1、输水 涵 管 结构 计算 1概述 QMA 水库输水涵管 位于大坝右侧，为坝下埋管。输水管 原为浆砌块石侧墙、料石半圆拱涵 洞 ，宽 1.2m、高 1.6m， 长 65m， 因 原 施工时水泥缺乏，质量差，渗漏严重，后将原拱涵 洞 改为双层钢筋混凝土压力管，管内径 1m，全长 90m。 涵管内接于原浆砌石涵洞顶部，涵管下部采用混凝土 支座 。 于 1989 年对输水压力管进行了灌浆处理。 见图 1-1。 涵管出口设闸阀，下接电站，其尾水供左岸灌溉渠道，闸阀处分流至右岸渠道。 输水涵管主要承担水库的电站引水、灌溉引水和生活供水。 图 1-1 输水涵管结构断面 图 2、计算条件 2.1、计算采用的规
2、程规范 及主要文件资料 （ 1）水工隧洞设计规范 （ SL279-2002） ； （ 2） 水工隧洞和调压室 （ 水利电力出版社，潘家铮主编 ）； （ 3） 水库安全评价工作设计大纲 ； （ 4） 水工建筑物荷载设计规范 （ DL5077 1997） ； （ 5） 水利水电工程等级划分及洪水标准（ SL252 2000） ； 2.2、计算 依据及 参数 2.2.1工程等别 、 建筑物级别 及洪水标准 QMA水库总库容 4095万 m3，为中型水库，工程等别为等，大坝、溢洪道、放水涵管等主要建筑 物为 3级。洪水设计标准 2004年 4月 QMA水库大坝安全技术认定书中，水库按 2%洪水设计，
3、0.333%洪水校核，水库校核水位 235.0m（相应泄量 Q=1240m3/s），设计水位 234.15m（相应泄量 Q=929m3/s），正常水位 232.8m，死水位 219.23m。 根据水利水电工程等级划分及洪水标准（ SL252 2000） ，并结合本水库的历史设计洪水标准，本次安全评价设计洪水标准为： 50年一遇洪水设计， 1000 年一遇洪水校核，下游消能防冲采用 30 年一遇洪水设计。 2.2.2计算依据 根据水工 隧洞设计规范（ SL279-2002）的有关规定， 隧洞衬砌型式应综合考虑断面形状和尺寸、运行条件及内水压力、围岩条件 (覆盖厚度、围岩分类、承担内水压力能力、地
4、下水分布及连通情况、地质构造及影响程度 )、防渗要求、支护效果、施工方法等因素，经过技术经济比较确定。 该 涵管衬砌结构设计原则按抗裂设计，混凝土的抗拉安全系数按取 1.8。 2.2.3计算 工况及荷载组合 ： 工况 1（正常蓄水位）：垂直土压力 +侧向土压力 +衬砌自重 +正常蓄水位下内 、 外水压力 工况 2（检修工况）：垂直土压力 +侧向土压力 +衬砌自重 +正常蓄水位下外水压 力 2.2.4作用系数 工况 结构重要性系数 0 分项系数 土压力 衬砌自重 内水压力 外水压力 正常蓄水位 1 1.1 1.1 1 1 校核洪水位 1 1.1 1.1 1 1 检修期 1 1.1 1.1 1 1
5、 2.2.5计算 基本假定 由于缺乏水库部分资料，现计算时根据 工程特点及以往工程经验做如下假定： 1 输水管外为浆砌块石半圆拱涵洞，但因原施工时水泥缺乏，质量差，故不考虑浆砌石拱涵洞承担的土压力，按土压力直接作用在涵管上进行荷载计算。 2 外水压力按正常蓄水位考虑。 3 由于缺乏电 站运行、闸门起闭情况，故结构计算时不考虑水锤压力对均匀内水压力的影响。 2.2.6计算参数 材料容重：钢筋混凝土 :25 kN /m3 ，土容重 =18.25 kN /m3 。 混凝土剩余强度等级为 C15， Ec= 2.2 104 N /mm2 ； 钢筋： 按 级， y f =310 N /mm2 ； 计算断面
6、取 坝 轴线 下 断面，洞顶内壁高 218.1m 。 3.涵 管 结构计算 3.1工况 1正常蓄水位 3.1.1荷载计算 1垂直土压力 根据 水工建筑物荷载设计规范 （ DL5077 1997） (11.2.1) 作用在 单位长度埋管上的垂直土压力标准值可按下式计算 ： 式中 土重度 (kN/m3)， 18.25kN/m3； Fsk 埋管垂直土压力标准值 (kN/m)； Hd 管顶以上填土高度 (m)，最大填土高度约为 17m； D1 埋管外直径 (m)， 1.6m； Ks 埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，可根据地基类别按图查取 。这里查取 Ks 1.05； 代入计算： 521.22 2.
7、侧向土压力 根据 水工建筑物荷载设计规范 （ DL5077 1997） (11.2.2) 作用在单位长度埋管的侧向土压力标准 值可按下式计算： 式中 Ftk 埋管侧向土压力标准值 (kN/m)； H0 埋管中心线以上填土高度 (m)； Dd 埋管凸出地基的高度 (m)； Kt 侧向土压力系数， ； 0.455 代入计算： 236.5 3.衬砌自重 7.5 式中 h 钢筋混凝土容重， KN/m3 h 衬砌厚度， m 4.非均匀内水 压力 81.93 q KN/m2 5.均匀内水压力 及外水压力 管内水压力等于管中 心线内水压力 ： p=9.81 1000 (232.8-217.43)=150.8
8、kPa 考虑外水压力与内水压力的组合， 内水压力按如下比例减小而取为：式中： ri 涵管内半径， 0.5m； r0 涵管外半径， 0.8m； e 外水压力折减系数，外层填土取 0.7； He 外水水头，按内水水头取值； 3.1.2内力计算 1垂直土 压力作用下，衬砌断面的弯矩 M 和轴力 N 为 ： 式中 rr02 ； r 为衬砌的平均半径， 0.65m ； 0r 衬砌的外半径，0.8m ； 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-1 表 2-1 垂直土压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A3 B3 弯矩 M（ kNm） C3 D3 轴力（ kN） =0 0.1628 0.0644
9、3 57.628 0.2122 -0.15915 1.908 = /2 -0.125 -0.09472 -58.2 0 1 467.46 = 0.08720 0.10951 53.655 -0.2122 0.79577 295.684 2侧向土 压力作用下，衬砌断面的弯矩 M 和轴力 N 为 ： 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-2 表 2-2 侧向 土压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A4 弯矩 M（ kNm） C4 轴力（ kN） =0 -0.25 -30.32 1 194.04 = /2 0.25 30.32 0 0 = -0.25 -30.32 1 194.04 3
10、自重 作用下，衬砌断面的弯矩 M 和轴力 N 为 ： 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-3 表 2-3 自重 压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A5 弯矩 M（ kNm） C5 轴力（ kN） =0 0.27324 0.9346 0 0 = /2 -0.29755 -1.0178 1.5708 8.2661 = 0.27324 0.9346 2 10.5248 4洞内水重（非均匀水压力）作用下 ，衬砌断面的弯矩 M 和轴力 N为 ： 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-4 表 2-4 洞内水重 作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A6 弯矩 M（ kNm） C6
11、 轴力（ kN） =0 0.13662 0.2178 -0.5 -1.226 = /2 -0.14878 -0.2374 -0.2146 0.5263 = 0.13662 0.2178 -0.5 -1.226 5. 内水和外水 压力均匀部分作用下，衬砌断面的轴力 N 为 ： ArrAprprNiip2001式中 0r 衬砌的外半径， m ； i 衬砌的内半径， m ； p 内水压力， KPa ； A 弹性特征因素： 00211 1 KE KEA h h hE 混凝土的弹性模量， 2/cmkg ； 混凝土的泊松比； 0K 围岩的单位弹性抗力系数，此处不考虑围岩抗力。 1211100KEKEAhh
12、 mkNArrAprprNiip /415.425.083.841200 6. 除内水压力均匀部分外各荷载作用下的 内力组合 见表 2-5 表 2-4 自重 压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 弯矩（ kNm） 垂直土压力 侧向土压力 衬砌自重 洞内水重 合计 =0 57.62774195 -30.31875 0.934634 0.217789 28.46142 = /2 -57.99633101 30.31875 -1.01779 -0.23709 -28.9325 = 53.65530086 -30.31875 0.934634 0.2178 24.48898 断面 轴向力 (k
13、N) 垂直土压力 侧向土压力 衬砌自重 洞内水重 合计 =0 1.907580062 194.04 0 -1.22625 194.7213 = /2 467.456 467.456 467.456 467.456 467.456 = 295.6842587 194.04 10.5248 -1.22625 499.0228 注： 0 为管顶， 2/ 为管侧， 为管底；正弯矩为管内侧受拉，负弯矩为管外侧受拉；轴力正为压，负为拉。 3.1.3结构最小配筋复核计算 内、外侧配筋 计算公式 ： ah MahNNfgpi 002 2 ah MahNNfgpo 002 2 式中 g 钢筋的允许应力： ggg
14、 KR gR 钢筋的设计强度； gK 钢筋混凝土结构构件的强度安全系数 ，取 1.8； 236 /102.1728.1 10310 mkNKRggg pN 在内水压力作用下，衬砌中产生的轴向拉力； 1 =0断面 mmahMahNNfgpi/109.21805.03.0102.1722 46.28205.03.072.194985.322226300 mmahMahNNfgpo/104.110305.03.0102.1722 46.28205.03.072.194985.322226300 2 = /2断面 mmahMahNNfgpi/107.192805.03.0102.1722 )93.28
15、(205.03.02.475415.422226300 mmahMahNNfgpo/106.58405.03.0102.1722 )93.28(205.03.02.475415.422226300 3 = 断面 mmahMahNNfgpi/100.75705.03.0102.1722 49.24205.03.002.499415.422226300 mmahMahNNfgpo/107.189405.03.0102.1722 49.24205.03.002.499415.422226300 3.2 工况 2检修工况 3.1.1荷载计算 1垂直土压力 根据 水工建筑物荷载设计规范 （ DL5077
16、 1997） 作用在单位长度埋管上的垂直土压力标准值可按下式计算 ： 式中 挡土墙后填土重度 (kN/m3)， 18.6kN/m3； Fsk 埋管 垂直土压力标准值 (kN/m)； Hd 管顶以上填土高度 (m)，最大填土高度约为 17m； D1 埋管外直径 (m)， 1.6m； Ks 埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，可根据地基类别按图查取 。这里查取 Ks 1.05； 代入计算： 2.侧向土压力 根据 水工建筑物荷载设计规范 （ DL5077 1997） 作用在单位长度埋管的侧向土压力标准值可按下式计算： 式中 Ftk 埋管侧向土压力标准值 (kN/m)； H0 埋管中心线以上填土高度
17、(m)； Dd 埋管凸出地基的高度 (m)； Kt 侧 向土压力系数， ； 代入计算： 3.衬砌自重 式中 h 钢筋混凝土容重， KN/m3 h 衬砌厚度， m 4 外水压力 外水压力按比例 折减 而取为： 式中： ri 涵管内半径， 0.5m； r0 涵管外半径， 0.8m； e 外水压力折减系数，外层填土取 0.7； He 外水水头， 取正常蓄水位为 15.37； 3.1.2内力计算 1垂直土 压力作用下，衬砌断面的弯矩 M 和 轴力 N 为 ： 式中 rr02 ； r 为衬砌的平均半径， 0.65m ； 0r 衬砌的外半径，0.8m ； 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-1 表
18、2-1 垂直土压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A3 B3 弯矩 M（ kNm） C3 D3 轴力（ kN） =0 0.1628 0.06443 57.628 0.2122 -0.15915 1.908 = /2 -0.125 -0.09472 -58.2 0 1 467.46 = 0.08720 0.10951 53.655 -0.2122 0.79577 295.684 2侧向土 压力作用下，衬砌断面的弯矩 M 和轴力 N 为 ： 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-2 表 2-2 侧向 土压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A4 弯矩 M（ kNm） C4 轴
19、力（ kN） =0 -0.25 -30.32 1 194.04 = /2 0.25 30.32 0 0 = -0.25 -30.32 1 194.04 3自重 作用下，衬砌断面的弯矩 M 和轴力 N 为 ： 各断面的 弯矩 M 和轴力 N 见表 2-3 表 2-3 自重 压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 A5 弯矩 M（ kNm） C5 轴力（ kN） =0 0.27324 0.9346 0 0 = /2 -0.29755 -1.0178 1.5708 8.2661 = 0.27324 0.9346 2 10.5248 4.外水 压力作用下，衬砌断面的轴力 N 为： ArrAprp
20、rNiip2001式中 0r 衬砌的外半径， m ； i 衬砌的内半径， m ； p 内水压力， KPa ； A 弹性特征因素： 00211 1 KE KEA h h hE 混凝土的弹性模量， 2/cmkg ； 混凝土的泊松比； 0K 围岩的单位弹性抗力系数，此处不考虑围岩抗力。 1211100KEKEAhh mkNArrAprprNiip /985.3297.651200 6. 除内水压力均匀部分外各荷载作用下的内力组合见表 2-5 表 2-4 自重 压力作用下的弯矩 M 和轴力 N 计算 断面 弯矩（ kNm） 垂直土压力 侧向土压力 衬砌自重 合计 =0 57.62774 -30.318
21、8 0.934634 28.24 = /2 -57.9963 30.31875 -1.01779 -28.24 = 53.6553 -30.3188 0.934634 24.489 断面 轴向力 (kN) 垂直土压力 侧向土压力 衬砌自重 合计 =0 1.90758 194.04 0 195.948 = /2 476.46 0 8.2662 475.72 = 295.684 194.04 10.5248 500.2491 注： 0 为管顶， 2/ 为管侧， 为管底；正弯矩为管内侧受拉，负弯矩为管外侧受拉；轴力正为压，负为拉。 3.1.3结构最小配筋复核计算 内、外侧配筋计算公式 ： ah Ma
22、hNNfgpi 002 2 ah MahNNfgpo 002 2 式中 g 钢筋的允许应力： ggg KR gR 钢筋的设计强度； gK 钢筋混凝土结构构件的强度安全系数，取 1.8； 236 /102.1728.1 10310 mkNKRggg pN 在内水压力作用下，衬砌中产生的轴向拉力； 1 =0断面 mmahMahNNfgpi/1066.805.03.0102.1722 24.28205.03.094.195985.322226300 mmahMahNNfgpo/104.132005.03.0102.1722 24.28205.03.094.195985.322226300 2 = /2断面 mmahMahNNfgpi/106.214305.03.0102.1722 )7.28(205.03.072.475595.322226600 mmahMahNNfgpo/102.211705.03.0102.1722 )7.28(205.03.072.475595.322226600 3 = 断面 mmahMahNNfgpi/1045.97905.03.0102.1722 49.24205.03.025.500595.322226300 mmahMahNNfgpo/102.211705.03.0102.1722 49.24205.03.025.500595.322226300
