盤道嶺隧洞除險加固工程糙率和過流能力分析復核

(甘肅省引大入秦工程管理局，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

盤道嶺隧洞是引大入秦工程總干渠最長的一座隧洞，洞長15.723km，設計斷面為城門洞型反拱直墻斷面，隧洞凈寬4.2m，凈高4.4m，設計流量為29m3/s，最大流量為34m3/s，設計縱坡i為1/1000，洞身混凝土襯砌糙率系數(shù)n為0.015。隧洞在軟～極軟巖地層和少量的第四系地層通過，地層巖性復雜，地質(zhì)條件惡劣。病險洞段存在的主要問題是洞身裂縫縱橫交錯、縫間錯位、寬度大，滲水量嚴重，影響工程安全運行。為確保工程安全運行，將盤道嶺隧洞3處主要病險洞段列入蘭州新區(qū)供水項目引大渠道除險加固工程，分別為樁號64+482.68～66+554.68m，段長2072m；樁號71+740.68～71+923.68m，段長183m；樁號76+719.68～78+319.68m，段長1600m；總長3855m。

該次加固改造方案采用馬蹄形斷面C30鋼筋混凝土襯砌加固方案，在盡可能少的占用隧洞過流斷面的前提下，斷面尺寸為3.7m×3.9m(寬×高)，頂弧半徑1.85m，側(cè)墻圓弧半徑5.55m，底板圓弧半徑5.55m，最小襯砌厚度0.25m。在洞內(nèi)迎水面為降低糙率、滿足過流要求，設計采用黏貼塑料板降糙。按照除險加固工程實施方案，經(jīng)過除險加固后，盤道嶺隧道設計最大過流能力為30m3/s，加固段糙率為0.012，最小凈空高度0.86m。

2 試驗目的和試驗方案

2.1 試驗目的

盤道嶺隧洞是引大工程總干渠上重要建筑物，其過流能力直接影響到引大入秦工程的供水保證率。該隧洞采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土襯砌加固，鋼模臺車一次現(xiàn)澆成型，原材料和工藝流程嚴格控制，內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量均符合規(guī)范要求。為減小糙率，對混凝土表面光潔度要求較高。由于隧洞過流斷面縮小，為復核隧洞最大過流能力及臨空高度是否達到設計要求，同時考慮到無法保證塑料板與洞壁黏貼牢固且黏貼塑料板護壁降糙施工難度大，難以達到設計降糙的目的，特進行本項目測流試驗。若實測能滿足設計過流能力，可優(yōu)化設計取消迎水面黏貼塑料板降糙措施，節(jié)約概算投資1196.03萬元。

2.2 試驗方案

在盤道嶺隧洞進口前疙瘩溝矩型明渠設測流斷面，采用螺旋槳式流速儀進行流量量測并率定出測流斷面水位流量關系曲線；根據(jù)測流斷面的實測流量及各水位采集處的水位、隧洞縱坡等參數(shù)，推算出隧洞內(nèi)各測點的糙率和水位流量關系曲線；再根據(jù)隧洞安全輸水水力要素，推算出隧洞的最大過水流量。

3 設備選用及量測點布置

3.1 量測設備選用

根據(jù)盤道嶺隧洞無電源、無GPRS信號、潮濕、流速較大等現(xiàn)狀，經(jīng)多方考察對比，最終選用低功耗一體化超聲波遙測水位計(XD-2206-US)，水位量程為0～4m，盲區(qū)水位為最高水位距超聲波一體化遙測水位計底沿不小于0.6m，量測精度為0.5%。

選用L25-3C型螺旋槳式流速儀對渠道過水流量進行測量。

3.2 量測點布置

根據(jù)盤道嶺隧洞加固情況，分別在渠道及隧洞沿線5個位置各安裝1臺超聲波遙測水位計，采集并記錄水位數(shù)據(jù)。水位計具體安裝測點如下：

1號測點：疙瘩溝矩型明渠測流點(樁號62+170)，該測點位于疙瘩溝矩型明渠段，過流斷面型式為矩型。

2號測點：洞內(nèi)未加固段中間測流點(樁號63+755)，該測點位于盤道嶺隧洞62+964.68～64+482.68段中部，過流斷面型式為城門洞型。

3號測點：進口已加固洞段前端測流點(樁號64+630)，該測點位于盤道嶺隧洞64+482.68～66+554.68段前端，過流斷面型式為馬蹄型。

4號測點：進口已加固洞段中間測流點(樁號65+510)，該測點位于盤道嶺隧洞64+482.68～66+554.68段中部，過流斷面型式為馬蹄型。

5號測點：出口已加固洞段段中間測流點(樁號77+550)，該測點位于盤道嶺隧洞76+719.68～78+319.68段中部，過流斷面型式為馬蹄型。

4 試驗時間

4.1 各測流斷面糙率和流量關系曲線推算

設備安裝時間：2015年10月4日—2015年10月8日

設備運行時間: 2015年10月8日—2015年11月25日

4.2 設計過流和水位測定

設備安裝時間：2016年4月3日—2016年4月5日

設備運行時間: 2016年4月5日—2016年11月22日

5 試驗數(shù)據(jù)

5.1 渠道輸水流量測定

為了精確分析計算，在疙瘩溝矩型明渠1號測點處利用螺旋槳式流速儀對渠道過水流量進行5次測量，每次測量2組數(shù)據(jù)。經(jīng)測量，各次測量成果見表1。

表1 測流點流量測量數(shù)據(jù)表

5.2 水位計水位數(shù)據(jù)存儲記錄

在設備運行期內(nèi)，2015年采集數(shù)據(jù)情況為：1號測點采集有效數(shù)據(jù)2225條，2號測點采集有效數(shù)據(jù)2228條，3號測點采集有效數(shù)據(jù)0條，4號測點采集有效數(shù)據(jù)2234條，5號測點采集有效數(shù)據(jù)2271條。2016年采集數(shù)據(jù)情況為：1號測點采集有效數(shù)據(jù)9728條，2號測點采集有效數(shù)據(jù)11440條，4號測點采集有效數(shù)據(jù)9556條，5號測點采集有效數(shù)據(jù)9751條。3號測點由于設備故障，沒有采集到有效數(shù)據(jù)。

6 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)儀器所記錄原始數(shù)據(jù)分析，水流從1號測點到2號測點的時間約為11min, 從2號測點到4號測點的時間約為12min, 從4號測點到5號測點的時間約為84min。在計算中，分別取各測點測流流量對應時間點前后2h數(shù)據(jù)的平均值作為計算水深。

盤道嶺隧洞為長距離無壓隧洞，可采用明渠均勻流流量計算公式推導得出糙率計算公式:

n=A/Q×R2/3×i1/2，其中R=A/x

式中A——過流面積，m2;

Q——流量，m3/s;

R——水力半徑，m;

x——濕周，m;

i——底坡坡度。

經(jīng)計算，各測點的糙率見表2。

表2 各測點糙率

7 實測糙率和過流能力分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析整理，可知盤道嶺隧洞除險加固鋼筋混凝土襯砌后，加固段的平均糙率0.0105，低于設計0.012要求。根據(jù)各測點斷面推算的流量關系曲線表：?4號測點斷面水位2.85m時，凈空高度1.05m，流量為30.522m3/s；當水位3.04m，達到設計凈空高度0.86m，流量為32.611m3/s。?5號測點斷面水位2.65m時，凈空高度1.25m，流量為29.954m3/s；當水位3.04m，達到設計凈空高度0.86m，流量為35.872m3/s。由此可知，盤道嶺隧洞襯砌加固段洞身迎水面糙率已完全滿足過流能力要求，無需采用黏貼塑料板降糙。

8 引水校核試驗

2016年10月20日，盤道嶺隧洞除險加固后，采用設計流量30m3/s測試過流能力。0:00開始小水池向下游分級加流，8:00調(diào)節(jié)流量增至30m3/s，11:05—13:10時段，疙瘩溝測流斷面水位2.83m，水流穩(wěn)定，實測流量30.2m3/s。洞內(nèi)各測點記錄水位為:?2號測點11:30時水位為2.988m；?4號測點11:30時水位為2.721m；?5號測點13:00時水位為2.598m。

9 結(jié) 語

盤道嶺隧洞除險加固工程，設計過流能力30m3/s，設計凈空高度0.86m。依據(jù)實測糙率和過流能力分析，以及過流能力引水校核試驗數(shù)據(jù)分析，盤道嶺隧洞加固后流量為30.2m3/s時，糙率為0.0105，小于設計糙率0.012，最大水深2.721m，凈空高度1.179m大于設計凈空高度0.86m。以上試驗結(jié)論證明盤道嶺隧洞鋼筋混凝土襯砌加固后，過流能力滿足設計要求。通過對盤道嶺隧洞除險加固后水力條件和過流能力實測分析，采用良好的馬蹄形斷面和用鋼模臺車一次現(xiàn)澆成型工藝，形成得光潔平整的表面，獲得較小的糙率，不需要采用其他措施即能滿足設計要求，可減少投資。