盤道嶺隧洞除險加固工程糙率和過流能力分析復(fù)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(shè)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(shè)計流量為29m3/s，最大流量為34m3/s，設(shè)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(fù)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(yán)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(shè)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(shè)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。

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2.1 試驗?zāi)康?/h3>

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(yán)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(fù)核隧洞最大過流能力及臨空高度是否達(dá)到設(shè)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(hù)壁降糙施工難度大，難以達(dá)到設(shè)計降糙的目的，特進(jìn)行本項目測流試驗。若實測能滿足設(shè)計過流能力，可優(yōu)化設(shè)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(jìn)口前疙瘩溝矩型明渠設(shè)測流斷面，采用螺旋槳式流速儀進(jìn)行流量量測并率定出測流斷面水位流量關(guān)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(guān)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(shè)備選用及量測點布置

3.1 量測設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(guān)系曲線推算

設(shè)備安裝時間：2015年10月4日—2015年10月8日

設(shè)備運行時間: 2015年10月8日—2015年11月25日

4.2 設(shè)計過流和水位測定

設(shè)備安裝時間：2016年4月3日—2016年4月5日

設(shè)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(jìn)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(shè)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(shè)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(yīng)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(dǎo)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(shè)計0.012要求。根據(jù)各測點斷面推算的流量關(guān)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(dāng)水位3.04m，達(dá)到設(shè)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(dāng)水位3.04m，達(dá)到設(shè)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(shè)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(shè)計過流能力30m3/s，設(shè)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(shè)計糙率0.012，最大水深2.721m，凈空高度1.179m大于設(shè)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(shè)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(shè)計要求，可減少投資。