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断面内径初衬厚度二衬厚度开挖洞径弹性抗力计结构计算半类别形式（m）（ m）（ m）（ m）算半径（ m）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 1.96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/mQ2= Q3=0.1×γr×H=0.1× 21×4.6=9.66kN/m=0.966×10kN/m4.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f K =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 f K，即 h=b2/f K=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）H g=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 H pg ×2.277=5.69m=2.5H =2.5 《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：Q 4=(5.69-2)×18=66.42 kN/m=6.642× 10kN/m5）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。

Q 2= 0.7Q 3=(0.7= (0.7×γ×h ×tg 2(45°-Φ/2)=0.7 18××3.253 ×tg 2(45-45/2)=7.03 kN/m=0.703 10kN/m ×2× h +H) ×γ×(45°tg-Φ /2)3×.253+4.6) 18××tg 2(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 密度 γ 内摩擦 凝聚力 C 变形模量 E单位弹性抗力系数泊松比μK0 （ MPa/cm ） 备 注类别 (g/cm3) 角φ (°)(MPa)(GPa)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 15~20Ⅲ -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 2.2~2.332~350.25~0.4 2.0~5.00.29~0.3212~203~5 位于地下水位以上 或偏于Ⅲ类岩特征Ⅳ -2 2.1~2.230~32 0.1~0.250.5~2.00.32~0.355~12 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 1.8~1.910~200.02~0.050.02~0.050.36~0.381~20.5~0.75 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=k 0 /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 k 2=((50+75)/2)/2.15=29.07 MPa/cm =290700× 10kN/m 3Ⅲ类围岩弹性抗力系数 k 3=((20+35)/2)/2.2= 12.5MPa/cm =125000×10kN/m 3 Ⅳ类围岩弹性抗力系数 k 4=((5+12)/2)/2.3=3.7 MPa/cm =37000×10kN/m 3 Ⅴ类围岩弹性抗力系数 k 5=((1+2)/2)/2.4=0.625 MPa/cm =6250× 10kN/m 3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 k 6=100× 10kN/m 36.2.2 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/m3Ⅲ类围岩弹性抗力系数 k3=(5+10)/2= 7.5MPa/cm =75000×10kN/m 3Ⅳ类围岩弹性抗力系数 k4=(1+3)/2=2 MPa/cm =20000×10kN/m3Ⅴ类围岩弹性抗力系数 k5=(0.5+0.75)/2=0.625 MPa/cm =6250×10kN/m 3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/m 36.3 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。