任屯—殺虎嶺輸水隧洞設計

陳俊喜

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

楊曉飛 王長林

(大連市公司有限公司 116021)

1 工程概況

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

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，入口位于徐屯鎮任屯村，出口位于梁屯鎮殺虎嶺村北碧流河北岸。隧洞進口處的山腳下為該工程的二級加壓泵站，揚程為98.34m，經加壓泵站加壓后，通過管徑為2.8m的壓力鋼管輸水至隧洞進口。隧洞采用無壓輸水，洞長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 隧洞進口設計

2.1 結構設計

輸水管線與隧洞進口采用鋼筋混凝土穩流池連接，為防止突然斷水時，隧洞內的水倒灌，給上游管道及泵站帶來危險，在穩流池平直段中間位置設置鋼筋混凝土隔墻，墻頂高出隧洞進口設計水位20cm，隔墻厚度為0.6m。隔墻前穩流池底板高程為141.74m，池長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。隔墻后穩流池底板高程為142.84m，池長12.4m，池寬由8.0m 漸變為6.2m。為減少水錘對無壓洞的影響，在鋼筋混凝土穩流池側面設置一處溢流口，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。

隧洞進口剖面如下頁圖1 所示。

2.2 隔墻頂部溢流水深計算

溢流水深采用《溢洪道設計規范》(SL 253—2000)的泄流公式計算:

式中 Q——流量，m3/s;

B——堰總凈寬，m;

H0——計入行進流速水頭的堰上總水頭，m;

H0=H+ v2/2g;

m——流量系數;

ε——閘墩側收縮系數。

經計算，隔墻頂部溢流水深為0.70m，δ/H=0.85，水面上留1.3m 凈空。

3 隧洞設計

3.1 結構設計

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 隧洞進口剖面圖

3.2 水力計算理論

3.2.1 水力計算依據

整個隧洞坡度一致，洞內水流一般只在隧洞的進出口連接段、支洞交叉擴大洞室處和洞內轉彎段等部位出現非均勻流流態，可引起洞內水位壅高，造成斷面凈空減小。整個長隧洞可按均勻流理論計算隧洞的過流能力，按明渠非均勻流理論推算局部水面曲線，進而復核隧洞斷面凈空比及過流能力。

為保證隧洞無壓輸水，按《水工隧洞設計規范》(SL 279—2002)第4.3.7 條的規定“在恒定流條件下，洞內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。對較長隧洞上述數值可適當增加”，該工程最大引水流量時，選取斷面控制凈空為18%，凈高不小于40cm。

3.2.2 水力計算公式

明渠均勻流計算公式為

按設計流量10.42m3/s 計算隧洞成洞斷面尺寸。

3.3 隧洞糙率系數的選取

隧洞內的水頭損失主要發生在沿程，選擇合適的襯砌混凝土糙率系數對計算隧洞出口剩余水頭、確定隧洞洞徑具有重要意義。

《水工隧洞設計規范》(SL 279—2002)中提到:“混凝土及鋼筋混凝土襯砌結構的糙率系數，經長期實踐較為成熟，取值比較一致。”

《水工隧洞設計規范》(DL/T 5195—2004)附錄C中，對鋼模現澆混凝土襯砌要求為:技術一般:n=0.012～0.016，平均0.014;技術良好:n=0.012～0.014，平均0.013。

《水電站調壓室設計規范》(DL/T 5058—1996)附錄A 中，對鋼模現澆混凝土襯砌要求為:技術一般:n=0.012～0.016，平均0.014;技術良好:n=0.012～0.014，平均0.013;

《錨桿噴射混凝土支護技術規范》中規定襯砌混凝土的糙率系數n=0.014。

《水工設計手冊》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計n=0.014，運行多年后對隧洞糙率進行了原型觀測，混凝土襯砌測得綜合糙率系數n=0.0125;南水北調邙山隧洞、穿黃盾構隧洞混凝土襯砌n=0.0135。

考慮工程的結構設計因素、經濟因素、施工技術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取0.014。

3.4 水力計算結果

經計算，流量10.42m3/s 隧洞內直段明渠均勻流的水深為2.5m，洞內水面以上凈空面積與總面積之比為18%，洞頂凈高0.98m，均滿足規范要求。

僅在隧洞入口、轉彎段、隧洞出口局部發生非均勻流現象，局部水頭損失造成水面涌高約2cm 左右，對斷面凈空均不產生影響。

4 隧洞出口設計

4.1 結構設計

下游輸水管線與隧洞出口采用鋼筋混凝土穩流池連接，出洞后設1∶2 斜坡段與池底連接，斜坡段水平長10m、寬8.0m。穩流池池底高程為133.00m，池長17.0m，寬度由8.0m 漸變為5.8m。為減少水錘對無壓洞的影響，在鋼筋混凝土穩流池側面設置一處溢流口，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算

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

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，對稱進水口取0.55。

經計算S=1.90m，設計取PCCP 管線前水位為138.40m，與溢流孔間有1.0m 安全高度。

5 結 語

a.該工程隧洞進出口設計充分考慮了隧洞與有壓管線的水力銜接，解決了有壓管道發生水錘時的調壓問題，在工程運用過程中應根據進出口及隧洞內水位、流量的觀測結果，優化調度運行方案。

b.隨著施工工藝、施工機械的發展，混凝土的糙率系數有了逐漸減小的條件，在工程運行后，應根據水位、流量觀測資料和施工實測資料總結糙率系數的實際值及運行對其的影響，為相關工程提供借鑒。