河口村水庫1號泄洪洞洞身支護結構設計

孫永波，杜遠征

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450003)

1 工程概況

河口村水庫工程位于河南省濟源市河口村附近的沁河干流上，開發任務以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發電、改善河道基流等綜合利用。水庫總庫容3.17億m3，正常蓄水位275.00 m，設計、校核洪水位均為285.43 m。工程等別為Ⅱ等，屬大(2)型工程，主要建筑物有混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、供水發電洞等。泄洪洞為2條，均布置在左岸，兩洞軸線相距40 m，擔負著泄洪、排沙及放空水庫的任務，均為明流泄洪洞，建筑物級別均為2級，靠河道側泄洪洞為1號泄洪洞。

1號泄洪洞由引渠、進水塔、洞身段、出口挑流段組成，洞身全長為643.00 m。進水塔進口高程195.00 m，塔基尺寸49.00 m×33.00 m(長×寬)。1號泄洪洞進水口為有壓短管進口，分為兩孔，孔口大小4.00 m×7.00 m(寬×高)，工作門采用偏心鉸弧門，門后為突跌突擴結構，突跌跌坎高度1.30 m，兩邊各突擴0.50 m。洞身結構起點樁號為1泄0+024.96，樁號1泄0+024.96～樁號1泄0+047.53段為漸變段1段，洞身斷面由兩孔矩形斷面5.00 m×13.59 m(寬×高)漸變為一孔城門洞型14.00 m×13.50 m(寬×高，矢高2.5 m)。洞身1泄0+047.53～1泄0+097.53段為漸變段2段，洞身斷面由城門洞型14.00 m×13.50 m(寬×高)漸變為標準城門洞型9.00 m×13.50 m(寬×高，矢高2.5 m)。樁號1泄0+024.96～1泄0+044.96段洞身縱坡為10%，1泄0+044.96至出口段洞身縱坡為2.338%，兩縱坡間采用半徑30.00 m的圓弧銜接。

2 復雜圍巖條件

1號泄洪洞穿越的地層從進口到出口依次為：太古界登封群(Ard)變質巖、中元古界汝陽群(Pt2y、Pt2b、Pt2bd)厚層～巨厚層為主的硅質石英礫巖、鐵鈣質粉砂巖和硅質石英巖狀砂巖、寒武系饅頭組(∈1m1～∈1m6)中厚層～薄層為主的碳酸鹽巖類，主要巖性為板狀白云巖、條帶狀灰巖、鈣質砂巖、頁巖等。其中∈1m3以泥灰巖為主，巖性軟，遇水軟化，層間有數層泥化夾層或鏡面，為不穩定的軟弱結構面，圍巖的洞段穩定性較差。

1號泄洪洞穿過的地層復雜，斷層裂隙發育，圍巖條件較差，先后穿越的斷層為F11逆掩斷層、五廟坡斷層帶(F6、F7、F8)及F4、F5等小斷層，Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段長度占70%。其中五廟坡斷層斷距大，斷層帶寬達70 m，斷層帶物質為斷層泥及碎塊巖，為碎裂結構，成股水流滲水嚴重，對洞身支護結構穩定不利(見表1)。

表1 河口村水庫1號泄洪洞圍巖分類及主要物理力學參數

3 洞身開挖臨時支護

1號泄洪洞洞身開挖跨度大，進口洞身結構起算點處開挖寬度達18.40 m，最小開挖寬度位于隧洞出口處，開挖寬度也有11.00 m。洞身穿過的地層復雜，圍巖破碎，圍巖穩定性較差。為確保泄洪洞施工期圍巖穩定和開挖安全，參照《水工隧洞設計規范》(DL/T 5195—2004)，并收集國內外同類相似工程的洞身開挖噴錨支護參數，確定本泄洪洞開挖支護參數(見表2)。實際施工中，對V類圍巖大多洞段增加了鋼拱架支護措施,鋼拱架間距1.00 m，鋼拱架采用工字鋼型號為22A。

表2 泄洪洞開挖臨時支護參數

注：根據現場開挖揭露洞身圍巖實際情況，復核確定布置鋼拱架等加強措施。

4 洞身襯砌永久支護

洞身襯砌永久支護采用鋼筋混凝土結構，洞身穿過的地層較為復雜，根據圍巖類別、洞身運行條件、內外水荷載及與襯砌施工特點等，分段采取不同襯砌型式。洞身襯砌厚度沿程變化，分別在2.50～0.80 m之間。

4.1 計算方法

1號泄洪洞為明流泄洪洞，洞身樁號1泄0+024.96～1泄0+044.96段為兩孔矩形斷面，其永久支護結構計算采用《水利水電工程設計計算程序集》中《帶斜桿帶彈性地基梁的平面框架內力及配筋計算書G—14》。計算中假定底板為彈性地基梁，考慮彈抗系數的影響，其他各桿件不考慮彈抗系數影響，把圍巖壓力作為荷載加上去，考慮剛域及剪切變形的影響，完成結構計算。

本泄洪洞其他洞身段支護結構計算根據原《水工隧洞設計規范(試行)》(SD 134—84)推薦，采用邊值法數值求解，其思路是：將襯砌結構的計算簡化非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數數值解法，并結合水工隧洞的洞型和荷載特點，以計算水工隧洞襯砌在各主動荷載及其組合作用下的內力、位移及抗力分布。無須假定襯砌上的抗力分布，由程序經迭代計算自動得出。本泄洪洞其他洞身段支護結構計算采用水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計軟件SDCAD4.0水利版完成。

4.2 工況及荷載組合

根據河口村水庫泄洪洞運行情況，將泄洪洞的計算工況分為運行期、檢修期、施工期(見表3)。

表3 各工況荷載組合

4.3 初始條件

根據河口村水庫洪水特點，校核水位工況洪峰值雖較高，但歷時較短，在山體內難以形成穩定的地下水位線。所以，泄洪洞洞身支護結構設計時，假定山體內穩定地下水位線由庫區正常蓄水位確定，即正常蓄水位275.00 m。

根據本工程地質條件并參考同類工程成功經驗，假定泄洪洞洞身在防滲帷幕處上下游外水水頭折減系數取30%，帷幕前外水位為正常蓄水位275.00 m，帷幕后外水位為線性變化，與泄洪洞出口洞頂連接，洞身最大外水水頭達87.61 m(見圖1)。

洞身混凝土設計標號為C30，迎水面混凝土保護層厚度為165 mm，背水面混凝土保護層厚度為65 mm，采用限裂設計，運行期最大裂縫寬度允許值為0.30 mm，檢修期最大裂縫寬度允許值為0.35 mm，施工期不進行裂縫寬度驗算，山體圍巖壓力垂直壓力系數取0.2，側向壓力系數取0.05。

4.4 計算成果

1號泄洪洞進口段由于洞身跨度較大，覆蓋巖體厚度較薄，受斷層及裂隙影響較大，外水水頭較高，局部洞段襯砌厚度較厚，達到2.50 m，鋼筋直徑達到40 mm(見表4)。

圖1 1號泄洪洞縱剖面、圍巖類別、地下水位及洞身樁號

表4 1號泄洪洞洞身襯砌永久支護主要鋼筋成果

續表4 1號泄洪洞洞身襯砌永久支護主要鋼筋成果

5 結 論

河口村水庫1號泄洪洞洞身斷面跨度較大，漸變段長度較長，穿越的地質條件復雜，圍巖穩定較差，成股水流滲水嚴重，Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段約占70%，影響洞段較長，對洞身支護結構設計受制條件較多。本設計采用合理的邊界參數，根據不同洞身斷面采用合適的計算方法，得到可靠的設計成果。在此基礎上，該泄洪洞已于2013年順利建成完工，并于2017年10月通過竣工驗收。目前1號泄洪洞安全運行超過5 a，運行狀況良好。