输水隧洞洞型综合比选

刘海波

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

输水隧洞洞型综合比选

刘海波

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

新疆某长距离输水隧洞工程分布有长距离连续软岩洞段，该段采用复合式衬砌结构，现从过流能力、结构受力和施工条件等方面对该软岩洞段拟定的两种马蹄型断面洞型进行比较，经过分析选取综合方面更优的洞型。

输水隧洞；水力学；有限元；洞型比选

新疆某长距离输水隧洞工程采用TBM与钻爆法相结合的施工方法，其中钻爆法施工段总长46.2km，分布有连续的软岩洞段，长度26.6km，采用锚喷支护加二次衬砌的复合式衬砌结构，马蹄型断面。由于软岩洞段长度较长，故拟定马蹄型Ⅰ、Ⅱ型两种断面，从过流能力、结构受力和施工条件等方面进行洞型比较。

马蹄型断面比选分为两种标准型式：顶拱内缘半径R1，侧拱及底拱内缘半径R2=2R1为Ⅰ型，侧拱及底拱内缘半径R2=3R1为Ⅱ型。在相同流量比降糙率和R1的情况下，拟定软岩洞段马蹄型Ⅰ、Ⅱ型的断面尺寸，如图1。

图1 马蹄型Ⅰ、Ⅱ型横断面

1 过流能力

比选段隧洞设计流量13m3/s，纵坡1/5000，为保证隧洞无压输水，根据SL279—2016《水工隧洞设计规范》的要求，“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15%，高度不应小于0.4m”。比选段隧洞均为复合式衬砌结构，纵坡保持不变，根据传统水力学理论可知，由于隧洞距离长且沿程条件不变，当隧洞水流为明流时将形成均匀流，可按明渠均匀流理论计算隧洞过流能力，其计算公式：

马蹄型Ⅰ、Ⅱ型两种断面的过流能力计算结果如表1。

表1 Ⅰ型和Ⅱ型马蹄型断面过流能力

由表1计算结果可知，马蹄型Ⅰ、Ⅱ型的断面在净宽、净高相同的情况下，过流能力均满足设计要求，从净空率来看，Ⅱ型过流能力略优于Ⅰ型。

2 结构受力

比选段隧洞主要经过侏罗系、白垩系、新近系、第四系地层，地质条件复杂，为Ⅳ、Ⅴ类围岩。现对马蹄型Ⅰ、Ⅱ型断面，选取Ⅴ类围岩作为典型断面，采用Abaqus软件有限元计算方法分析两种断面的围岩变形、衬砌应力，并进行配筋计算。

隧洞建模采用底层—结构计算模型，采用摩尔库伦材料模型模拟比选段围岩的弹塑性，支护衬砌采用弹性材料建模，利用Abaqus软件中单元生死功能，通过控制荷载释放系数，模拟隧洞开挖施工过程，以反映隧洞开挖前后围岩的变化，进而研究支护衬砌的受力情况。材料参数如表2。

表2 材料特性参数

马蹄型Ⅰ、Ⅱ型断面围岩变形、衬砌应力及配筋结果分别如图2～图4、表3。

图2 断面围岩变形图

图3 断面衬砌第一主应力云图

图4 断面衬砌第三主应力云图

表3 断面应力、应变及配筋结果

马蹄型Ⅰ、Ⅱ型的断面围岩变形计算结果显示，两断面型式的围岩最大变形处均发生在边墙位置，差异不明显，塑性区半径也很接近。从应力图可以看出，两断面最大拉应力均集中在底拱处，最大压应力均集中在拱脚处。从受力方面看，马蹄型Ⅱ型断面略大，但配筋结果一致。

3 施工

软岩洞段施工方案选用无轨运输方案，马蹄型Ⅰ、Ⅱ型的断面铺平后的行车净宽及净高比较如表4。

表4 断面施工比较 单位：m

马蹄型Ⅱ型断面底弧曲率半径较大，衬砌后底宽也略宽于Ⅰ型断面，可为工程施工及工程运营提供相对较好的交通运输条件。

4 投资比较

对马蹄型Ⅰ、Ⅱ型的断面型式从开挖量、衬砌量、钢筋量的工程量及投资进行比较，如表5。

表5 断面工程量及投资比较（每米）

由表5看出，马蹄型Ⅰ、Ⅱ型断面费用相差较小，基本相同。

5 结语

通过对马蹄型Ⅰ、Ⅱ型断面从过流能力、结构受力、施工、投资4个方面进行比较，可以看出马蹄型Ⅰ型结构受力较好，Ⅱ型断面施工条件较好，过流能力及投资方面差异不明显。但考虑到比选段软岩洞段隧洞洞径较小，Ⅱ型断面更有利于隧洞施工，提高施工效率，故推荐选取底弧曲率较小的马蹄型Ⅱ型断面型式。

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（责任编辑：尹健婷）

A comprehensive comparison of water conveyance tunnels with different cavity forms

LIU Hai-bo
（Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resource and Hydropower，Urumqi 830000，China）

This study is based on the construction of a long-distance water conveyance tunnel project which comprises a long and continuous segment with soft rock.The segment is designed using a composite lining structure.The study compares two types of cavity forms with U-shaped section，from the aspects of discharge capacity，structural force，and execution conditions.This study is aimed at selecting the most optimized cavity form for the real construction work.

water conveyance tunnels；hydraulics；finite element；comparison of different cavity forms

TV672+.1

B

1672-9900（2017）01-0069-03

2017-01-10

刘海波（1988-），男（汉族），新疆乌鲁木齐人，助理工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）18599002496。