某无压隧洞设计计算书.docx
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某无压隧洞设计计算书
一、基本资料
1)隧洞水力参数
项目
单位
符号
数值
备注
设计流量
m3/s
7.390
加大流量
m3/s
8.713
隧洞长度
m
397
设计纵坡
i
0.001
糙率
n
0.014
进口渐变段首端渠底高程
m
1177.914
进口渐变段水头损失系数
0.2
出口渐变段水头损失系数
0.5
2)上、下渠道水力参数
项目
单位
符号
数值
备注
设计流量
m3/s
7.390
加大流量
m3/s
8.713
底宽
m
2.1
高度
m
2.8
边坡系数
0.3
设计水深
m
2.019
加大水深
m
2.237
3)地质参数
序号
项目
建议物理力学指标参数值
Ⅲ类围岩
Ⅳ类围岩
Ⅴ类围岩
1
岩石容重(kN/m3)
24
24
24
2
围岩坚固系数f
4-5
2-3
0-1
3
单位弹性抗力系数Ko(MPa/cm)
9
3
0.5
4
外水压力折减系数
0.45
0.55
0.85
4)衬砌材料参数
项目
符号
单位
数值
备注
砼轴心抗压设计强度
fc
N/mm2
11.9
C25
弹性模量
Ec
N/mm2
28000
钢筋抗拉(抗压)设计强度
fy/fy’
N/mm2
300
HRB400
最小配筋率
ρmin
%
0.15
钢筋砼容重
kN/m3
25
5)结构计算参数
项目
符号
单位
数值
备注
建筑物等级
级
4
安全系数
K
1.15/1.0
荷载基本组合/偶然组合
最大裂缝宽度限值
wmin
mm
0.25
三类环境类别
二、隧洞断面比选
1、长短洞判别
当底板为缓坡而趋于平坡,长短洞的界限长度为
L=(5~12)H
式中H—上游水深
L=(5~12)H=(5~12)×2.237=11.2~26.8m
本隧洞长度L=397m>26.8,因此本隧洞长洞,洞身断面尺寸可按明渠均匀流公式试算:
洞身断面尺寸拟定按底宽分别为2.0m、2.1m、2.2m、2.3m及2.4m进行比较计算,计算成果如下表:
高坡隧洞城门洞型断面尺寸比较统计表
工况
底宽B
(m)
水深
(m)
顶拱角度
(°)
洞身净高
H(m)
糙率n
纵坡i
过流量
(m3/s)
水面以上
净高(m)
水面以上净
空面积
A1(m2)
洞身面积
A(m2)
H/B
A1/A
(%)
备注
设计
2.00
2.117
120
2.938
0.014
1/1000
7.389
0.821
1.307
5.541
1.469
23.59%
>15%
加大
2.499
8.713
0.439
0.555
10.02%
>10%
设计
2.10
1.999
120
2.792
0.014
1/1000
7.393
0.793
1.296
5.493
1.330
23.59%
>15%
加大
2.298
8.713
0.428
0.55
10.01%
>10%
设计
2.20
1.894
120
2.666
0.014
1/1000
7.391
0.772
1.292
5.459
1.212
23.67%
>15%
加大
2.247
8.713
0.419
0.547
10.02%
>10%
设计
2.30
1.802
120
2.544
0.014
1/1000
7.395
0.742
1.262
5.407
1.106
23.35%
>15%
加大
2.088
8.713
0.456
0.633
11.71%
>10%
设计
2.40
1.719
120
2.443
0.014
1/1000
7.393
0.724
1.254
5.379
0.996
23.31%
>15%
加大
2.002
8.715
0.441
0.618
11.48%
>10%
隧洞进出口接上、下游渠道,渠底宽2.1m,根据以上比较结果,随着底宽B加大,洞身面积减小(减小幅度介于0.02~0.05m2),但隧洞进出口连接段变化幅度较大,水流衔接不平顺,水头损失较大,综合考虑以上两方面因素,本隧洞洞身断面尺寸推荐底宽B=2.1m,H=2.792m。
三、隧洞水力计算
四、
隧洞结构计算
1、计算程序与方法
隧洞衬砌结构按新奥法理论进行设计,衬砌型式采用钢筋混凝土衬砌。
隧洞衬砌采用结构力学方法计算。
隧洞结构计算软件采用理正计算通用程序。
结构计算简图如下。
2、计算工况及荷载组合
依据《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)6.2条规定,本输水隧洞结构设计应考虑以下三种工况及最不利荷载组合:
(1)正常工况:
正常运行期最不利荷载组合(基本组合)
山岩压力+衬砌自重+围岩弹性抗力+内水压力+外水压力;
(2)特殊工况1:
检修期最不利荷载组合(基本组合)
山岩压力+衬砌自重+围岩弹性抗力+外水压力;
(3)特殊工况1:
施工期最不利荷载组合(基本组合)
山岩压力+衬砌自重+围岩弹性抗力+外水压力+灌浆压力;
表4-1城门洞型典型断面计算参数表
围岩类别
Ⅳ类
Ⅴ类
备注
衬砌厚度(m)
0.3
0.3
喷砼厚度(m)
0.1
0.1
岩石重度(kN/m3)
24
24
开挖宽度B(m)
2.90
2.90
开挖高度H(m)
3.61
3.61
洞内设计水深(m)
1.999
1.999
弹性抗力(MPa/cm)
3
0.5
根据地质提供参数
灌浆压力(MPa)
0.3
0.3
200~300kPa
衬砌容重(kN/m3)
25
25
C25钢筋砼
3、荷载计算
1)围岩压力
依据《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)6.2.4条规定,本隧洞Ⅴ类围岩压力按规范6.2.4条规定的公式计算。
垂直方向
水平方向
式中qv—垂直均布围岩压力,kN/m2
qh—水平均布围岩压力,kN/m2
γr—围岩容重,kN/m3
B—隧洞开挖宽度,m
H—隧洞开挖高度,m
(1)Ⅳ类围岩在自稳的条件下并采取有效的支护时,围岩压力计算如下:
垂直方向
水平方向
(2)Ⅴ类围岩自稳能力较差,采用有效的支护后能自稳,围岩压力计算如下:
垂直方向
水平方向
2)弹性抗力
岩石的弹性抗力由理正程序通过弹性抗力系数值自行计算,本计算只考虑弹性抗力系数的计算。
岩石的弹性抗力系数k按下式计算:
式中k—岩石弹性抗力系数,kN/m3;
k0—单位岩石弹性抗力系数,MPa/cm;
r—隧洞的开挖半径,非圆形隧洞,r=B/2,cm;
Ⅴ类围岩:
Ⅳ类围岩:
3)灌浆压力
依据水工隧洞设计规范(SL279-2002)9.1.2条,Ⅳ、Ⅴ类围岩段(钢筋混凝土衬砌)回填灌浆压力值为0.3MPa,并沿洞轴线方向(单位长度)等效为洞顶拱均布荷载。
顶拱半径r=1.212m
顶拱面积
折减后灌浆压力为0.3/2.54=0.118MPa
4)外水压力
本隧洞全段均处在地下水位之上,无须考虑外水压力。
5)不同工况荷载计算成果
表4-2不同工况荷载计算成果表
围岩类型及计算工况
垂直山岩
压力qv(kN/m2)
水平山岩
压力qh(kN/m2)
内水压力(kN/m2)
回填灌浆压力(kN/m2)
弹性抗力
系数(MN/m3)
Ⅳ类
运行期
13.92
4.33
19.99
207
施工期
13.92
4.33
118
207
检修期
13.92
4.33
207
Ⅴ类
运行期
20.88
8.66
19.99
34.5
施工期
20.88
8.66
118
34.5
检修期
20.88
8.66
34.5
4、结构计算受力图
Ⅳ、Ⅴ类围岩结构计算受力图
5、内力计算及配筋计算
采用理正岩土软件计算成果如下:
表4-3Ⅳ类围岩结构计算成果表
计算工况
轴向力
kN
弯矩
kN.m
单侧纵筋
最大面积(mm2)
实际配筋
实配面积
mm2
运行期
-55.89
23.84
470
C16@200
1005
检修期
-55.89
21.53
470
施工期
-112.259
57.77
977
表4-4Ⅴ类围岩结构计算成果表
计算工况
轴向力
kN
弯矩
kN.m
单侧纵筋
最大面积(mm2)
实际配筋
实配面积
mm2
运行期
-94.063
-49.553
832.2
C16@200
1005
检修期
-94.063
-44.676
882.3
施工期
-200.89
65.285
1003.7
结论:
本隧洞Ⅳ类围岩段采用双层配筋,内外侧均采用C16@200,实配面积1005mm2,大于计算面积977m2,1005-977/977=2.86%<5%,满足规范要求;分布筋采用C12@200,实配面积565mm2,
,满足规范要求;配筋率最大裂缝宽度0.11mm 本隧洞V类围岩段采用双层配筋,内外侧均采用C16@200,实配面积1005mm2,大于计算面积1003.7m2,1005-1003.7/1003.7=0.13%<5%,满足规范要求;分布筋采用C12@200,实配面积565mm2, ,满足规范要求;配筋率最大裂缝宽度0.158mm
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