某引水工程中典型輸水隧洞設計方法分析

王 君

（烏魯木齊市水利勘測設計院（有限責任公司），新疆 烏魯木齊 832000）

1 工程概況

某大型引水工程輸水線路全長184.77 km，全線共有隧洞30條，總長165.38 km，占整個輸水線路的90%，其中10 km以上的隧洞有5條，設計輸水流量20 m3/s～40 m3/s，本工程在隧洞設計時經初步分析比較，隧洞采用無壓隧洞輸水方式，斷面采用城門洞型，再選取典型隧洞進行設計，典型隧洞洞線長14.48 km，布置有4條施工支洞，設計流量Q=20 m3/s，設計底坡初選i=1/1000，斷面形式為城門洞型斷面。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深430 m。隧洞進口地形為較完整山坡，山坡坡度約35°～40°，坡高約85 m～90 m，出口地形為一向南西凸出的小山脊，寬約200 m，地形坡度約20°～30°，坡高約135 m，以上坡度稍緩為30°～40°。沿線隧洞沿線巖層巖性有泥質灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖夾頁巖、泥巖、石英砂巖、長石砂巖以及粉砂質泥巖等[2]，隧洞沿線斷層及皺褶較發(fā)育，沿線巖溶水及基巖裂隙水均有分布。隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，各種圍巖類別統(tǒng)計見表1。

表1 典型隧洞圍巖類別統(tǒng)計表

2 斷面比選設計

根據選定的隧洞斷面型式為城門洞型，初擬三組不同斷面尺寸進行比選，比選原則為:在設計流量Q=20 m3/s、底坡i=1/1000、糙率n=0.014一定的情況下，擬定不同的底寬，求得相應的水深及過水斷面，保證各斷面的凈空比相等，并滿足凈空面積為20%左右，水力計算根據《水力學》中計算公式[3]，三種

斷面計算結果表2。

式中:Q為隧洞設計流量，取值為20 m3/s；A為隧洞過水斷面，m2；C為謝才系數；R為水力半徑，R=A/χ，m；i為設計底坡，取值為1/1000；n為糙率系數，取值為0.014；m為邊坡系數，矩形斷面取值為0。

表2 典型輸水隧洞不同底寬水力參數比較表

根據表2計算結果，按Ⅳ類圍巖（該典型隧洞圍巖以Ⅳ類為主）分別對三種不同過水斷面進行配筋計算，襯砌厚度均為0.4 m，計算1 km洞長三種不同斷面的主要工程量，并估算投資，對比結果見表3。

表3 輸水隧洞不同過水斷面工程量及投資對比表

從表3可以看出，取1 km隧洞洞長計算結果為例，斷面1的投資最大，斷面3的投資最小，但投資差值均小。

比較斷面1及斷面2可以發(fā)現(xiàn)，二者投資僅相差1.2%，結合《水工隧洞設計規(guī)范》（SL 279-2002）相關規(guī)定[4]:“斷面的高寬比宜為1.0～1.5，洞內水位變化較大時宜采用大的比值”以及“高地應力區(qū)若垂直地應力大于水平地應力，宜采用高度較大而寬度較小的斷面”，考慮到該隧洞相對埋深較大，因此隧洞斷面高寬比宜取大值。

綜上所述，典型隧洞推薦城門洞型，過水斷面底寬3.0 m，凈高為3.96 m。

3 建筑物設計

3.1 工程布置

典型隧洞進口與倒虹吸相連接，出口與消能電站連接。為避開不利地段，并滿足施工支洞布置、施工場地、交通、工期等要求，隧洞在平面上布置3個轉彎段，轉彎半徑為15 m。隧洞總長14476.268 m，里程SS60+079.484 m～SS74+555.751 m。隧洞坡降采用1/1000，正常水深2.96 m，進口底板高程1818.34 m，出口底板高程1803.86 m。為滿足隧洞施工要求，螺峰山隧洞沿線共布置4條施工支洞，支洞與主洞交點里程依次為YH62+440.373 m、YH65+259.593 m、YH67+647.628 m、YH71+626.057 m。

圖1 典型隧洞平面膜布置圖

3.2 隧洞支護設計

（1）初期支護

典型隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，根據不同的圍巖類別，在開挖過程中，采取不同的初期支護方式。初期支護方案見表4。

表4 典型隧洞初期支護方案表

（2）二次支護

典型隧洞全洞段采用C30鋼筋混凝土襯砌[5]，隧洞圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，全洞段采用C30鋼筋混凝土襯砌，洞身根據地質條件，襯砌厚度分別采用0.3 m、0.4 m、0.5 m。隧洞支護設計斷面圖見圖2(篇幅所限，僅列一個)。

圖2 典型隧洞支護設計橫斷面圖（尺寸單位：cm）

3.3 隧洞細部設計

（1）施工縫、變形縫止水設計

①對于圍巖性質均一，溫度變化小、收斂變形較小的圍巖洞身段，根據襯砌臺車的長度一般按8 m～12 m設一條環(huán)向施工縫，施工縫設橡膠止水帶，并用瀝青杉板進行填塞。

②在隧洞進、出口處、洞身與施工支洞交匯處以及洞內斷層分布處或其他可能產生較大相對變位處設置永久縫，縱向鋼筋在永久縫處斷開，縫內設橡膠止水，并用瀝青杉板進行填塞。

（2）回填灌漿設計

為了提高襯砌結構的整體性和結構承載能力，隧洞頂拱部120°范圍布置3個～4個回填灌漿孔，灌漿孔深入圍巖5 cm～10 cm，縱向排距3 m，梅花型布置。灌漿壓力視混凝土襯砌厚度和配筋情況確定。

（3）固結灌漿設計

為了提高圍巖的整體性和抗變形能力，對Ⅴ類圍巖洞段隧洞全斷面進行固結灌漿[6]，每個斷面設6個～10個固結灌漿孔，縱向排距3 m，呈梅花型布置。灌漿孔深入圍巖2 m～3 m，對于極軟弱、破碎水量較大段考慮適當加大孔深。

（4）排水孔設計

遵照“堵”“截”“排”相結合的防滲和排水設計原則，為有效減小地下水壓力，在地下水位較高處設置排水孔，梅花型布置，孔深為3 m～5 m，頂拱回填灌漿孔可兼做排水孔。

（5）進出口邊坡設計

隧洞進出口邊坡均處于強風化長石砂巖夾泥巖、頁巖層，進口為順層、出口逆向，邊坡開挖坡比1∶1，最大坡高小于10 m，為防止開挖邊坡進一步風化，保證邊坡安全，對邊坡采取掛鋼筋網噴錨支護，噴混凝土強度等級C20，厚度12 cm，掛網鋼筋直徑6.5 mm，間排距200 mm，系統(tǒng)錨桿為直徑25 mm螺紋鋼筋，長度3 m，間排距2 m。為防止雨水浸蝕，坡面設置直徑50mm、間排距3 m、深3 m的排水孔，坡頂設置300 mm×300 mm的截水溝。

4 結語

輸水線路上隧洞有30余條，對每條隧洞進行設計會有大量重復工作，花費更多的時間和精力，設計中應根據隧洞特點、地質條件、水流條件及輸水方式等將隧洞歸類，進行典型隧洞設計，將設計成果用于其他同類型隧洞，在設計中取得了較為滿意的結果，本工程為新建隧洞，該設計思路和方法獲得了專家和同行的一致好評。