长距离无压分洪隧洞体型设计比选.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：1 6 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 1 35-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023长距离无压分洪隧洞体型设计比选牛芙蓉，马龙，王民侠（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安7 1 0 0 0 1）【摘要长距离分洪隧洞工程体型比选非常重要，经济合理的断面型式在满足主体设计需求的前提下可节省工程投资，提升综合效益。陕南某隧洞分洪工程体型设计初步拟定圆形、城门洞型、马蹄形三种断面型式，从水力计算、结构设计、施工条件、工程投资四个角度进行比选，结果表明：马蹄形断面可满足分洪规划要求，其断面衬砌厚度及相应配筋规格更小，施工条件无明显不利因素，工程投资更为经济。最后提出分洪隧洞设计中的一些思考与不足，以供水利设计与施工人员参考。【关键词分洪隧洞；设计比选；马蹄形断面中图分类号TV672+.1【文献标识码B直径1 1.5m，城门洞型1 1.6 2 m11.62m（宽高），马蹄形1背景12.3m11.59m（宽高）。分洪隧洞断面尺寸见图1。陕南嘉陵江畔某县城受地理位置制约，城区洪灾频发，防洪形势严峻。防洪区域内河道狭窄，无设置蓄滞洪区的条件，也不具备采用明渠分洪的条件。为提高该县城防洪标准，设计充分利用嘉陵江右岸在城区段大转弯的有利地形条件，裁弯取直，依托右岸山体布置分洪隧洞工程，将规划流量的洪水自主城区上游分流至县城下游河道，减小城区段过洪流量，减轻县城防洪压力。本文以陕南某隧洞分洪工程为背景，针对长距离分洪隧洞断面体型比选展开研究。2工程概况本工程场区内有东西向的宝成铁路，分洪洞轴线东北向布置，分洪隧洞轴线与铁路路基空间上的交叉难以避免。洞线进出口直线距离约7.4km，进出口铁路路基与设计洞底板高差分别为1 4.5m、1 5.2 m。考虑隧洞衬砌厚度1.2 m、洞顶距宝成铁路路基1.5m的安全距离，分洪洞最大可能洞高不宜超过 1 1.8 m。本次分洪工程设计采用双隧洞分洪，单洞标准分洪流量572.5m/s两洞联合分洪流量1 1 45m/s，与防洪规划的分洪流量1 1 40 m/s基本一致。双洞轴线间距40 m，洞长分别为7.49km、7.41 k m，分洪洞进水口位置河床平均高程6 33m，30年一遇洪水位为6 47.2 6 m，为防止泥沙淤堵，分洪隧洞进口底板高程采用6 35m，出口高程为6 2 6.5m，隧洞纵坡1.1 6%o由于洞前水深小于1.2 倍洞径，不能形成有压流，分洪隧洞采用低流速无压明流隧洞型式。根据单洞规划分洪流量572.5m/s、最大洞高1 1.8 m两个条件，采用基本一致的隧洞高度设计三种断面型式进行比选，具体尺寸为：圆形断面洞3.44R5.715R6.63123%-11.5011.304（a）圆形断面型式（b）城门洞型断面型式（c）马蹄形断面型式图1 隧洞断面型式（单位：m）3隧洞体型比选从洞身段过流能力、结构受力条件、施工条件、工程投资共4个方面对以上三种隧洞体型进行比选。3.1隧洞水力计算对于进口为无压流的分洪隧洞，先根据洞长是否影响隧洞泄流能力，判别属于长洞或者短洞。(1)临界水深计算临界水深满足下述方程：A_QBkg式中：Ak为临界水深时的过水面积m；Bk 为对应hk的水面宽度,m；为动能修正系数，近似取为1；Q、g 分别为流量、重力加速度。对于该分洪隧洞，拟定Bk为1 1.6 m，计算可得临界水深hk=6.29 m。(2)临界底坡计算临界底坡讠在水深为hk时满足下式：R6.15,11.6212.308.18R18.4514,36R18.4535.170(1)11.59收稿日期2 0 2 3-0 4-0 3【作者简介牛芙蓉（1 991-），女，陕西扶风人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。135第9 期2023年9 月式中：Ck、R 分别为临界水深时的谢才系数、水力半径。由上式可得i=Q/（A C2 R k），将计算所得h=6.29m对应的Ck、R 代入，Q=572.5m/s时，临界比降i=0.0036。分洪隧洞轴线长约7.4km，隧洞进出口高程差8.5m，隧洞底坡=0.00116。i i，为缓坡隧洞，洞长影响隧洞泄流能力。当底坡为缓坡而趋于平坡，长短洞的界限长度按下式计算：L=(512)H式中：H为上游水深,H=14.26m。经计算,7 1.3mL171.12m,远小于隧洞长度7.4km,据此可判定分洪隧洞属长隧洞，根据水工隧洞设计规范（S L2 7 9-2 0 1 6）第6.1.3条规定，无压隧洞洞身的过流能力，长洞应按均匀流计算。（3）过流能力计算根据水工隧洞设计规范（SL279-2016）第5.3.4条规定，“恒定流情况下，当通气条件良好时，洞内水面线以上空间不宜小于隧洞断面面积的1 5%，高度不应小于0.4m。”分洪隧洞为长洞，按均匀流计算，即：Q=AC/Ri式中：Q为设计流量,m/s；A 为洞身过水断面面积,m；R 为洞身过水断面水力半径,m；R=A/X,X 为过水断面湿周,m；i为洞身纵坡,0.0 0 1 6;C为谢才系数,m/s,C=（1/n)R%；n为洞身糙率,n=0.014。表1 分洪隧洞不同断面型式水力参数比较表编号项目1成洞洞径/m2设计水深/m3过流面积/m4湿周X/m5水力半径/m6谢才系数/C7流速/(m/s)净空面积/m8910双洞分洪流量m/s）由表1 可知，限定洞高条件下拟定的圆形断面无法满足分洪流量要求，城门洞型断面及马蹄形断面均可满足基本的水力条件及净空比要求。以下将对城门洞型断面、马蹄形断面从其他三个方面进行比选。3.2洞身结构设计根据现行规范要求，分洪洞结构设计采用一次喷锚支护与二期钢筋砼衬砌的联合衬砌方式，钢筋砼衬砌结构设计采用限制裂缝开展宽度设计。（1）洞身一次支护设计分洪隧洞洞身总长1 48 0 4m,其中类围岩长度为1 32 0 m，占整个洞室的8.9%；类围岩长度为1 0 2 0 6 m，占整个洞室的6 8.9%；IV类围岩长度为1 2 2 8 m，占整个洞室的8.3%；V:136陕西水利Shaanxi WaterResources1Ck=1/n R,6Q=AkCiRik马蹄形城门洞形12.30 11.5911.62 11.62(宽高）(宽高）8.7878.842100.03102.5827.6629.543.6173.47288.5087.905.725.5720.3523.95净空比1%16.911145No.9September,2023类围岩长度为2 0 50 m，占整个洞室的1 3.8%。根据马蹄形及(2)城门洞型成洞洞径，预计隧洞洞室开挖跨度B不大于1 5m。(3)按照水利水电工程锚喷支护技术规范（SL377-2007）相关要求，在隧洞洞室开挖跨度1 0 mB15m的情况下，马蹄形及城门洞型两种型式隧洞体型，其一次支护措施相同。隧洞不同围岩类别喷锚支护设计参数见表2。表2 隧洞喷锚支护主要参数表喷C25围岩挂钢筋网混凝土类别Icm(4)布置在顶拱及直墙段，间无8钢筋网I200200(mm)8钢筋网IV20020020排距 1.51.5（m），梅花(mm)型布置，深人围岩4m。8钢筋网布置在顶拱及直墙段，间V20020020排距 1.51.5（m），梅花(mm)型布置，深入围岩5m。(5)(2洞身衬砌结构计算根据水工隧洞设计规范（SL279-2016）推荐的计算方法，采用结构力学方法进行洞身衬砌结构计算，选择C30W4F50钢筋混凝土进行衬砌。计算程序采用“水工隧洞钢筋砼衬砌计算机辅助设计系统SDCAD4.0”水利版中边值法计算。表3不同洞型衬砌厚度及配筋计算成果比选表圆形11.50（直径）8.90386.2925.313.40987.635.5017.5716.9316.921145950(1140)钢拱架、超前锚杆布置注浆导管8排距 2.0 2.0（m），梅花型布置，深人围岩2 m。随机锚杆，按50%考虑，布置在顶拱及直墙段，间10排距 1.51.5（m）,深人围岩3m。布置在顶拱及直墙段，间断面围岩围岩弹抗系数计算衬砌型式类别/(MN/m)6000II35004000马蹄形IVV35004000城门洞VV由表3计算成果可以看出，在围岩类别、围岩弹性抗力系数相同的情况下，马蹄形断面比城门洞型断面衬砌厚度更薄，钢筋用量少。3.3施工条件分析分洪隧洞以类围岩为主，岩性主要为千枚岩、灰岩和砂质板岩，隧洞埋深最大8 90 m。本工程进出口紧邻嘉陵江，且沿右侧岸边有已成宝成铁路,TBM组装布置困难，采用TBM施工受到限制，因此本次分洪隧洞主体拟采用钻爆法施工。从施工条件来看，施工钻爆开挖难易程度依次是圆形、马蹄形、城门洞型。城门洞型施工开挖便捷，模板台车制作容易，施工进度较快，而马蹄形断面与城门洞型断面相比，其断面衬砌适应不同围岩压力分布的能力强，受力条件好，对120b钢拱架，间距0.8 m;50 mm超前注浆导管。最大配筋含筋率/厚度/m(kg/m)0.62520099.900.628200102.2115000.71001.260000.60.715000.91001.32520099.172820084.7528200103.372520098.532820097.262820081.63第9 期2023年9 月围岩稳定性有利 3。马蹄形断面的圆弧形仰拱较复杂，对施工运输有一定影响，但本工程隧洞分洪断面尺寸较大，仰拱对施工的影响微弱。综上，从施工角度分析，与城门洞型相比，马蹄形断面仍然具备优势。3.4工程投资比较在相同的工程布置及工程地质条件下，两种断面所对应的工程投资见表4。马蹄形断面比城门洞型断面节省投资约6.17亿元，节省投资达35.2%。从控制投资的角度来看，马蹄形断面是经济合理的选择。表4隧洞体型工程部分投资比较表项目费用马蹄形建筑工程154722.50机电设备及安装工程1073.92金属设备及安装工程1490.52施工临时工程18094.85工程部分总投资175391.79工程部分总投资差值3.5综合比较分洪洞断面型式综合比选表见表5。表5分洪洞断面型式综合比选表编号项目1断面型式2设计水深h/m3流速VI(m/s)4过流面积A/m5净空比1%双洞分洪流量6Q/(m/s)7过流能力8结构受力条件施工开挖较困难，模施工条件好，开挖板台车制作较复杂，便捷，模板台车制9施工条件10工程部分投资11比选结果4隧洞体型比较结论以上从水力条件、结构设计、施工条件、工程投资四个陕西水利Shaanxi WaterResources角度对设计拟定的三种分洪隧洞断面形式进行分析比较，结果表明：（1）限定洞高条件下圆形断面无法满足泄量要求，而城门洞型断面与马蹄形断面均能满足设计需求；（2）从结构设计角度来说，城门洞型断面与马蹄形断面在一次支护措施上基本相同，但两者结构衬砌计算结果存在差异，同等条件下马蹄形断面衬砌厚度更薄，钢筋用量更少；（3）从施工条件角度来看，马蹄形断面对围岩压力适应性强，结构整体受力更好，有利于围岩稳定性，且本工程施工断面较大，仰拱施工的不利因素对工程影响微弱；（4）从工程投资的角度来单位：万元说，与城门洞型断面相比，马蹄形断面更为经济合理。综上，本分洪工程推荐采用马蹄形断面作为设计断面。城门洞型215814.701105.711521.9218635.27237077.60+61695.81马蹄形城门洞形35.17122.3R182562412.308.7875.72100.0316.911145较强受力条件较优弧形仰拱影响运输，由于本工程断面较大，作容易，运输方便，施工进度快。施工进度影响较小。17.54亿元推荐洞型No.9September,20235结语（1）隧洞型式在实现分洪任务的前提下，具有占地少、工程投资较小的优点，对长距离分洪隧洞来说，断面型式的合理拟定具有非常重要的意义，本工程通过比选采用马蹄形断面，相比城门洞型节省投资6.1 7 亿元，约占工程投资的35.2%。（2）马蹄型断面利用率高，对复杂地质情况下围岩压力适应性强，结构受力更均匀，有利于施工期围岩稳定，因此结构计算中马蹄型断面衬砌厚度更薄，钢筋用量更少。后期设计中应针对本工程中占比最大的类围岩深入研究，优化隧洞断面支护型式、衬砌厚度、配筋型式。（3）马蹄型断面对施工控制要求高，如控制不利可能开挖成城门洞型，在钻爆法进行洞室开挖过程应加强施工技术8.842水平，在保证工程安全的前提下实现节省投资的目的。5.57（4）本次分洪隧洞工程断面比选设计从水力计算、结构102.58计算、施工条件、工程投资四个方面进行综合分析，在满足16.93主体设计功能的前提下，推荐隧洞断面型式选取马蹄形。在1145后期设计中，可采用有限元设计软件对隧洞断面进行结构分较弱析，确定受力薄弱点、应力集中点，并采取相应工程措施。受力条件较差1李炜.水力计算手册（第二版）【M.北京：中国水利水电出版社,2 0 0 6.2SL279-2016,水工隧洞设计规范 S.北京：中国水利水电出版23.71亿元社,2 0 1 6.比较洞型3赵鹏博.某引水工程中长输水隧洞断面初选设计分析 J.地下水,2 0 2 0(0 1):2 1 5-2 59.4钟德恩.紧水滩引调水工程隧洞断面型式设计比选 J.陕西水利,2 0 1 9(1 2):1 39-1 43.参考文献（上接第1 34页）3苏畅，谢宝丰，张凯，等.西霞院反调节水库复合土工膜耐久性及其防渗安全分析 J.人民黄河，2 0 2 1,43（1 2）：1 31-1 34+1 38.4王术学，张建祥，刘辉.岩溶地区水库库盆防渗复合土工膜应力应变影响因素数值分析 J.甘肃水利水电技术，2 0 2 1,57(09):42-48.5万侃强.复合土工膜在水库防渗加固工程中的施工技术分析 J.甘肃科技纵横，2 0 2 1,50（0 9）：49-51.6杨洋，刘辉，李玉桥.库水位和地下水位作用下岩溶地区水库防渗复合土工膜的应力变形分析 J.人民珠江，2 0 2 1,42（0 8)：6 2-6 8.137