某水电站引水隧洞衬砌结构计算书

目录
1 计算总说明 (1)
1.1 计算目的及要求 (1)
1.2 基本资料 (1)
1.3 计算原则和假定 (1)
1.4 材料参数 (2)
1.5 参考书目及资料 (2)
2 计算过程 (3)
2.1 围岩分担内压 (3)
2.2 按初拟配筋计算钢筋应力 (8)
2.3 按限裂标准复核钢筋应力 (9)
2.4 抗外压计算 (11)
3 计算成果及分析 (13)
4 附图........................................... 错误！未定义书签。

引水隧洞衬砌结构计算书
1 计算总说明
1.1 计算目的及要求
本算稿采用高压隧洞的透水衬砌方法（公式法）对某水电站引水隧洞进行内力和配筋计算，为施工详图设计阶段引水隧洞衬砌的施工图绘制提供合理的数据依据。

1.2 基本资料
引水隧洞布置于XX河左岸，进水口至调压室引水隧洞长全长15541.226 m，为有压隧洞。

引水隧洞建筑物为3级，结构安全级别为Ⅱ级。

沿线山体雄厚，设计洞轴线与主要结构面呈较大角度相交，具备基本的地形地质条件，围岩类别以Ⅲ类为主，局部稳定性差，应及时采取支护措施；少部分洞段属Ⅱ类围岩，基本稳定，Ⅳ~Ⅴ类围岩不稳定。

Ⅱ、Ⅲ1类围岩段，采用马蹄形断面(喷锚支护方式)，Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类围岩段采用马蹄形或圆形断面（钢筋混凝土衬砌支护方式），本算稿仅针对钢筋混凝土衬砌支护段进行结构计算。

围岩分类及参数详见附页互提资料单。

1.3 计算原则和假定
高压隧洞的结构设计采用了透水衬砌方法进行计算，本工程采用公式法进行计算。

公式法：考虑变形协调，计算圆形断面在内水压力作用下围岩、混凝土、钢筋的应力和变形，以及混凝土裂缝开展宽度。

充水过程：初次充水，内水压力达到一定程度后，高压隧洞衬砌体开裂，内水压力以渗透压力，即体积力的形式作用在混凝土衬体和围岩上，使混凝土衬体内、外水压的压差逐渐降低或趋于平衡，从而在钢筋混凝土上产生的应力都较小。

衬砌计算原则：
1）高压隧洞透水衬砌计算要求隧洞埋深满足挪威准则，且在地质围岩较差段外水满足渗流稳定。

2）对Ⅲ2、Ⅳ类围岩，可考虑围岩承受70％以上内水压力，对Ⅴ类围岩，可考虑围岩承受70％以内内水压力。

3）高压固结灌浆除了加固围岩外，作用在混凝土衬砌体上的有效预压应力取值为灌浆压力的15％。

4）混凝土衬砌厚度受放空检修时外水压力控制，配筋受内压和裂缝限制开展宽度（可适当超过0.3mm）控制。

1.4 材料参数
1）材料容重
钢筋混凝土容重：25kN/m3
2）材料强度参数
混凝土强度等级：C25；
C25混凝土轴心抗压强度设计值：
f=11.9 N/mm2
c
C25混凝土轴心抗拉强度设计值：
f=1.27 N/mm2
t
3）钢筋
钢筋HPB300级：
f=270 N/mm2
y
f=300 N/mm2
钢筋HRB335级：
y
钢筋HRB400级：
f=360 N/mm2
y
4）钢筋保护层厚
c=50 mm
1.5 参考书目及资料
某水电站引水发电系统纵剖面图（见附图1）
《水工隧洞设计规范》 DL/T 5195—2004 中国电力出版社
《水工建筑物荷载设计规范》DL/T5077-1997 中国电力出版社
叶冀.广蓄电站水工高压隧洞设计施工的若干问题[J] .水力发电学报.1998. (2):38-49.
《四川省XX河某水电站引水发电系统水力过渡过程计算与分析研究报告》2008.03
2 计算过程
2.1 围岩分担内压
首先根据某水电站引水隧洞不同洞段的围岩地质条件和衬砌支护参数选取计算断面，见表2.1-1 引水隧洞计算断面参数列表。

表2.1-1 引水隧洞计算断面参数列表
与分析研究报告》中表6-6 输水道沿线主要节点最大压力控制值进行线性插值求得。

根据表2.1-1选取的计算断面，初拟配筋，同时结合不同计算断面的地质参数分别求出围岩承受的内水压力Pr ，计算成果表见表2.1-2。

围岩承受的内水压力Pr 计算公式及参数说明如下(公式见《广蓄电站水工高压隧洞设计施工的若干问题》)
012
1
ln()ln()ln()(1)r s s c s r s s r s
s r r r s s c s r r r R R A E E R A
P PR PR R R R R R R R B A E E R E R E ν-==-+++ （2-1）
式中：
Pr —围岩承受的内水压力，m ； P —内水压力，m ； R —衬砌体（混凝土）内半径，m ； Rs —受力钢筋半径，m ； Rr —隧洞开挖半径，m ； Ro —隧洞开挖半径加松动圈深度，m ；
As—每米管长钢筋配筋面积，m2； Es—钢筋弹模，Mpa；
Ec—混凝土弹模，C25，Mpa； Er
—围岩松动区弹模，Mpa；
1
—围岩非松动区弹模，Mpa； u—围岩泊松比。

Er
2
表2.1-2 围岩承担内水压力计算成果表
弹模。

2.2 按初拟配筋计算钢筋应力
固结灌浆管口压力作为预压应力作用于混凝土，灌浆管口压力取0.15倍设计固结灌浆压力。

公式及参数说明：
s r g P P P P =-- （2-2） s s s s P R A σ= （2-3）
Pg —灌浆管口压力，MPa ； Ps —钢筋承担内压，MPa 。

钢筋应力计算成果见表2.2。

表2.2 按初拟配筋计算钢筋应力成果表
备注：灌浆管口压力取内水压力的0.2倍；表中Ps值为负值，说明钢筋不承担内压，σs值为负值，说明钢筋应力为零。

钢筋采用HRB335，允许应力[σs]=300(310)/1.35=222.2(230) MPa。

从表中计算结果可以看出初拟配筋情况下的钢筋应力都没有达到允许应力，初拟配筋是合适的。

2.3 按限裂标准复核钢筋应力
公式及参数说明：（参照美国混凝土协会ACI提出受拉构件的裂缝计算经验公式）
1/33max 0.0145()10s c W f d A -=⨯ （2-4）
式中：
Wmax —混凝土最大裂缝开展宽度，m ；
fs —钢筋应力，MPa ；A ＝2dcS ，S 为钢筋间距，m ；
dc ＝0.05+φ/2，φ为钢筋直径，（钢筋重心至混凝土受拉边缘的距离），m ；
表2.3 按限裂标准复核钢筋应力成果表
由表中数据可以看出：初拟配筋是合理的，裂缝宽度在允许范围内。

2.4 抗外压计算
根据计算结果，内水压力不控制衬砌厚度，故足够的衬砌厚度是为了安全施工需要。

但外压将控制衬砌厚度，故外水压力加上高压灌浆的残余有效预压应力，将用来验算衬砌的强度。

美国等国采用初估混凝土衬砌厚度的经验计算式如下：
01.5c t t b =+ （2-5）
tc 为理论上的混凝土衬体厚度，实际计算时可以不考虑超挖的b0。

衬砌结构本身能承担的最大外压：
2
2
22
11b a b q a r θσ-=-+ （2-6）
表2.4 抗外压计算成果表
备注：衬砌体内表面应力最大，所以计算半径r＝内半径a；σθ取C25混凝土轴心抗压强度设计值11.9 MPa ；估计存在的外水压力取0.7Pr。

通过表2.4计算结果可知，各断面均能满足抗外压稳定。

3 计算成果及分析
高水头、大直径水工隧洞混凝土衬砌除非花昂贵代价做（抗裂）预应力衬砌或者采用钢内衬，否则必然开裂，所以按照不衬砌隧洞设计原则充分利用围岩受力采用（限裂）透水衬砌是较为理想和合理的选择，它是近代发展的一种衬砌型式，它比不衬砌隧洞可以减少开挖洞径，改善过流糙率，保护围岩，安全性更好。

某水电站隧洞设计水头较高，围岩条件相对较好。

选取具有代表性的计算断面，初拟衬砌厚度和配筋后，按高压隧洞的透水衬砌方法（公式）法进行计算，能够满足结构安全的需要，隧洞衬砌的施工图可参考本算稿的计算成果进行绘制。