第第7章混凝土襯砌以及配筋7.1鋼筋混凝土襯砌設計7.1.1基本設計資料按構造要求，初步設計鋼筋混凝土襯砌厚度為70cm。采用雙層配筋，限制開裂寬度來設計。混凝土襯砌采用C25，壓力鋼管段采用C15；鋼筋采用=2\*ROMANII級鋼；結構系數=1.35，結構重要性系數=1.0，設計狀況系數持久狀況取1.0，短暫狀況取0.95，偶然狀況取0.85。相關材料的基本性能參數如下表7-1：表7-1材料性能參數材料fckfcftkftEC15107.51.20.90.22C2517131.751.30.28Q2353353353103102.0注：強度單位為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，縱向施工縫根據澆筑能力，設在頂拱、邊墻及底版分界處或者內力比較小的部位。對于施工縫需要進行鑿毛處理或設插筋以加強其整體性，必要時還應設止水。2）伸縮縫為防止混凝土因干縮和溫度應力而產生裂縫，沿洞軸線應設置橫向伸縮縫。伸縮縫薦舉根據工程經驗，取8~10m，縫內設置止水。圍巖條件好時，間距取稍小值，圍巖條件差時可以選取較大值。為便于施工，統一采用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，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裂，在襯砌厚度突變處，應設置沉陷縫。此外，在洞身和進口、漸變段等接頭處可能產生較大位移的地段也需要設置橫向沉陷縫，縫內設止水。伸縮沉陷縫如圖7-1所示。7.2考慮彈性抗力時的配筋設計7.2.1內水壓力作用下的配筋計算采用對稱配筋，鋼筋的斷面面積按下式計算：（7.1）其中，式中，——鋼筋斷面面積，m2；——內水壓力，MPa；——隧洞內半徑，3.2m或2.65m；——隧洞外半徑，3.5m~3.6或2.95m；——彈性抗力系數，；——襯砌外半徑與內半徑之比，；——鋼筋的允許應力設計值，=，為結構系數，取1.35，故==310/1.35=229.63MPa；——鋼筋的彈性模量，2.0105MPa；代入計算，計算成果見表7-2表7-2內水壓力作用下配筋斷面面積表計算點(樁號)pEhtm（×10—5m）f（mm2）選取實際面積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算包括以下荷載作用：1）鉛直圍巖壓力作用下的內力計算：（7.2）式中：M——計算截面的彎矩，kN?m；N——計算截面上的軸力，kN；q——鉛直圍巖壓力強度，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，kN/m3；E——襯砌材料的彈性模量，kPa；J——計算斷面的慣性矩，m4；b——計算寬度，取b=1m；A、B、C、D、F、G為系數，與有關，由表7-3查用。表7—3鉛直圍巖壓力作用下的內力計算系數表斷面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各個截面的鉛直圍巖壓力計算成果見表7-4。2）襯砌自重作用下,假定襯砌為等厚度，其設計值作用于各斷面上的內力，可由下面的公式計算：（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，見表7-5；其余符號的意義同前。表7-5襯砌自重作用下的內力計算系數表各個截面襯砌自重計算成果見表7-6。3）無水頭滿水作用時，水壓力徑向作用與襯砌上，其值由0（頂拱）起增加到（洞底），可按下面的公式進行計算：（7.4）式中：——水的容重，kN/m3；——襯砌的內半徑，m；A2、B2、C2、D2為系數，見表7-7；其余符號的意義相同。無水頭洞內滿水壓力作用下的內力計算成果表見7-8。表7-7無水頭洞內滿水壓力作用下的內力計算系數表斷面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行疊加求配筋f’，按下面的式子進行。（7.5）式中，、——內、外層鋼筋面積，m2；——襯砌有效厚度，0.6~0.7m；——內、外圈鋼筋合力點到襯砌內、外邊緣的距離，0.05m；——鋼筋的允許應力設計值，=229.63MPa；這里不計算外水壓力時的計算成果見表7-9。表中數據全部按絕對值取用。表7-9不計算外水壓力時的配筋計算成果截面(樁號)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考慮彈性抗力時的配筋設計配筋比較表見表7-10，按照對稱配筋原則，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）截面不計外水壓力作用時內水壓力作用下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考慮彈性抗力時的配筋成果表樁號實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構造筋計算：構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，以上配筋均滿足構造要求。7.3裂縫驗算7.3.1裂縫驗算原則按照正常使用極限狀態設計，最大裂縫寬度允許值為：1）、長期組合：0.25mm；2）、短期組合：0.30mm；3）、水質有侵蝕性時：0.20mm。設C1、C2為襯砌開列寬度限制值，正常使用極限狀態驗算規定：1）對于長期組合，應采用下列設計表達式：(7.6)2）對于短期組合，應采用下列設計表達式：(7.7)式中：——材料強度標準值，MPa；S1(·)、Ss(·)——作用效應短期組合、長期組合的功能函數；——可變作用標準值的長期組合系數，此處取1.0；——結構重要性系數，對應于結構安全級別為=2\*ROMANII級的隧洞支護取用1.0；由于內水壓力作用，在襯砌中產生的軸向拉力，按下式計算：(7.8)式中：——彈性特征因素，按下式計算：，其中、為混凝土的彈性模量和泊松比，為圍巖單位抗力系數；其余符號同上。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期作用影響后的最大裂縫寬度，可按下列公式計算：(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，mm；——裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數，當<0.3時取0.3；、——計算系數，可以按下列數值取用：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——襯砌結構正常使用情況受拉鋼筋的應力；、——受拉鋼筋的直徑和配筋率；——混凝土軸心抗拉強度標準值，N/mm2；依然以引0+147.81截面=0斷面為例，驗算裂縫開列寬度。首先校核鋼筋的應力，求出正常使用情況下鋼筋受拉的應力：=+(7.11)=+(7.12)式中，==7.3910-5經過計算得：=1.283N/mm2=0.814N/mm2然后計算內層開列：截面C25混凝土軸心抗拉強度為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代入計算最大裂縫寬度：軸心受拉情況，=-0.063不合實際；大偏心受拉情況，=0.119mm<0.25mm大偏心受壓情況，=0.130mm<0.25mm.7.4縱向構造筋縱向配筋選配ф14鋼筋，外層間距300mm，內層間距250mm。內外層環向筋之間配置構造拉筋，選12@600即可。7.5鋼筋量計算成果詳見附圖BYSJ—2。

第8章壓力鋼管8.1設計假定與原則壓力鋼管上覆巖體厚度均大于3倍洞徑,故按埋管設計。壓力鋼管采用集中供水方式，鋼管壁厚由承受內水荷載控制確定為，采用加勁環等措施滿足抗外壓穩定要求；充分考慮一次支護作用，鋼管結構設計時,不計算山巖壓力。壓力鋼管一次支護：砂漿錨桿+鋼筋往+噴混凝土；二次支護：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，經灌漿后圍巖的滲透指標應小于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／min計）。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合，在頂拱部位進行回填灌漿，回填混凝土與鋼管間進行接縫灌漿。8.2壓力鋼管壁厚設計8.2.1壓力鋼管直徑壓力管道的直徑應通過動能經濟計算確定，在初步設計階段，可用彭德舒公式來初步確定。大中型壓力鋼管的經濟直徑：（8.1）式中：Qmax——鋼管的最大設計流量，m3/s；H——電站設計水頭；將Qmax=111.6m3/s，H=62.2m代入公式可得：D=5.30m。則高壓管道內水流流速根據經驗，高壓管道內的水流經濟流速約為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,據此規定，本次設計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，在內水壓力作用下，荷載由鋼管單獨承擔，依據下列公式求得鋼管壁厚：（8.2）式中：——水的容重，9.8kN/m3；H——內水壓力水頭，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，取=0.9；——鋼材允許應力，310MPa。將數據代入公式可得鋼管壁厚=13mm。考慮鋼管銹蝕磨損及鋼管厚度誤差，管壁厚度比計算值增加2mm，所以結構厚度13+2=15mm，取16mm。8.3壓力鋼管抗外壓失穩計算壓力鋼管在放空時承載著遠大于大氣壓力的外荷載，這些荷載主要來源于地下水壓力，鋼襯與混凝土之間的接縫灌漿壓力，回填混凝土時流態混凝土的壓力等。光面鋼襯的臨界壓力計算：采用經驗公式，求臨界壓力得：（8.3）式中：——鋼管壁厚，mm；——高壓管道襯砌內徑，mm；——鋼材的允許應力，310MPa；——臨界壓力，MPa；將上述相關數據代入公式得，則鋼襯的允許外壓，安全系數K取2.0。即遠遠大于此鋼材承受的地下水壓力，灌漿壓力等荷載，故此設計滿足要求，可不采用加勁環式鋼襯。8.4壓力鋼管外混凝土配筋壓力鋼管外包混凝土按照構造要求配筋。由規范知，按Ⅱ級鋼筋偏心受壓梁去最小配筋率為0.4%。則1m隧洞段內配筋：0.4×1×106×0.4%=1600mm2，則1m內配6根環向ф20鋼筋,實際配筋面積1885mm2,滿足構造要求。內外層各三根，均勻對稱分布。拉筋取ф12@600mm。見圖8-1縱向最小配筋率按0.18%取，采取對稱配筋，配筋面積為：，選配84根ф14鋼筋，實際配筋面積為12927.6mm2,內外層各42根，外層間距448mm，內層間距388mm，如圖8-2所示。第9章不良地質洞段處理柴石灘水電站引水隧洞內徑為6.4m，長377.0m，隧洞沿線水文地質和工程地質條件較為復雜，隧洞埋深較大，穿過圍巖的巖性主要為上震旦系陡山沱組（zbd）