長(zhǎng)距離無壓分洪隧洞體型設(shè)計(jì)比選

牛芙蓉，馬 龍，王民俠

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 背景

陜南嘉陵江畔某縣城受地理位置制約,城區(qū)洪災(zāi)頻發(fā),防洪形勢(shì)嚴(yán)峻。防洪區(qū)域內(nèi)河道狹窄,無設(shè)置蓄滯洪區(qū)的條件,也不具備采用明渠分洪的條件。為提高該縣城防洪標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)充分利用嘉陵江右岸在城區(qū)段大轉(zhuǎn)彎的有利地形條件,裁彎取直,依托右岸山體布置分洪隧洞工程,將規(guī)劃流量的洪水自主城區(qū)上游分流至縣城下游河道,減小城區(qū)段過洪流量,減輕縣城防洪壓力。本文以陜南某隧洞分洪工程為背景,針對(duì)長(zhǎng)距離分洪隧洞斷面體型比選展開研究。

2 工程概況

本工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)有東西向的寶成鐵路,分洪洞軸線東北向布置,分洪隧洞軸線與鐵路路基空間上的交叉難以避免。洞線進(jìn)出口直線距離約7.4 km,進(jìn)出口鐵路路基與設(shè)計(jì)洞底板高差分別為14.5 m、15.2 m。考慮隧洞襯砌厚度1.2 m、洞頂距寶成鐵路路基1.5 m的安全距離,分洪洞最大可能洞高不宜超過11.8 m。

本次分洪工程設(shè)計(jì)采用雙隧洞分洪,單洞標(biāo)準(zhǔn)分洪流量572.5 m3/s,兩洞聯(lián)合分洪流量1145 m3/s,與防洪規(guī)劃的分洪流量1140 m3/s基本一致。雙洞軸線間距40 m,洞長(zhǎng)分別為7.49 km、7.41 km,分洪洞進(jìn)水口位置河床平均高程633 m,30年一遇洪水位為 647.26 m,為防止泥沙淤堵,分洪隧洞進(jìn)口底板高程采用635m,出口高程為626.5 m,隧洞縱坡1.16‰。由于洞前水深小于1.2 倍洞徑,不能形成有壓流,分洪隧洞采用低流速無壓明流隧洞型式。根據(jù)單洞規(guī)劃分洪流量572.5 m3/s、最大洞高11.8 m兩個(gè)條件,采用基本一致的隧洞高度設(shè)計(jì)三種斷面型式進(jìn)行比選,具體尺寸為：圓形斷面洞直徑 11.5 m,城門洞型11.62 m×11.62 m（寬×高）,馬蹄形12.3m×11.59 m（寬×高）。分洪隧洞斷面尺寸見圖1。

圖1 隧洞斷面型式（單位：m）

3 隧洞體型比選

從洞身段過流能力、結(jié)構(gòu)受力條件、施工條件、工程投資共4個(gè)方面對(duì)以上三種隧洞體型進(jìn)行比選。

3.1 隧洞水力計(jì)算

對(duì)于進(jìn)口為無壓流的分洪隧洞,先根據(jù)洞長(zhǎng)是否影響隧洞泄流能力,判別屬于長(zhǎng)洞或者短洞[1]。

（1）臨界水深計(jì)算

臨界水深hk滿足下述方程：

式中：Ak為臨界水深時(shí)的過水面積m2；Bk為對(duì)應(yīng)hk的水面寬度,m；為動(dòng)能修正系數(shù),近似取為1；Q、g分別為流量、重力加速度。

對(duì)于該分洪隧洞,擬定Bk為11.6 m,計(jì)算可得臨界水深hk=6.29 m。

（2）臨界底坡計(jì)算

臨界底坡 ik在水深為hk時(shí)滿足下式：

式中：Ck、Rk分別為臨界水深時(shí)的謝才系數(shù)、水力半徑。

由上式可得ik=Q2/（Ak2Ck2Rk）,將計(jì)算所得hk=6.29 m對(duì)應(yīng)的Ck、Rk代入,Q=572.5 m3/s時(shí),臨界比降ik=0.0036。分洪隧洞軸線長(zhǎng)約7.4km,隧洞進(jìn)出口高程差8.5 m,隧洞底坡i=0.00116。i＜ik,為緩坡隧洞,洞長(zhǎng)影響隧洞泄流能力。

當(dāng)?shù)灼聻榫徠露呌谄狡?長(zhǎng)短洞的界限長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：H為上游水深,H=14.26 m。

經(jīng)計(jì)算,71.3 m≤Lk≤171.12 m,遠(yuǎn)小于隧洞長(zhǎng)度7.4 km,據(jù)此可判定分洪隧洞屬長(zhǎng)隧洞, 根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）第6.1.3條規(guī)定,無壓隧洞洞身的過流能力,長(zhǎng)洞應(yīng)按均勻流計(jì)算。

（3）過流能力計(jì)算

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）第5.3.4條規(guī)定,“恒定流情況下,當(dāng)通氣條件良好時(shí),洞內(nèi)水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%,高度不應(yīng)小于0.4 m[2]。”分洪隧洞為長(zhǎng)洞,按均勻流計(jì)算,即：

式中：Q為設(shè)計(jì)流量,m3/s；A為洞身過水?dāng)嗝婷娣e,m2；R為洞身過水?dāng)嗝嫠Π霃?m；R=A/χ,χ為過水?dāng)嗝鏉裰?m；i為洞身縱坡,0.00116；C為謝才系數(shù),m1/2/s,C=（1/n）R1/6；n為洞身糙率,n=0.014。

由表1可知,限定洞高條件下擬定的圓形斷面無法滿足分洪流量要求,城門洞型斷面及馬蹄形斷面均可滿足基本的水力條件及凈空比要求。以下將對(duì)城門洞型斷面、馬蹄形斷面從其他三個(gè)方面進(jìn)行比選。

表1 分洪隧洞不同斷面型式水力參數(shù)比較表

3.2 洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求,分洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一次噴錨支護(hù)與二期鋼筋砼襯砌的聯(lián)合襯砌方式,鋼筋砼襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用限制裂縫開展寬度設(shè)計(jì)。

（1）洞身一次支護(hù)設(shè)計(jì)

分洪隧洞洞身總長(zhǎng)14804 m,其中Ⅱ類圍巖長(zhǎng)度為1320 m,占整個(gè)洞室的8.9%；Ⅲ類圍巖長(zhǎng)度為10206 m,占整個(gè)洞室的68.9%；Ⅳ類圍巖長(zhǎng)度為1228 m,占整個(gè)洞室的8.3%；Ⅴ類圍巖長(zhǎng)度為2050 m,占整個(gè)洞室的13.8%。根據(jù)馬蹄形及城門洞型成洞洞徑,預(yù)計(jì)隧洞洞室開挖跨度B不大于15 m。

按照《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（SL 377-2007）相關(guān)要求,在隧洞洞室開挖跨度10 m＜B≤15 m的情況下,馬蹄形及城門洞型兩種型式隧洞體型,其一次支護(hù)措施相同。隧洞不同圍巖類別噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 隧洞噴錨支護(hù)主要參數(shù)表

（2）洞身襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）推薦的計(jì)算方法,采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行洞身襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算,選擇C30W4F50鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌。計(jì)算程序采用“水工隧洞鋼筋砼襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) SDCAD 4.0”水利版中邊值法計(jì)算。

由表3計(jì)算成果可以看出,在圍巖類別、圍巖彈性抗力系數(shù)相同的情況下,馬蹄形斷面比城門洞型斷面襯砌厚度更薄,鋼筋用量少。

3.3 施工條件分析

分洪隧洞以Ⅲ類圍巖為主,巖性主要為千枚巖、灰?guī)r和砂質(zhì)板巖,隧洞埋深最大890 m。本工程進(jìn)出口緊鄰嘉陵江,且沿右側(cè)岸邊有已成寶成鐵路,TBM組裝布置困難,采用TBM施工受到限制,因此本次分洪隧洞主體擬采用鉆爆法施工。從施工條件來看,施工鉆爆開挖難易程度依次是圓形、馬蹄形、城門洞型。城門洞型施工開挖便捷,模板臺(tái)車制作容易,施工進(jìn)度較快,而馬蹄形斷面與城門洞型斷面相比,其斷面襯砌適應(yīng)不同圍巖壓力分布的能力強(qiáng),受力條件好,對(duì)圍巖穩(wěn)定性有利[3]。馬蹄形斷面的圓弧形仰拱較復(fù)雜,對(duì)施工運(yùn)輸有一定影響,但本工程隧洞分洪斷面尺寸較大,仰拱對(duì)施工的影響微弱。綜上,從施工角度分析,與城門洞型相比,馬蹄形斷面仍然具備優(yōu)勢(shì)。

3.4 工程投資比較

在相同的工程布置及工程地質(zhì)條件下,兩種斷面所對(duì)應(yīng)的工程投資見表4。馬蹄形斷面比城門洞型斷面節(jié)省投資約6.17億元,節(jié)省投資達(dá)35.2%。從控制投資的角度來看,馬蹄形斷面是經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

3.5 綜合比較

分洪洞斷面型式綜合比選表見表5。

4 隧洞體型比較結(jié)論

以上從水力條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工條件、工程投資四個(gè)角度對(duì)設(shè)計(jì)擬定的三種分洪隧洞斷面形式進(jìn)行分析比較,結(jié)果表明：（1）限定洞高條件下圓形斷面無法滿足泄量要求,而城門洞型斷面與馬蹄形斷面均能滿足設(shè)計(jì)需求；（2）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來說,城門洞型斷面與馬蹄形斷面在一次支護(hù)措施上基本相同,但兩者結(jié)構(gòu)襯砌計(jì)算結(jié)果存在差異,同等條件下馬蹄形斷面襯砌厚度更薄,鋼筋用量更少；（3）從施工條件角度來看,馬蹄形斷面對(duì)圍巖壓力適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)整體受力更好,有利于圍巖穩(wěn)定性,且本工程施工斷面較大,仰拱施工的不利因素對(duì)工程影響微弱；（4）從工程投資的角度來說,與城門洞型斷面相比,馬蹄形斷面更為經(jīng)濟(jì)合理。綜上,本分洪工程推薦采用馬蹄形斷面作為設(shè)計(jì)斷面。

5 結(jié)語

（1）隧洞型式在實(shí)現(xiàn)分洪任務(wù)的前提下,具有占地少、工程投資較小的優(yōu)點(diǎn),對(duì)長(zhǎng)距離分洪隧洞來說,斷面型式的合理擬定具有非常重要的意義,本工程通過比選采用馬蹄形斷面,相比城門洞型節(jié)省投資6.17億元,約占工程投資的35.2%。

（2）馬蹄型斷面利用率高,對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況下圍巖壓力適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)受力更均勻,有利于施工期圍巖穩(wěn)定,因此結(jié)構(gòu)計(jì)算中馬蹄型斷面襯砌厚度更薄,鋼筋用量更少。后期設(shè)計(jì)中應(yīng)針對(duì)本工程中占比最大的Ⅲ類圍巖深入研究,優(yōu)化隧洞斷面支護(hù)型式、襯砌厚度、配筋型式。

（3）馬蹄型斷面對(duì)施工控制要求高,如控制不利可能開挖成城門洞型,在鉆爆法進(jìn)行洞室開挖過程應(yīng)加強(qiáng)施工技術(shù)水平,在保證工程安全的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)省投資的目的。

（4）本次分洪隧洞工程斷面比選設(shè)計(jì)從水力計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工條件、工程投資四個(gè)方面進(jìn)行綜合分析,在滿足主體設(shè)計(jì)功能的前提下,推薦隧洞斷面型式選取馬蹄形。在后期設(shè)計(jì)中,可采用有限元設(shè)計(jì)軟件對(duì)隧洞斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,確定受力薄弱點(diǎn)、應(yīng)力集中點(diǎn),并采取相應(yīng)工程措施。