任屯—?dú)⒒X輸水隧洞設(shè)計(jì)

陳俊喜

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 沈陽 110006)

楊曉飛 王長(zhǎng)林

(大連市公司有限公司 116021)

1 工程概況

大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程碧流河水庫北段工程引水規(guī)模為3億m3/年，主要供水對(duì)象為大連市，工程等別為Ⅰ等。北段工程輸水線路全長(zhǎng)165.07km，輸水管道、輸水隧洞等主要建筑物級(jí)別為1 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3 級(jí)。

輸水隧洞穿越遼東千山山脈的西南段，隧洞位于蓋州市境內(nèi)，入口位于徐屯鎮(zhèn)任屯村，出口位于梁屯鎮(zhèn)殺虎嶺村北碧流河北岸。隧洞進(jìn)口處的山腳下為該工程的二級(jí)加壓泵站，揚(yáng)程為98.34m，經(jīng)加壓泵站加壓后，通過管徑為2.8m的壓力鋼管輸水至隧洞進(jìn)口。隧洞采用無壓輸水，洞長(zhǎng)14.11km。隧洞出口與碧流河水庫之間用27.75km的輸水管線連接，管徑2.4m，管線采用PCCP 管。

2 隧洞進(jìn)口設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸水管線與隧洞進(jìn)口采用鋼筋混凝土穩(wěn)流池連接，為防止突然斷水時(shí)，隧洞內(nèi)的水倒灌，給上游管道及泵站帶來危險(xiǎn)，在穩(wěn)流池平直段中間位置設(shè)置鋼筋混凝土隔墻，墻頂高出隧洞進(jìn)口設(shè)計(jì)水位20cm，隔墻厚度為0.6m。隔墻前穩(wěn)流池底板高程為141.74m，池長(zhǎng)5.0m，池寬8.0m，此部分水體亦用于解決由于水錘使泵后管路水流斷流的影響。隔墻后穩(wěn)流池底板高程為142.84m，池長(zhǎng)12.4m，池寬由8.0m 漸變?yōu)?.2m。為減少水錘對(duì)無壓洞的影響，在鋼筋混凝土穩(wěn)流池側(cè)面設(shè)置一處溢流口，溢流口尺寸為2.0m×1.0m，其底高程為145.34m，通過引渠將水排至附近山溝處。

隧洞進(jìn)口剖面如下頁圖1 所示。

2.2 隔墻頂部溢流水深計(jì)算

溢流水深采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2000)的泄流公式計(jì)算:

式中 Q——流量，m3/s;

B——堰總凈寬，m;

H0——計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，m;

H0=H+ v2/2g;

m——流量系數(shù);

ε——閘墩側(cè)收縮系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，隔墻頂部溢流水深為0.70m，δ/H=0.85，水面上留1.3m 凈空。

3 隧洞設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧洞為無壓洞，縱坡為0.34‰，斷面采用割圓拱直墻型式，底寬3.2m，直墻高2.65m，圓拱半徑1.96m，凈高3.48m，全線采用混凝土襯砌，混凝土性能指標(biāo)為C25W6，Ⅱ類圍巖段襯砌厚度為0.3m，Ⅲ類圍巖段襯砌厚度為0.4m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段襯砌厚度為0.5m。

圖1 隧洞進(jìn)口剖面圖

3.2 水力計(jì)算理論

3.2.1 水力計(jì)算依據(jù)

整個(gè)隧洞坡度一致，洞內(nèi)水流一般只在隧洞的進(jìn)出口連接段、支洞交叉擴(kuò)大洞室處和洞內(nèi)轉(zhuǎn)彎段等部位出現(xiàn)非均勻流流態(tài)，可引起洞內(nèi)水位壅高，造成斷面凈空減小。整個(gè)長(zhǎng)隧洞可按均勻流理論計(jì)算隧洞的過流能力，按明渠非均勻流理論推算局部水面曲線，進(jìn)而復(fù)核隧洞斷面凈空比及過流能力。

為保證隧洞無壓輸水，按《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2002)第4.3.7 條的規(guī)定“在恒定流條件下，洞內(nèi)水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，其高度不宜小于40cm。對(duì)較長(zhǎng)隧洞上述數(shù)值可適當(dāng)增加”，該工程最大引水流量時(shí)，選取斷面控制凈空為18%，凈高不小于40cm。

3.2.2 水力計(jì)算公式

明渠均勻流計(jì)算公式為

按設(shè)計(jì)流量10.42m3/s 計(jì)算隧洞成洞斷面尺寸。

3.3 隧洞糙率系數(shù)的選取

隧洞內(nèi)的水頭損失主要發(fā)生在沿程，選擇合適的襯砌混凝土糙率系數(shù)對(duì)計(jì)算隧洞出口剩余水頭、確定隧洞洞徑具有重要意義。

《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2002)中提到:“混凝土及鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的糙率系數(shù)，經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐較為成熟，取值比較一致?！?/p>

《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5195—2004)附錄C中，對(duì)鋼?，F(xiàn)澆混凝土襯砌要求為:技術(shù)一般:n=0.012～0.016，平均0.014;技術(shù)良好:n=0.012～0.014，平均0.013。

《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5058—1996)附錄A 中，對(duì)鋼?，F(xiàn)澆混凝土襯砌要求為:技術(shù)一般:n=0.012～0.016，平均0.014;技術(shù)良好:n=0.012～0.014，平均0.013;

《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定襯砌混凝土的糙率系數(shù)n=0.014。

《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》中建議混凝土的n 值取為0.012～0.015。

在已建的輸水工程中，東深供水改造工程混凝土襯砌n=0.015;引灤入津工程混凝土襯砌設(shè)計(jì)n=0.014，運(yùn)行多年后對(duì)隧洞糙率進(jìn)行了原型觀測(cè)，混凝土襯砌測(cè)得綜合糙率系數(shù)n=0.0125;南水北調(diào)邙山隧洞、穿黃盾構(gòu)隧洞混凝土襯砌n=0.0135。

考慮工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素、經(jīng)濟(jì)因素、施工技術(shù)的不確定性和輸水的安全可靠性，該工程隧洞襯砌混凝土的綜合糙率系數(shù)取0.014。

3.4 水力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，流量10.42m3/s 隧洞內(nèi)直段明渠均勻流的水深為2.5m，洞內(nèi)水面以上凈空面積與總面積之比為18%，洞頂凈高0.98m，均滿足規(guī)范要求。

僅在隧洞入口、轉(zhuǎn)彎段、隧洞出口局部發(fā)生非均勻流現(xiàn)象，局部水頭損失造成水面涌高約2cm 左右，對(duì)斷面凈空均不產(chǎn)生影響。

4 隧洞出口設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下游輸水管線與隧洞出口采用鋼筋混凝土穩(wěn)流池連接，出洞后設(shè)1∶2 斜坡段與池底連接，斜坡段水平長(zhǎng)10m、寬8.0m。穩(wěn)流池池底高程為133.00m，池長(zhǎng)17.0m，寬度由8.0m 漸變?yōu)?.8m。為減少水錘對(duì)無壓洞的影響，在鋼筋混凝土穩(wěn)流池側(cè)面設(shè)置一處溢流口，溢流口尺寸為2.0m×1.0m，出口底高程為139.40m，溢流水量直接排入旁邊河道。

隧洞出口剖面如圖2 所示。

圖2 隧洞出口剖面圖

4.2 出口輸水管線首部最小淹沒深度計(jì)算

隧洞出口有壓管線前水位由防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦的最小淹沒深度控制，防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦最小淹沒深度按下式計(jì)算:

式中 S——最小淹沒深度，m;

d——孔高度，m;

v——孔口斷面平均流速，m/s;

C——系數(shù)，對(duì)稱進(jìn)水口取0.55。

經(jīng)計(jì)算S=1.90m，設(shè)計(jì)取PCCP 管線前水位為138.40m，與溢流孔間有1.0m 安全高度。

5 結(jié) 語

a.該工程隧洞進(jìn)出口設(shè)計(jì)充分考慮了隧洞與有壓管線的水力銜接，解決了有壓管道發(fā)生水錘時(shí)的調(diào)壓?jiǎn)栴}，在工程運(yùn)用過程中應(yīng)根據(jù)進(jìn)出口及隧洞內(nèi)水位、流量的觀測(cè)結(jié)果，優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方案。

b.隨著施工工藝、施工機(jī)械的發(fā)展，混凝土的糙率系數(shù)有了逐漸減小的條件，在工程運(yùn)行后，應(yīng)根據(jù)水位、流量觀測(cè)資料和施工實(shí)測(cè)資料總結(jié)糙率系數(shù)的實(shí)際值及運(yùn)行對(duì)其的影響，為相關(guān)工程提供借鑒。