輸水隧洞設(shè)計分析和計算

盧娟華

（湖南水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007）

引 言

水工輸水隧洞廣泛運用于泄洪、發(fā)電、供水、灌溉等工程，近年來隨著城市供水及農(nóng)田灌溉日益增長的需求，水工輸水隧洞得到了大量運用。通過對輸水隧洞設(shè)計和計算等方面的研究，不但能夠提高隧洞的安全性，而且能有效保證水工建筑物的整體質(zhì)量[1]和使用壽命。輸水隧洞設(shè)計和計算等方面的工作已越來越受到相關(guān)部門的重視，基于上述原因，本文將深入分析和介紹輸水隧洞設(shè)計和計算過程，以期對水工隧洞設(shè)計和進(jìn)一步研究提供參考。

1 基本情況

某水庫總庫容為1.21 億m3，工程為Ⅱ等工程，主要建筑物級別為2 級，次要建筑物為3 級。水庫特征水位：正常蓄水位為123.60 m，設(shè)計洪水位為124.69 m，校核洪水位為125.72 m，死水位為109.50 m。它修建于1958 年，水庫工程樞紐主要由主壩、副壩、溢洪道和3條放水隧洞組成。隨著時間推移，該水庫工程樞紐已出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題，其中輸水隧洞存在的問題是：輸水隧洞進(jìn)口出現(xiàn)斜向裂縫，導(dǎo)致呈射流狀漏水。洞身襯砌混凝土澆筑質(zhì)量差，強度低，碳化嚴(yán)重，孔洞和露筋銹蝕，并多處混凝土出現(xiàn)剝離并起殼等現(xiàn)象。進(jìn)水口工作橋排架柱斷裂，現(xiàn)已不能安全通行。一旦出事，影響水庫向灌區(qū)正常供水，甚至有可能引起工程樞紐發(fā)生破壞，造成生命財產(chǎn)的重大損失。為了使該水庫工程樞紐能夠正常蓄水，并保證其安全運行，根據(jù)有關(guān)部門的鑒定結(jié)論和意見，需要對工程進(jìn)行除險加固處理。因此，本文以該水庫工程樞紐中的92#輸水隧洞設(shè)計為例，介紹和分析其相關(guān)設(shè)計和計算等過程，為類似水工隧洞設(shè)計及施工提供一定的參考。

2 92#輸水隧洞設(shè)計和計算

根據(jù)上述分析可知，92#輸水隧洞存在不少的問題，該輸水隧洞位于副壩右端與溢洪道之間，于1959年3 月建成，原為水庫初建時的導(dǎo)流洞，進(jìn)口底板高程92.0 m，初期洞徑1.5 m，洞身段單層鋼筋混凝土襯砌厚25 cm，全長154 m。水庫建成后1976 年改為發(fā)電和干渠的灌溉隧洞，由于襯砌混凝土多處開裂，漏水嚴(yán)重，在洞內(nèi)加襯砌厚0.15 m 單層配筋的鋼筋混凝土，洞內(nèi)徑縮小至1.2 m；隧洞設(shè)計灌溉流量5.2 m3/s，發(fā)電流量5.8 m3/s。因此，為了實現(xiàn)對該輸水隧洞的除險加固，采用了洞身段加固和新建隧洞2 個方案來進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，新建隧洞雖然工程投資略大一點，但施工周期較短，只需在一個枯水期內(nèi)即可完成，對水庫發(fā)電、灌溉影響小，且能從根本上解決原隧洞存在的問題，故選擇了新建隧洞方案，其相關(guān)設(shè)計和計算具體如下[3]。

2.1 92#輸水隧洞洞線地質(zhì)情況

92#輸水隧洞進(jìn)口段（0～32 m），為強風(fēng)化（Ptbn2l2）灰色板巖夾砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)砂巖。巖層產(chǎn)狀N65°～75°E，NW∠30°～35°。洞身段（32～36 m）和（91～140 m）圍巖為強風(fēng)化（Ptbn2l2）灰色板巖夾砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)砂巖。巖層產(chǎn)狀N65°～75°E，NW∠30°～35°洞頂以上巖石強風(fēng)化厚度0～14 m。該兩段圍巖屬Ⅴ類，圍巖風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面較多，存在掉塊、滲水甚至整體塌落，圍巖穩(wěn)定性差。洞身段（36～91 m），圍巖為（Ptbn2l2）灰色板巖夾砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)砂巖。巖層產(chǎn)狀N65°～75°E，NW∠30°～35°，巖層傾向與洞軸線近于直交，洞頂以上弱風(fēng)化巖石厚度0～4.5 m，強風(fēng)化巖石厚度最大25.2 m。該段圍巖屬Ⅳ類，存在掉塊、甚至局部塌落，圍巖穩(wěn)定性差。出口段（140～150 m）地形坡度0°～45°，表部為殘坡積（Qedl）的粉質(zhì)粘土，基巖為全風(fēng)化（Ptbn2l2）青灰色板巖間夾砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)砂巖。

2.2 92#輸水隧洞總布置

考慮隧洞出口須與現(xiàn)有發(fā)電灌溉渠相接，所以新建隧洞洞線只能在原92#隧洞左右側(cè)選擇。然而，當(dāng)在原92#輸水隧洞右側(cè)布置時，隧洞洞身段及出口段距離原隧洞軸線圍巖厚度不能滿足（2～3）倍的開挖洞徑，且在施工期間影響原92#隧洞施工導(dǎo)流。因此，本次工程設(shè)計將新建的隧洞洞線選定在原92#隧洞左側(cè)約10 m處，洞線沿原有隧洞平行布置，洞身段從副壩壩基巖體穿過，隧洞出口與現(xiàn)有發(fā)電灌溉渠及電站的進(jìn)口管道相接。隧洞由進(jìn)口段、洞身段、出口段組成，斷面尺寸根據(jù)有壓隧洞的經(jīng)濟(jì)流速2.5～4.5 m/s 計算得洞徑D 為1.6～1.2 m，考慮施工方便，圓形斷面的最小直徑取1.8 m。進(jìn)口底板高程為92.0 m，出口底板高程為88.29 m，隧洞長150.0 m。

2.3 進(jìn)水口設(shè)計

在本工程中，92#輸水隧洞設(shè)岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)口底板高程為92.00 m，厚為1.2 m 長為8.0 m，進(jìn)水口閘室段設(shè)有工作閘門、事故檢修閘門和攔污柵，其中工作閘門、檢修閘門采用固定卷揚式啟閉機(jī)啟閉，其均為平板鋼閘門。進(jìn)水口由進(jìn)水口底板、閘墩、通氣孔及啟閉機(jī)房等部分組成，閘墩位于兩側(cè)，閘墩厚1.0 m，閘墩頂部高程為128.70 m；通氣孔位于檢修門后，通氣孔內(nèi)徑為0.4 m。進(jìn)水口底板、閘墩均為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。啟閉機(jī)房位于進(jìn)水口閘墩上，啟閉機(jī)平臺高程為131.70 m。為了保護(hù)啟閉機(jī)電設(shè)備，將啟閉臺設(shè)計為封閉式，在啟閉臺排架上加蓋屋面，四周充填磚墻。啟閉臺與進(jìn)水口工作平臺間設(shè)鋼爬梯。進(jìn)水口工作平臺對外交通采用工作橋連接。

一般有壓隧洞，進(jìn)口閘門為了避免進(jìn)口吸氣產(chǎn)生漩渦和洞內(nèi)產(chǎn)生空蝕，應(yīng)對進(jìn)口上邊緣淹沒深度進(jìn)行計算和進(jìn)口閘室段的穩(wěn)定性計算。但本工程因死水位為109.05 m，與進(jìn)口底板高差有17.5 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足淹沒深度。故只對閘室的抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力進(jìn)行計算，具體過程如下：

1）閘室抗滑穩(wěn)定計算

抗滑穩(wěn)定計算公式為[4]：

式中 KC——沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑G——作用在閘室上的全部豎直向荷載（kN）；

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）；

Ф0——閘室基底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角度（°）；

C0——閘室基底面與土質(zhì)地基之間的粘結(jié)力（kPa）。

2）閘室基底應(yīng)力計算

采用閘室基底應(yīng)力計算公式[4]：

式中 Pmmainx——閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值（kPa）；

∑M——作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN）；

A——閘室基底面的面積（m2）；

W——閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）。

經(jīng)計算閘室穩(wěn)定和地基承載力都滿足規(guī)范要求，成果如表1。

表1 92#輸水隧洞進(jìn)水閘閘室穩(wěn)定和基礎(chǔ)應(yīng)力計算成果表

2.4 洞身段襯砌設(shè)計

洞身段襯砌設(shè)計是該輸水隧洞的關(guān)鍵難點之一。根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的隧洞地質(zhì)條件，將隧洞圍巖分為Ⅳ～Ⅴ類，隧洞襯砌按地質(zhì)圍巖分類分別進(jìn)行設(shè)計：

穩(wěn)定性差或部分不穩(wěn)定（Ⅳ類）：設(shè)計全部襯砌C25鋼筋混凝土，襯砌厚40 cm；

極不穩(wěn)定（Ⅴ類）：設(shè)計全部襯砌C25 鋼筋混凝土，襯砌厚50 cm。

初期支護(hù)設(shè)計：一期支護(hù)措施根據(jù)隧洞開挖后圍巖情況確定，本工程設(shè)計對各類圍巖分部采取初期支護(hù)措施：Ⅳ類或Ⅴ類圍巖洞段采用Φ25 系統(tǒng)錨桿+掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土，局部遇斷層或巖石極破碎段增設(shè)鋼拱架支護(hù)。其Φ25 系統(tǒng)錨桿排距、間距均為1.5 m，單根長度按2.5 m 考慮；錨噴支護(hù)范圍為頂拱和底拱，網(wǎng)噴混凝土厚度為8 cm，掛網(wǎng)筋采用Φ22 鋼筋，網(wǎng)片鋼筋采用Φ12 鋼筋，網(wǎng)格尺寸（長×寬）為200 mm×200 mm；鋼拱架支護(hù)主要針對Ⅴ類圍巖洞段進(jìn)行，鋼拱架采用I18 工字鋼，排距根據(jù)隧洞洞徑大小分別按0.75～1.0 m 計；拱腳部位采用鎖腳錨桿加固。

隧洞結(jié)構(gòu)計算：采用理正巖土隧道襯砌計算軟件，采用襯砌的邊值問題及數(shù)值解法：將襯砌結(jié)構(gòu)的計算轉(zhuǎn)換為非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點，以計算出輸水隧洞襯砌在各主動荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布。以最大裂縫寬度允許值0.30 mm控制，計算成果如表2。

表2 92#輸水隧洞結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

2.5 隧洞回填、固結(jié)灌漿設(shè)計

為保證輸水隧洞和圍巖緊密結(jié)合，避免圍巖過度松馳造成塌方和加強圍巖整體性、均一性，使圍巖充分發(fā)揮疊梁的作用，以加固圍巖的穩(wěn)定，共同承擔(dān)內(nèi)外壓力，還應(yīng)對隧洞進(jìn)行回填、固結(jié)灌漿設(shè)計。回填灌漿應(yīng)在襯砌混凝土強度達(dá)到70%后進(jìn)行，隧洞襯砌澆筑前，預(yù)埋φ50 mm 的PVC 管?？着啪嗳? m。采用手風(fēng)鉆造孔，回填灌漿孔開孔φ42 mm，孔深宜進(jìn)入圍巖體100 mm。灌漿壓力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗確定，初擬定0.1～0.3 MPa，灌漿過程中應(yīng)嚴(yán)格控制灌漿壓力。灌漿材料采用不低于R32.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比遵循先稀后濃、分序加密、從低往高施灌。固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿結(jié)束14 天后進(jìn)行，孔排距取2 m。固結(jié)灌漿孔深取1.2 m，局部地段根據(jù)實際情況要作相應(yīng)調(diào)整。灌漿逐步加密，第2 次序在第1 次序完成48 h 之后進(jìn)行。灌漿壓力根據(jù)圍巖節(jié)理裂隙的發(fā)育程度確定，取0.5～1.5 MPa。灌漿材料選用R32.5 水泥，用素水泥漿，如果第1次序需用水泥砂漿，砂的粒徑不大于1 mm。

2.6 隧洞出口段設(shè)計

92#輸水隧洞出口接電站鋼管及灌溉渠道連接下游河道，為保證隧洞出口水流平順，其出口段的設(shè)計如下：在出口段設(shè)有閘閥控制室，閘后設(shè)有底流消力段，消力段由水平段、斜坡段及水平消力池段組成，池后接灌溉渠道，采用C25 鋼筋混凝土澆筑。設(shè)消力池長10.0 m，池深60 cm。為保證滿足消能要求，需要對消力池消能進(jìn)行復(fù)核計算。

式中 h″c——躍后水深（m）；

b1——消力池首端寬度（m）；

b2——消力池末端寬度（m）；

hc——收縮水深（m）；

a——水流動能校正系數(shù)，采用1.0；

q——收縮斷面處的單寬流量（m3/s）；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；

φ——流速系數(shù)，且φ 采用0.9；

Frc——躍前斷面水流的佛勞德數(shù)，當(dāng)1＜Frc≤1.7 時，為波狀水躍；1.7＜Frc≤2.5 時，為弱水躍；2.5＜Frc≤4.5 時，為顫動水躍；4.5＜Frc≤9 時，為穩(wěn)定水躍；9＜Frc時，為強水躍。

2）消力池深度計算。消力池深度按式（5）、式（6）計算[4]：

其中

式中 d——消力池深度（m）；

σ0——水躍淹沒系數(shù)，取1.1；

△Z——出池落差（m）；

h′s——出池河床水深（m）。

3）消力池長度計算。消力池長度按式（7）、式（8）計算[4]：

式中 Lsj——消力池長度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度（m）；

Β——水躍長度校正系數(shù)，其值選為0.75；

Lj——水躍長度（m）。

經(jīng)計算出口段下游設(shè)消力池深度0.6 m，長度10.0 m，工程可以滿足消能要求。

3 小 結(jié)

根據(jù)輸水隧洞的用途及其特點，為保證輸水隧洞的安全和質(zhì)量，在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)綜合分析地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力和變形情況、斷面形狀和尺寸、施工方案和運行條件、布置需要等確定相鄰隧洞之間巖體的原度。還應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、覆蓋厚度、樞紐總布置、水力學(xué)、施工、運行管理、沿線的建筑物等因素，保證水工隧洞進(jìn)口應(yīng)力、水流的暢通性、出口水流與下游的銜接性，減少沖刷現(xiàn)象的發(fā)生，與四周建筑物的安全距離，才能真正保證水工隧洞結(jié)構(gòu)更加安全、可靠及合理。