柏叶口水库龙门供水工程输水隧洞设计

2011-05-23

山西建筑 2011年29期

1 工程概况

柏叶口水库龙门供水工程是柏叶口水库向交城县供水的配套工程，以城市生活和工业供水为主，兼顾农业灌溉。工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等，取水规模为1 800万m3/年，其中:工业及城市生活用水1 100万m3/年，农业灌溉700万m3/年;设计供水流量为 1．3 m3/s。

输水隧洞桩号3+642．00 ～13+035．00，总长度9．393 km。

2 地质情况

桩号3+642～4+324地段，隧洞穿过的地层岩性为二迭系上统石千峰组(Psh2)上部紫红色泥岩与薄层砂岩互层，泥岩所占比例较大;桩号4+324～5+450．5地段，洞线穿过TL11砂岩夹薄层泥岩，其中砂岩为中硬岩，泥岩为软岩，中厚层中硬岩夹薄层～极薄层软岩;桩号5+450．5～7+268地段，洞线穿过的地层岩性主要为TL21砂岩夹薄层泥岩，为中厚层中硬岩与软岩互层，弱风化～微风化;桩号7+268～8+030地段，洞线穿过TL11砂岩夹薄层泥岩，为中厚层～厚层状砂岩夹薄层～极薄泥岩;桩号8+030～8+175地段，洞线从黄泥沟右岸一凸出山梁北侧边，穿过黄泥沟，至黄泥沟左岸。隧洞穿过的地层岩性为TL11中厚层～厚层状砂岩夹薄层～极薄泥岩;桩号8+175～12+375地段，洞线穿过TL11中厚层～厚层状砂岩夹薄层泥岩，岩体节理裂隙发育程度为发育～较发育，砂岩为中硬岩，泥岩为软岩;桩号12+375～13+035地段，洞身穿过的地层岩性为Psh2中厚层紫红色泥岩夹浅绿色砂岩。

表1 输水隧洞围岩分布情况表

输水隧洞围岩分布情况见表1。

3 洞线选择

输水隧洞段，即西冶川河东岸—石树沟西侧，考虑地域界线及方便施工，洞线线路布置方案主要有:1)直线布置方案;2)折线布置方案。洞口(包括支洞口)涉及到的沟道有西冶川沟、加子沟、黄泥沟、的只沟、虎喊沟、石树沟等。

隧洞线路直线布置方案，桩号为B3+642．00～B12+718．70，从西冶川河右岸入洞后，至加子沟后折向北至石树沟。线路上布置有B-1号隧洞、B-2号隧洞、B-1号埋涵等永久工程及B-1号支洞、B-2号支洞和B-3号支洞等临时工程。方案线路比较平顺，但隧洞埋深较大，施工支洞较长，施工不便，费用较高，因此将该方案作为比较方案。隧洞线路折线布置方案，桩号为3+642．00～13+035．00，西冶川河右岸入洞后，至加子沟后折向南至黄泥沟，再折向北至石树沟。线路上布置有T-1号隧洞等永久工程及T-1号支洞和T-2号支洞临时工程。该方案线路折点较多，不顺直，但隧洞埋深相对较浅，施工支洞两条，施工相对方便，且包括支洞在内的线路长度较短，因此采用该方案。

4 洞型设计

隧洞的横断面形状应根据隧洞的用途、水力学、工程地质与水文地质、衬砌工作条件、施工方法等因素，通过技术分析确定。根据工程情况，输水工程按重力流设计，输水隧洞为无压隧洞，横断面形状采用城门洞形，设计纵坡1/1 500，设计流量为1．3 m3/s。

根据总体方案，为确保明流无压隧洞在不同流量下均能安全、稳定地运行，在确定隧洞的断面形状、底坡后，可用明渠均匀流理论试算确定隧洞水位、水深、流速、净空等水利要素，进而验证工程布置、断面形式、尺寸及隧洞纵坡的合理性。

无压隧洞过流能力计算按明渠均匀流公式计算。输水隧洞水深 0．655 m，流速 0．99 m/s。隧洞底宽 2．0 m，直墙高 2．0 m，顶拱半径 1．25 m，矢高0．50 m，圆心角106°。

5 衬砌设计

隧洞的衬砌结构应能保持围岩稳定、满足运行所需要的水力学条件、满足防渗要求、防止水流冲刷以及温度、湿度、大气等因素对围岩的破坏作用。

隧洞衬砌形式应综合考虑断面形状和尺寸、运行条件及内水压力、围岩条件、防渗要求、支护效果、施工方法等因素，通过技术经济比较确定。目前常用的隧洞衬砌形式有摆阔锚喷衬砌、混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌和预应力混凝土衬砌。

衬砌厚度参考草峪岭隧洞等工程，初步定为0．35 m钢筋混凝土结构，喷100 mm厚C25混凝土，则开挖宽度为2．9 m，开挖高度3．3 m。半宽为1．175 m，直墙段高度为2．231 m，半角为56°，半径为1．425 m。施工期间回填灌浆压力采用0．35 MPa。隧洞外水压力Ⅲ类最大为HⅢ=118．62 m，Ⅳ类为HⅣ=81．34 m，Ⅴ类为HⅤ=36．05 m。根据SL 279-2002水工隧洞设计规范适当进行折减。

采用《程序集》计算，通过分析最不利组合及最危险断面，分别对其配筋和限裂进行了计算分析。考虑Ⅲ，Ⅳ类围岩岩石坚固系数较高，采用考虑岩石弹性抗力的情况，Ⅴ类采用不考虑岩石弹性抗力的情况。具体荷载组合见表2。

表2 隧洞计算分析荷载组合

衬砌计算成果见表3。

6 支护方案设计

输水隧洞围岩类别包括Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类，长度分别为6 088．5 m，1 701．6 m和1 604．9 m。根据地质评价及衬砌内力计算结果，Ⅲ类围岩隧洞段，一次支护采用φ22随机锚杆，结合挂Φ10钢筋网喷C25混凝土100 mm厚，二次衬砌底板、侧墙及顶拱均采用C25钢筋混凝土，厚350 mm。Ⅳ，Ⅴ类围岩隧洞段，一次支护采用φ22系统锚杆，局部采用Ⅰ12．6工字钢支撑，结合挂Φ10钢筋网喷C25混凝土100 mm厚，二次衬砌底板、侧墙及顶拱均采用C25钢筋混凝土，厚350 mm。