圆拱直墙式输水隧洞断面设计方法研究

向广银 苏东喜 王爱国

圆拱直墙式输水隧洞断面设计方法研究

向广银 苏东喜 王爱国

通过分析圆拱直墙式输水隧洞断面设计，以水力最佳断面为优化基础，得出圆拱直墙式输水隧洞断面设计的简便方法，较常规方法清晰、明了。

隧洞 经济断面 净空 高宽比 优化

明流输水隧洞较多选用圆拱直墙式，确定隧洞断面尺寸是一项重要设计内容，将隧洞断面简化为过流断面、净空和附加水面超高三部分，寻找经济、安全的设计方法，使整体开挖面积小、满足过流要求、结构安全。

1 设计方法分析

1.1 经济过流断面

隧洞矩形过流断面设计中，水力最佳断面为宽浅式，过流断面面积最小，底宽 （b0）是水深(h0)的2倍，该种形式在工程应用中出现几率较小，GB 50288—1999《灌溉与排水工程设计规范》推荐采用实用经济断面，其面积与水力最佳断面面积 （A0）的比值α为1.01～1.04。引入水力最佳断面、实用经济断面法计算，矩形过流断面宽深比β值只与α大小有关，和流量、比降、糙率大小无关，β与α之间存在函数关系式[1]。各水力要素及过水断面参数间相互关系如下：

式中 h0——水力最佳断面下的水深；

Q——流量；

i——隧洞比降；

n——隧洞过流断面糙率；

β——设计过流断面的宽深比，β=B/h；

B——底宽；

h——设计水深；

α——过流断面与水力最佳过流断面面积比。

1.2 净空、高宽比经验取值

统计分析湖南韶山灌区、河南陆浑灌区、山东仁河灌区等30个隧洞案例[2]，点绘关系图见图1、图2。案例中隧洞最长10 294 m，最短181 m，平均1 764 m。

图1 流量—净空分布

图2 高宽比—净空分布

1.2.1 流量、断面净空、高宽比的关系

将样本按输水流量分3级：30 m3/s以下，30～60 m3/s，60 m3/s以上。（1）流量大于60 m3/s：净空比10.81%～31.54%，20%左右的出现机率较大；高宽比1～1.1，1出现几率较大。（2）流量在30～60 m3/s：净空比5.55%～28.06%，15%～25%出现几率较大；高宽比1～1.4，1.2附近出现几率较大，比值小于1和大于1.5的未出现。（3）流量小于30 m3/s：断面净空比10.46%～47.25%，大于25%出现几率较大；断面高宽比0.81～1.33，1出现几率较大，比值小于1的出现几率加大，大于1.2出现几率很小。

1.2.2 高宽比与岩性

隧洞的高宽比往往与围岩的岩性有关，统计以上资料，可以看出：坚硬、完整、胶结好的Ⅰ、Ⅱ类围岩，高宽比0.81～1.15，平均0.95；风化严重、破碎、互层、软弱的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，高宽比一般大于1，最大值1.35（风化片麻岩，过流35 m3/s），平均1.13。岩性好，高宽比小，其值在1附近；岩性差，高宽比大；高宽比和岩性无明显的量化关系。

1.3 附加水面超高

对拱角部位有防水要求的，可根据设计水位，增加0.1～0.2 m的安全超高，该部分为方形非过流断面。设计中可在过流断面和净空确定后，加大直墙高度。

2 简化设计方法

通过实用经济断面和净空2个方面控制全断面设计（净空不含超高，超高部分待前两部分完成后考虑）。利用隧洞面积分区比和洞高与洞宽比，可以得到全洞高宽比β0、α、β和净空比φ存在以下函数关系：

式中 θ——水面线对应的拱心角；

φ——为隧洞净空与全断面面积比；

β0——为全洞高宽比。

选净空15%、20%、25%分别计算水力实用经济断面的宽深比、隧洞高宽比、拱圆心角等特征值，取常用的窄深式断面成果，即得简化设计计算表格，见表1。该表格相应于隧洞断面高宽比0.63～1.59，断面圆拱中心角58.54°～175.07°，其包容量不小于现行规范给定范围，可用于圆拱直墙隧洞的断面设计。

表1 圆拱直墙隧洞断面设计计算表

3 结语

本方法对圆拱直墙隧洞断面各要素关联后，隧洞净空、过流断面宽深比、全洞高宽比、围岩岩性同时出现，有利于对隧洞断面进行综合判定选择；当隧洞断面要素与假设有差异时，可通过优选后适当调整。但对于高速水流、紊流及施工条件控制的隧洞，不适用本方法。

[1]苏东喜，肖剑，戴雪.无压均匀流矩形断面宽深比关系式推导[J].水利水电工程设计，2013（2）：29-30.

[2]熊启钧.隧洞[M]：北京：中国水利水电出版社，2005.

向广银 男 高级工程师 信阳市水利勘测设计院 河南信阳 464000

苏东喜 男 高级工程师 黄河勘测规划设计有限公司河南郑州 450003

王爱国 男 高级工程师 黄河勘测规划设计有限公司河南郑州 450003

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