緊水灘引調(diào)水工程隧洞斷面型式設(shè)計(jì)比選

鐘德恩

（云和縣水利發(fā)展有限公司，浙江 云和 323600）

1 工程概況

緊水灘引調(diào)水工程是浮云溪流域綜合治理的一個(gè)子項(xiàng)目，位于浙江省麗水市云和縣，在原有緊水灘水庫(kù)的基礎(chǔ)上新建輸水隧洞及其配套措施，主要任務(wù)是充分利用緊水灘水庫(kù)的水資源，解決云和縣城備用水源問(wèn)題，同時(shí)改善云和縣城水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)，形成一源一備水資源配置格局。工程優(yōu)質(zhì)用水供水范圍為云和縣縣城，生態(tài)環(huán)境用水供水范圍為浮云溪干流云和縣城段和木路溪、黃溪（浮云溪的一級(jí)支流）干流縣城段。云和縣城城區(qū)供水主要由霧溪水庫(kù)提供，梅壟水庫(kù)作為應(yīng)急水源，本次規(guī)劃將緊水灘水庫(kù)作為云和縣城城區(qū)備用水源，因此，徑流計(jì)算主要包括緊水灘水庫(kù)徑流計(jì)算和霧溪水庫(kù)、梅壟水庫(kù)徑流計(jì)算。工程基準(zhǔn)年為2017 年，近期水平年采用2020 年，遠(yuǎn)期水平年采用2030 年。

（1）生態(tài)流量引水需求

浮云溪生態(tài)流量2.23 m3/s，黃溪生態(tài)流量0.35 m3/s、木路溪生態(tài)流量0.30 m3/s。本次設(shè)計(jì)考慮，在對(duì)浮云溪、黃溪、木路溪進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水時(shí)，若按逐日計(jì)算，逐日補(bǔ)水，操作復(fù)雜，對(duì)緊水灘水庫(kù)調(diào)度不利，故考慮逐月調(diào)節(jié)，當(dāng)月平均流量不足生態(tài)流量時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水時(shí)段為早上八點(diǎn)至晚上八點(diǎn)。

經(jīng)長(zhǎng)系列資料調(diào)算，浮云溪多年平均需引水0.66 m3/s，按引水時(shí)段早上八點(diǎn)至晚上八點(diǎn)計(jì)算，多年平均引水量1332 萬(wàn)m3；黃溪多年平均需引水0.10 m3/s，按引水時(shí)段早上八點(diǎn)至晚上八點(diǎn)計(jì)算，多年平均引水量158 萬(wàn)m3；木路溪多年平均需引水0.09 m3/s，按引水時(shí)段早上八點(diǎn)至晚上八點(diǎn)計(jì)算，多年平均引水量 140 萬(wàn) m3。

輸水隧洞規(guī)模計(jì)算時(shí)，按生態(tài)流量確定，浮云溪2.23 m3/s，黃溪0.35 m3/s，木路溪 0.30 m3/s。

（2）城鄉(xiāng)生活及工業(yè)用水引水需求

2030 年，城鄉(xiāng)生活及工業(yè)用水日平均需水量為3.75 萬(wàn)m3/d。

綜上，緊水灘水庫(kù)引調(diào)水工程輸水規(guī)模共2.88 m3/s，浮云溪生態(tài)流量2.23m3/s，多年平均引水量1332萬(wàn)m3；黃溪生態(tài)流量0.35m3/s，多年平均引水量158 萬(wàn)m3，木路溪生態(tài)流量0.30m3/s，多年平均引水量140 萬(wàn)m3。合計(jì)從緊水灘水庫(kù)年引水量1630 萬(wàn)m3。

考慮梅壟水庫(kù)現(xiàn)狀作為備用水源，供水設(shè)備和條件難以滿(mǎn)足。在木路溪預(yù)留供水管，為實(shí)現(xiàn)工程的優(yōu)化使用，考慮當(dāng)霧溪水庫(kù)、梅壟水庫(kù)不能供水時(shí)，從緊水灘水庫(kù)引水，供給城區(qū)全部用水3.75 萬(wàn)m3/d，引水流量為0.434 m3/s。

2 隧洞斷面型式選擇

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）5.2 條，有壓隧洞宜采用圓形斷面。當(dāng)圍巖穩(wěn)定性較好，內(nèi)、外水壓力不大時(shí)，可采用便于施工的其他斷面形狀。

緊水灘引調(diào)水工程采用有壓輸水，從水力學(xué)最優(yōu)斷面來(lái)說(shuō)，圓形斷面是最優(yōu)的隧洞斷面形式。但在地質(zhì)條件優(yōu)良，內(nèi)水壓力不大的情況下，為了鉆爆法施工的方便，有壓隧洞也有采用城門(mén)洞形或馬蹄形。本工程隧洞內(nèi)水壓力較小，從施工進(jìn)度考慮城門(mén)洞形或馬蹄形斷面對(duì)洞內(nèi)臨時(shí)支護(hù)、洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)染哂袃?yōu)勢(shì)。因此，本階段輸水隧洞設(shè)計(jì)選擇圓形斷面、城門(mén)洞形斷面和馬蹄形斷面3 種斷面形式、以Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖區(qū)域?yàn)榇?，進(jìn)行比較，為方便比較，此次設(shè)計(jì)三種斷面形式采用相同的過(guò)流面積，同樣條件下的尺寸分別為：圓形斷面襯砌后洞徑3.3 m，城門(mén)洞型襯砌后尺寸為3.2 m×2.8 m（高×寬），平底圓洞襯砌后洞徑3.2 m。

2.1 圓形斷面（方案一）

（1）隧洞規(guī)模

根據(jù)本工程輸水系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)條件，通過(guò)長(zhǎng)系列逐日仿真分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較法，確定本工程輸水隧洞洞徑規(guī)模。設(shè)計(jì)流量為2.88 m3/s，確定圓形斷面隧洞襯砌后直徑為3.3 m。

（2）斷面結(jié)構(gòu)

圓形斷面方案襯砌后洞徑3.3 m，Ⅲ類(lèi)圍巖隧洞采用系統(tǒng)砂漿錨桿（L=2.0 m，排距1.0 m）、掛網(wǎng)噴C20 混凝土（厚10 cm）進(jìn)行支護(hù)；Ⅳ類(lèi)圍巖采用系統(tǒng)漿錨桿（L=2.5 m，間排距1.0 m）、掛網(wǎng)噴C20 混凝土（厚10 cm），I14 鋼拱架及C20F50W6 混凝土襯砌進(jìn)行支護(hù)，襯砌厚度為0.4 m；局部區(qū)域頂拱范圍內(nèi)采用砂漿錨桿超前支護(hù)。Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖圓形隧洞斷面見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 Ⅲ類(lèi)圍巖圓形隧洞斷面圖（尺寸單位：cm）

圖2 Ⅳ類(lèi)圍巖圓形隧洞斷面（尺寸單位：cm）

2.2 城門(mén)洞形斷面（方案二）

（1）隧洞規(guī)模

根據(jù)本工程輸水系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)條件，通過(guò)長(zhǎng)系列還日仿真分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較法確定本工程輸水隧洞洞徑規(guī)模。設(shè)計(jì)流量為2.88 m3/s，確定城門(mén)洞形斷面隊(duì)隧洞襯砌后尺寸為3.2 m×2.8 m（高×寬）。

（2）斷面結(jié)構(gòu)

城門(mén)洞形斷面方案襯砌后尺寸為3.2 m×2.8 m（高×寬），Ⅲ類(lèi)圍巖隧洞采用系統(tǒng)砂漿錨桿（L=2.0 m，排距1.0 m）、掛網(wǎng)噴C20 混凝土（厚10 cm）進(jìn)行支護(hù)；Ⅳ類(lèi)圍巖采用系統(tǒng)漿錨桿（L=2.5 m，間排距 1.0 m）、掛網(wǎng)噴 C20 混凝土（厚 10 cm），I14鋼拱架及C20F50W6 鐘混凝土襯砌進(jìn)行支護(hù)，襯砌厚度為0.4 m；局部區(qū)域頂拱范圍內(nèi)采用砂漿錨桿超前支護(hù)。主洞Ⅲ類(lèi)/Ⅳ類(lèi)圍巖襯砌斷面見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 主洞Ⅲ類(lèi)圍巖襯砌斷面圖（尺寸單位：cm）

圖4 主洞Ⅳ類(lèi)圍巖襯砌斷面圖（尺寸單位：cm）

2.3 平底圓形斷面（方案三）

（1）隧洞規(guī)模

根據(jù)本工程輸水系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)條件，通過(guò)長(zhǎng)系列逐日仿真分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較法確定本工程輸水隧洞洞徑規(guī)模。設(shè)計(jì)流量為2.833 m3/s，確定隧洞斷面襯砌后3.2 m。

（2）斷面結(jié)構(gòu)

馬蹄形斷面方案襯砌后直徑3.2 m，Ⅲ類(lèi)圍巖隧洞采用系統(tǒng)砂漿錨桿（L=2.0 m，排距1.0 m）、掛網(wǎng)噴C20 混凝土（厚10 cm）進(jìn)行支護(hù)；Ⅳ類(lèi)圍巖采用系統(tǒng)漿錨桿（L=2.5 m，間排距1.0 m）、掛網(wǎng)噴 C20 混凝土（厚 10 cm），I14 鋼拱架及 C20F50W6 鐘混凝土襯砌進(jìn)行支護(hù)，襯砌厚度為0.4 m；局部區(qū)域頂拱范圍內(nèi)采用砂漿錨桿超前支護(hù)。Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖隧洞斷面見(jiàn)圖 5、圖 6。

圖5 Ⅲ類(lèi)圍巖隧洞斷面圖（尺寸單位：cm）

圖6 Ⅳ類(lèi)圍巖隧洞斷面圖（尺寸單位：cm）

3 輸水隧洞斷面型式比選

（1）可比性投資

本階段設(shè)計(jì)以Ⅳ類(lèi)圍巖為典型，計(jì)算圓形斷面、城門(mén)洞形和平底圓形斷面單公里工程量及投資，見(jiàn)表1。

表1 Ⅳ類(lèi)圍巖襯砌段（1km）各方案可比工程量投資比較表

（2）施工條件分析

從施工條件角度分析，城門(mén)洞形斷面對(duì)于施工洞內(nèi)運(yùn)輸、出量最為有利，馬蹄形斷面底部設(shè)為平底，洞內(nèi)運(yùn)輸出渣較為方便，圓形斷面施工條件相對(duì)較差，不利于洞內(nèi)運(yùn)輸出渣，并會(huì)由此帶來(lái)一定的工期影響。

（3）綜合比較

圓形、城門(mén)洞形和馬蹄形3 種斷面形式綜合比較表見(jiàn)表2。

表2 隧洞斷面形式綜合比選表

由表2 可知，圓形斷面雖然水力條件及結(jié)構(gòu)受力條件最好，但施工較為不便，在施工期隧洞運(yùn)輸出渣條件較差，施工工期會(huì)因此受到較大的影響。馬蹄形斷面受力條件較圓形斷面略差，但施工條件優(yōu)于圓形斷面、城門(mén)洞形斷面施工最為方便，施工期出渣運(yùn)輸條件最好。城門(mén)洞形斷面施工及運(yùn)渣條件中等，且投資相對(duì)較省，因此最終確定為城門(mén)洞形斷面形式。

4 結(jié)論

綜上所述，緊水灘引調(diào)水工程隧洞斷面型式的確定，應(yīng)從工程的總體角度入手，綜合考量多方面的因素設(shè)計(jì)確保后續(xù)施工的合理性、運(yùn)行的安全性。工程能夠低成本且快速的推進(jìn)，同時(shí)達(dá)到預(yù)期的工程運(yùn)行效果。