1.85
1.85
1.9
1.9
1.9
侧顶拱半径（m）
a1
0
0
0
0
0
弧型底板半中心角（角度）
a2
90
90
90
90
90
侧底拱中心角（或半中心角）角度）
a4
90
90
90
90
90
侧顶拱中心角（或半中心角）（角度）
D1
0
0
0
0
0
底板厚度（m）
D2
0.3
0.3
0.4
0.4
0.4
侧底拱厚度
D3
0
0
0
0
0
侧墙厚度（m）
D4
0.3
0.3
0.4
0.4
0.4
侧顶拱起点厚度（m）
D5
0
0
0
0
0
顶板厚度（m）（或侧顶拱终点厚度）
Q4
0
0
2.024
2.898
6.642
顶部垂直均布荷载（10kN/m）
Q3
0
0
0.506
0.966
0.703
侧向分布荷载上端点值（10kN/m）
Q2
0
0
0.506
0.966
2.217
侧向分布荷载下端点值（10kN/m）
Q1
0
0
0
0
0
底部垂直均布荷载（10kN/m）
H0
详见6.7不同工况荷载取值情况
水压荷载水头值（内压为正）（m）
P
灌浆压力(各边均布法向荷载，外压为正)(m)
Rh
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
衬砌容重（10kN/m3）
Eh
2.85E+6
2.85E+6
2.85E+6
2.85E+6
2.85E+6
衬砌弹性模量（10kN/m2）砼规17条表4
K1
详见6.7不同工况荷载取值情况
底板、侧底拱部位围岩弹抗系数（10kN/m3）
K2
0
0
0
0
0
侧墙部位围岩弹抗系数（10kN/m3）
K3
详见6.7不同工况荷载取值情况
顶板、侧顶拱部位围岩弹抗系数（10kN/m3）

9 程序计算结果
表9-1　　　　　　　　供水隧洞Ⅱ类围岩段计算成果表
单元
轴向力
10kN
剪力
10kN
弯矩
10kN.m
受压钢筋
cm2
受拉钢筋
cm2
抗裂系数
裂缝宽度
cm
实际配筋
实配面积
cm2
工况1
36.202
0.003
0.006
9.568
9.598
2.542
0.014
Ф16
＠
100
20.11
工况2
-93.785
1.200
-0.798
0.000
0.000
99.999
0
工况3
-93.785
1.200
-0.798
0.000
0.000
99.999
0
工况4
34.261
0.003
0.006
8.048
8.075
2.667
0.017
表9-2　　　　　　　　供水隧洞Ⅲ类围岩段计算成果表
单元
轴向力
10kN
剪力
10kN
弯矩
10kN.m
受压钢筋
cm2
受拉钢筋
cm2
抗裂系数
裂缝宽度
cm
实际配筋
实配面积
cm2
工况1
51.594
0.003
0.006
13.642
13.672
1.818
0.013
Φ18
＠
100
25.24
工况2
-138.976
1.195
-0.931
0.000
0.000
99.999
0
工况3
-138.976
1.195
-0.931
0.000
0.000
99.999
0
工况4
48.795
0.003
0.006
11.468
11.494
1.904
0.016
表9-3　　　　　　　　供水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果表
单元
轴向力
10kN
剪力
10kN
弯矩
10kN.m
受压钢筋
cm2
受拉钢筋
cm2
抗裂系数
裂缝宽度
cm
实际配筋
实配面积
cm2
工况1
71.878
-0.797
0.595
17.977
20.076
1.563
0.012
Φ20
＠
100
31.42
工况2
-68.882
-2.064
1.892
0.000
0.000
99.999
0
工况3
-81.884
1.093
-1.144
0.000
0.000
99.999
0
工况4
67.745
-0.931
0.706
15.503
17.048
1.596
0.016
表9-4　　　　　　　　供水隧洞V类围岩段计算成果表
单元
轴向力
10kN
剪力
10kN
弯矩
10kN.m
受压钢筋
cm2
受拉钢筋
cm2
抗裂系数
实际配筋
实配面积
cm2
裂缝宽度
cm
工况1
74.117
-3.098
2.845
14.599
24.639
1.10
Φ25
＠
100
49.09
0.0206
工况2
-60.349
-2.525
2.351
0.000
0.000
99.999
0
工况3
-81.850
1.093
-1.148
0.000
0.000
99.999
0
工况4
69.709
-3.112
2.859
15.341
20.886
1.126
0.0091

表9-5　　　　　　　　供水隧洞土洞段计算成果表
单元
轴向力
10kN
剪力
10kN
弯矩
10kN.m
受压钢筋
cm2
受拉钢筋
cm2
抗裂系数
实际配筋
实配面积
cm2
裂缝宽度
cm
工况1
74.148
-6.925
6.539
17.589
31.167
0.760
Φ25
＠
100
49.09
0.0206
工况2
-24.400
-5.875
5.532
0.000
4.607
1.684
0.005
工况3
-42.856
1.071
-1.120
0.000
0.000
99.999
0
工况4
71.109
-7.562
7.236
14.823
28.082
0.721
0.0098
10 结论
根据砼规第82条规定，当钢筋混凝土构件抗裂度大于1.2时，不再进行裂缝宽度的验算。当抗裂度不满足要求时，进行裂缝宽度的验算，其最大裂缝宽度的计算值长期组合不超过0.25mm，短期组合不超过0.3mm。根据实际钢筋利用电子表格计算裂缝宽度。
供水隧洞Ⅱ类围岩段采用双层配筋，均采用Φ16＠100，实配面积20.11cm2，大于计算面积11.691 cm2，抗裂系数最小值为2.542，大于1.2，满足规范要求。
供水隧洞Ⅲ类围岩段采用双层配筋，均采用Φ18＠100，实配面积25.24cm2，大于计算面积16.691 cm2，抗裂系数最小值为1.818，大于1.2，满足规范要求。
供水隧洞Ⅳ类围岩段采用双层配筋，均采用Φ20＠100，实配面积31.42cm2，大于计算面积23.759 cm2，抗裂系数最小值为1.563，大于1.2，满足规范要求。
供水隧洞V类围岩段采用双层配筋，内侧采用Φ25＠100，实配面积49.09cm2，外侧采用Φ22＠100，实配面积38.01cm2，大于计算面积29.294 cm2，最大裂缝宽度长期组合为0.206mm，短期组合为0.091mm，满足规范要求。
供水隧洞土洞段采用双层配筋，内侧采用Φ25＠100，实配面积49.09cm2，外侧采用Φ22＠100，实配面积38.01cm2，大于计算面积35.94 cm2，最大裂缝宽度长期组合为0.206mm，短期组合为0.098mm，满足规范要求。