盘道岭隧洞除险加固工程糙率原型观测及过流能力分析

2019-04-24胡普年

长江科学院院报 2019年4期

胡普年

（甘肃省引大入秦工程管理局，兰州 730000）

1 工程背景

盘道岭隧洞全长约15.723 km，是甘肃省引大入秦工程总干渠中最长的无压引水隧洞，也是引大入秦工程总干渠的“咽喉”工程。由于该隧洞位于软-极软岩地层和少量的第四系地层中，地层岩性复杂，地质条件恶劣，通水运行23 a来，经过几次加固处理，洞内仍存在多处安全隐患，部分洞段存在裂缝、表面混凝土剥蚀、地下水外渗等病害缺陷，严重影响了隧洞结构安全和耐久性。2013年9月—2014年12月针对盘道岭隧洞的突出病害问题实施了盘道岭隧洞除险加固项目，采用现浇C30钢筋混凝土衬砌加固，衬砌内断面型式为马蹄形，断面尺寸3.7 m×3.9 m（宽×高），顶弧半径1.85 m，侧墙圆弧半径5.55 m，底板圆弧半径5.55 m，最小衬砌厚度为0.25 m。为降低糙率满足过流要求，洞内迎水面混凝土浇筑采用钢模台车一次现浇成型的施工工艺和塑料板护壁。

2 研究目的和意义

糙率n是水流经过不同边界条件所受阻力的综合系数，与过流建筑物表面的粗糙度和边壁形状密切相关，是长距离输水工程的重要设计指标，直接影响着工程投资。长距离输水工程流线长，各段的衬砌表面粗糙程度、渠道坡降、断面形状、河道形状、植被覆盖情况、淤积情况以及渠系建筑物的施工质量、养护条件、使用年限等均存在较大差异，简单照搬以往的经典计算公式得出的结果会与实际存在较大偏差，因此，糙率成为了输水工程投资控制的关键因素。南水北调中线工程的北京干线经评估，糙率n每降低0.001，就会使工程包括泵站的投资减少数亿元；甘肃省引洮一期工程糙率由0.014 5降为0.014 0后，总长度57 891 m的隧洞采用爆破法施工，总计估算减少投资1 270万元。

对于盘道岭隧洞加固工程，一方面隧洞洞壁衬砌加固减小了过水断面面积，进而减小了泄流能力；另一方面施工方式选择和混凝土浇筑技术水平提高可降低洞壁糙率，增大泄流能力。为降低工程造价，本工程采用钢模台车衬砌等新技术，拟通过减小洞壁粗糙度减小糙率，弥补过水断面面积减小对过流能力的影响。为判定加固后的渠系建筑物能否满足过流能力的设计要求，对盘道岭隧洞加固工程的糙率进行了原型观测，以确定衬砌加固后各渠系建筑物的平均糙率。观测成果可为类似引调水工程优化设计、节约工程投资提供科学依据。

3 糙率原型观测方法

3.1 糙率观测的理论依据及主要观测参数

式中：Q为流量（m3／s）；A为过流面积（m2）；R为水力半径（m）；i为底坡。这些参数中，底坡i为定值，过流面积A和水力半径R需由水位计算得出，因此，糙率原型观测成果可靠、准确的关键是流速V与观测段水位H的准确量测。

3.2 关键参数的测量方法及测点布置

盘道岭隧洞段无支流汇入，因流量变化缓慢，忽略间滞效应，同一时间各测点的流量可视为一致。为便于观测，本次原型观测选择了在盘道岭隧洞进口前疙瘩沟矩形明渠段（桩号62+170）布设测流断面。采用L25-3C型螺旋桨式流速仪进行流速测量；采用XD-2206-US型一体化超声波遥测水位计实时测量、记录不同时间的水位；采用流速-面积法可计算得出不同时间的过水流量，并可率定绘制出该测流断面的水位-流量关系曲线，供其他断面推算流量使用。其他测点则只需同步测量水位即可。流速、水位测点布置见表1。

4 糙率原型观测及分析

4.1 糙率观测结果

依据原始数据，水流从测点1到测点4时间约为101 min。其中：从测点1到测点2时间约为11min；从测点2到测点3时间约为6 min；从测点3到测点4时间约为84 min。在计算中，分别取各测点测流流量对应时间点前后2 h数据的平均值作为计算水位。本文从2015年11月21日—2016年10月20日近1 a的原型观测资料中摘取了9个时间段的观测资料进行分析。

表1 测点布置Table 1 Location of measuring points

隧洞进口前疙瘩沟矩形明渠段流量观测断面（62+170）的水位-流量关系见图1。各测点的相关数据及结合各测点断面的形状参数可计算得出的各测点断面糙率见表2。

图1 测流断面（62+170）的水位-流量关系曲线Fig．1 Stage-discharge relation at cross section（62+170）

4.2 糙率观测结果的合理性分析

4.2.1 隧洞进口前渠道段

疙瘩沟矩形渠段（62+170）测点断面的平均糙率为0.013 07。依据清华大学王光谦院士等［1］在“南水北调中线工程总干渠糙率综合论证”中提出的不同边界条件渠道糙率基准值，如表3所示，隧洞进口前渠道段为混凝土衬砌较好的渠道，可取一般值0.013，观测的平均糙率是合理的。

表3 渠道糙率基准值Table 3 Reference values of roughness coefficient of channel

4.2.2 隧洞进口未加固段

隧洞进口未加固段中部（63+755）测点断面的平均糙率为0.015 49。依据吕宏兴等［2-3］、吴思［4］的糙率模型试验研究成果，PVC板材的等效粗糙度为0.015 mm，粘贴1～2，2～3，3～5 mm粒径的沙子后等效粗糙度Δ分别为1.5，2.5，4.0 mm。在PVC壁面粘贴粒径1～2 mm（等效粗糙度Δ为1.5 mm）沙子后的糙率为0.012 9左右；在PVC壁面粘贴粒径2～3 mm（等效粗糙度Δ为2.5 mm）的沙子后糙率为0.016 5左右。如表4，在相同边壁、相同坡度条件下，糙率随流量增大而减小，该段洞壁采用传统的小模板衬砌施工，结合部存在一定的凸起度。运行多年后，虽然未出现裂缝，但表面混凝土多处出现轻度剥蚀，并挂满泥苔，增大表面的粗糙度，其平均糙率为0.015 5，介于0.012 9～0.016 5之间，验证了上述研究成果。

4.2.3 隧洞已加固段

隧洞已加固段在进出口各布置了1个测点断面。隧洞进口已加固段中部（64+630）的平均糙率为0.011 16；隧洞出口已加固段中部（77+550）的平均糙率为0.010 52，进口段糙率略大于出口段。

表2 各测点断面糙率测定值Table 2 Measured values of roughness at observation sections

隧洞洞壁不同衬砌施工方法的糙率原型观测统计见表5。

盘道岭隧洞除险加固采取钢模台车在原隧洞内套衬钢筋混凝土，虽然过流断面面积有所减小，但混凝土表面平整、光滑，无冷缝和错台产生，表面粗糙度接近于PVC板材表面的粗糙度（PVC板材表面糙率一般为0.008），小于粘贴1～2 mm的沙子的表面粗糙度。衬砌后的洞壁效果见图2。

图2 衬砌后的洞壁效果Fig．2 Tunnel wall after lining

盘道岭隧洞加固段底坡在0.714‰～1.000‰之间，计算可知，其雷诺数 Re＞2 000，属于紊流，弗劳德数Fr＜1，属于缓流。以往研究表明［5-7］：流量相同时，急流渠道的渠道糙率随底坡变化速率较慢，趋于某一常数；而在缓流渠道中，渠道糙率底坡变化速率则很快，糙率随底坡减小而逐渐减小。隧洞进口加固段设计底坡为1.000‰，出口加固段八标段设计底坡0.714‰，其相应糙率分别为0.011 16和0.010 52，进口加固段糙率略大于出口加固段，进一步应证了上述规律。因此，观测成果是合理的。

5 盘道岭隧道过流能力分析

5.1 不同水深条件下过水断面内的流量计算

综合考虑盘道岭隧洞各段的衬砌表面粗糙程度、渠道坡降、断面形状、河道形状、植被覆盖情况、淤积情况以及渠系建筑物的施工质量、养护条件、使用年限等因素，结合观测成果，隧道过流能力选取糙率n为0.011 2进行计算分析。计算表明：在隧洞水面净空高度为0.86 m（设计最小值）时，水深为3.04 m，相应流量为32.02 m3／s，大于隧洞设计流量（30.00 m3／s），满足过流能力要求。

5.2 流量-水位原型观测值分析

在盘道岭隧洞原型观测阶段，于2016年10月20日 10：30—11：20，在测点 1（疙瘩沟矩形渠段）观测到的最大流量为30.18 m3／s；水流流至测点3（隧洞进口已加固段中部）的时间约17 min，相应时间长度内测点3观测到的水深为2.78 m，隧洞水面净空高度1.12 m；水流流至测点4（隧洞出口已加固段中部）的时间约100 min，相应时间长度内测点4观测到的水深为2.68 m，隧洞水面净空高度1.22 m。观测研究结果表明：衬砌后的隧洞过流能力能够满足设计要求（30.00 m3／s）。

6 结论

（1）引大入秦工程盘道岭隧洞的原型观测表明：疙瘩沟矩形明渠段、盘道岭隧洞未加固段、隧洞进口已加固段、隧洞出口已加固段的平均糙率分别为0.013 07，0.015 49，0.011 16，0.010 52，经分析论证，观测结果是合理的。其中，加固段的糙率小于设计糙率（0.012 0，减糙后）。

（2）利用观测糙率，对盘道岭隧洞过流能力计算分析可知，在隧洞水面净空高度设计最小值0.86 m时，过水流量可达到32.02 m3／s。原型实测数据表明：在流量为30.18 m3／s时，隧洞进口已加固段中部水深为2.78 m、隧洞水面净空高度1.12 m；隧洞出口已加固段中部水深为2.68 m、隧洞水面净空高度1.22 m。可见，盘道岭隧洞经除险加固后，在水面净空高度为设计最小值0.86 m时，其过流能力大于设计值30.00 m3／s，能够满足设计要求。