观音阁水库输水隧洞工程设计与细节施工分析

张 铁

(辽宁省汤河水库管理局，辽宁 辽阳 111000)

科学研究及工程设计

观音阁水库输水隧洞工程设计与细节施工分析

张 铁

(辽宁省汤河水库管理局，辽宁 辽阳 111000)

水库输水隧洞主要承担工程导流、水流消能等任务，是水库工程中的重要组成部分。本文以辽宁观音阁水库工程为实例，结合具体工程地质条件，介绍了输水隧洞的断面设计、衬砌支护设计参数以及施工方案，并对工程中细节施工问题作了列举分析，以期为以后该类工程建设提供一些可参考经验。

输水工程；隧洞；设计；细节施工

1 工程概况

辽宁省观音阁水库输水工程位于本溪市辖区的太子河干流上，该项工程的主要任务是将已建的观音阁水库库水经过输水隧洞及管线自流输入到本溪市区，工程规模属大型Ⅱ等。该工程取水头部起点位于观音阁水库坝址上游左岸，终点位于本溪市北台镇桥头村，全长约60km，设计规模为125万m3/d。管道大部分沿河敷设，其中隧洞长度约为39km。

2 观音阁水库隧洞工程地质条件及地质问题

2.1 地质条件

观音阁水库隧洞沿线穿越辽东典型低山区，埋深在100m以上的长度占到洞室总长度的90%。洞室穿越的地层区断裂构造较发育。经地质勘查，隧洞沿线规模较大的断层有12条，其破碎带较宽，对洞室围岩稳定有较大影响。洞线区地下水的赋存类型主要为松散岩类孔隙水、碳酸岩类裂隙溶洞水、基岩裂隙水与层状岩体层间裂隙水四类。

2.2 主要地质问题

a.隧洞段穿越的页岩与泥灰岩层抗压强度较高，但层间结合能力相当差，隧洞开挖方向与其走向及倾角直接关系到围岩的稳定问题，易引起岩层沿层面滑塌或断裂，涉及范围较大。

b.隧洞所穿越的石英砂岩段所夹的页岩或泥岩，在强度上的较大差异表现为软弱夹层，在垂向节理切割下，易掉块或坍塌，也易引起层间岩石的滑移，涉及范围较大。

c.穿越寒武系可溶岩区，岩溶发育为浅部岩溶，为现地下水的集中径流通道，隧洞在其下方通过，在F95断层破碎带及其附近可能会出现突水现象。

3 隧洞断面及衬砌设计

观音阁水库隧洞段具体可分为五部分：电站前压力隧洞、城门形无压输水主隧洞、北台分洞、大峪圆形压力隧洞和新岭城门形无压隧洞。

3.1 断面尺寸设计

无压隧洞成洞洞径主要根据无压输水的最大流量、糙率系数、底坡、净空等要求确定。根据隧洞水力计算结果可得到主隧洞段及北台分洞段断面尺寸，具体情况见表1。

表1 主要隧洞断面尺寸

大峪有压隧洞断面设计主要考虑下游水位的要求，最终确定采用直径为3.0m的圆形隧洞[1]。

3.2 支护衬砌设计

隧洞支护结构采用一次锚喷支护和二次混凝土薄边墙结合的组合式衬砌形式。一次锚喷支护同时也作为永久支护。根据地质情况不同，在洞周一定范围内打系统锚杆并挂网，喷混凝土，使洞体围岩成为一个承载结构，充分发挥围岩的承载作用。待一次支护后，Ⅱ、Ⅲ类围岩再设200mm厚薄边墙，边墙和原支护结构及山体以锚筋相连，Ⅳ、Ⅴ围岩及各段隧洞进口段20m内需进行钢筋混凝土衬砌[2]。

根据《水工隧洞设计规范》《锚杆喷射混凝土支护技术规范》及工程类比，确定该工程无压洞和压力洞分别采用表2和表3中的支护参数[3]。

表2 无压洞一次支护参数

表3 压力洞混凝土衬砌段支护参数

4 隧洞过流能力计算

观音阁水库工程的主隧洞、北台分洞、新岭隧洞为城门形无压长隧洞；大峪分洞为圆形有压洞。根据已经确定的输水规模，主隧洞的设计输水流量为Q=13.08m3/s；大峪分洞为Q=11.38m3/s；北台分洞为Q=2.89m3/s；新岭隧洞为Q=2.31m3/s；事故溢流设计流量为Q=7.75m3/s。根据《水工隧洞设计规范》，无压隧洞的过流能力按明渠均匀流理论进行计算，计算公式如下：

其中

式中Q——设计流量，m3/s；

ω——过流断面面积，m2；

C——谢才系数；

R——水力半径，m；

i——隧洞纵坡；

x——湿周，m；

n——糙率系数，侧墙0.014，底板0.015。

经计算的隧洞断面过流能力结果列于表4。

表4 隧洞断面过流能力计算结果

由表4可以看出，为保证无压输水，洞内净空满足相关规范要求的15%和净空高度不小于40cm的要求。新岭隧洞断面富余较大，不过洞径过小会增大施工难度，延长工期，增加投资，故采用2.4m×2.8m的洞径[4]。

由于洞内水流一般在隧洞进出口、连接段、洞内转弯段、主分洞及主支洞交叉段等部位会出现非均匀流态，致使洞内水位壅高或降低。但长隧洞的大部分洞段仍为均匀水流，水深为正常水深。采用分段能量求和法，由控制断面自下而上推算水面曲线。

计算表明：由局部水头损失产生的水面壅高一般在2～5cm之间。

5 输水洞工程的细节施工

5.1 隧洞进出口洞脸处理

在洞口施工中，必须及时做好洞口边坡处理，采取工程措施，实现“早进洞，晚出洞”，达到减少洞口开挖量、缩短工期、减小环境破坏的目的。洞脸岩石开挖边坡1∶0.5，土方开挖边坡1∶1.5。开挖坡面采用锚喷及挂网支护，喷混凝土厚100mm，锚杆采用φ22，长2m，间距1.5m，梅花形布置， 钢筋网φ8@150×150mm。洞脸坡顶设排水沟。各洞口段均设20m长锁口段，锁口段采用锚喷支护加400mm钢筋混凝土全衬[5]。

5.2 分缝

隧洞钢筋混凝土衬砌段和薄边墙衬砌段，每10m设一道永久环向伸缩缝，缝内采用闭孔泡沫板填塞，并采用双组分聚硫密封胶抹缝，设橡胶止水。

5.3 溶洞处理

主洞经过的灰岩地区，经地质勘探，发现局部有岩溶现象。应在施工中采用TSP、BEAM等超前地质预报措施，探测具体的溶洞状况，根据溶洞的位置、分布、大小，溶洞的充填状况，围岩的稳定状况及水量大小，按下列原则进行处理：

a.对空穴水的处理应因地制宜，采用截、堵、排的治理措施。

b.干、小的空穴，可采用堵塞封闭；有水、大的空穴，不宜堵塞封闭时，可根据具体情况，以梁、拱跨越。

c.当空穴岩壁强度不够或不稳定，可能影响隧道结构安全时，应采取支顶、锚固等措施。

在浅埋、软弱破碎地层中，可采用超前锚杆、超前小导管注浆、管棚等超前支护措施加固地层。

6 结 语

本文在充分了解了水库实际地质、水文条件后，最终确定了观音阁输水工程的隧洞断面设计与支护衬砌方法，对有压、无压隧洞分别提供了详细的设计参数。根据这些设计参数，最终顺利地完成了输水洞工程，各项指标均满足相关标准。在输水洞工程建设中，一定要严格遵守三个原则：ⓐ工程设计和施工要“因地制宜”；ⓑ严格按照施工步骤进行施工；ⓒ注重工程细节的施工质量。

[1] 零克恩.浅谈小型水库除险加固输水隧洞设计与施工[J].企业科技与发展,2014(11):134-136.

[2] 田建明,高双聚.南水北调西线工程输水隧洞设计和施工应注意的问题[J].河南水利与南水北调,2009(9):13,19.

[3] 赵君.输水隧洞工程的设计与施工探讨[J].陕西水利,2010(2):95-96.

[4] 魏永庆,杜士斌.大断面超长输水隧洞的施工特点[J].水利水电技术,2006(3):8-11.

[5] 王毅翔.软岩及多水地质条件下长隧洞施工及断面优化设计的研究[J].宁夏工程技术,2013(4):367-372.

简 讯

大渡河大岗山水电站两台机组投产 装机容量130万千瓦

记者9月15日从国电大渡河公司获悉，国电大渡河大岗山水电站3号、4号机组已完成试运行，顺利投产。首批投运的两台机组共计装机容量130万千瓦，运行状态稳定。

大岗山水电站是大渡河流域单机容量最大的水电站，位于雅安市石棉县境内，总装机容量260万千瓦，2005年9月动工筹建，预计2015年底4台机组将实现全部投产发电。

来自：北极星电力网新闻中心 2015年9月17日

http://news.bjx.com.cn/html/20150917/664551.shtml

Analysis on design and detailed construction of Guanyinge Reservoir Water Conveyance Tunnel Project

ZHANG Tie

(LiaoningYangheRiverReservoirAdministration,Liaoyang111000,China)

Reservoir water conveyance tunnel mainly undertakes the tasks of project diversion, water flow energy dissipation, etc. It is an important part in reservoir engineering. In the paper, Liaoning Guanyinge Reservoir Project is adopted as an example. Concrete engineering geological conditions are combined for introducing the section design of water conveyance tunnel, lining supporting design parameters and construction plan. Detailed construction issues in the project are analyzed by examples, thereby providing some reference experience for construction in similar projects in the future.

water conveyance project; tunnel; design; detailed construction

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.015

TV672

A

1673-8241(2015)10-0049-04