水工隧洞线路布置的技术要点探析

董延城

(福建省福鼎市水利技术队，福建 福鼎 355203)

0 前 言

根据现有经验可知，水工隧洞在供水、发电以及引水工程中具有广泛的应用前景，而线路布置是水工隧洞设计当中的重要环节，对工程施工、造价以及水力计算等产生直接影响。所以在水工隧洞线路布置的设计中，相关人员需要对诸多影响因素进行判断，合理选择线路布置工艺，这样才能全面提高水工隧洞的质量，值得关注。

1 水工隧洞的总体布局与线路选择

1.1 水工隧洞的总体布局

水工隧洞的总体布局必须要考虑其他外部因素对线路的影响，所以在设计过程中，设计人员应该重点关注以下问题：

1)根据枢纽的任务，总体规划泄水建筑物。

2)在合理选定隧洞线路的基础上，按照当地的水流条件、地质地形等，重点确定进口位置与进口结构，这样才能确定闸门等部件的参数[1]。

3)了解洞身的纵坡以及洞身的断面形状。

4)按照地质、地形以及尾水位等判断建筑物之间的相互关系。

1.2 线路的选择

水工隧洞的线路选择是一个十分重要的问题，对工程造价、施工的难易程度等都产生直接影响，所以在线路选择过程中，工作人员需要重点关注以下问题：①隧洞内线路应该尽量避开不良地质结构，在保证围岩稳定的情况下，避开渗流量多的地段；②水工隧洞的线路尽量保证平直，这样才能降低工程项目成本，减少成本支出；对于必须要转弯的项目，应该保证转弯的直线半径≥5倍的洞宽；③水工隧洞应该具有良好的埋藏深度；④隧洞的纵坡应该考虑水利运输条件、水利工程项目的用途以及上下游的现阶段情况；⑤对于长隧洞，在选择线路时还应该尽量的利用地质条件，合理布设一定的斜井、竖井、支洞，达到增加工作面、提高施工进度的目的；⑥具有良好的水流条件，在施工中能够尽可能的降低水头损失；⑦便于施工支洞等特殊要求。

而有研究认为，目前影响水工隧洞线路的因素很多，包括隧洞的埋深、洞口设置以及相邻建筑物的处理等，都会对水工隧洞线路产生直接影响，在设计过程中若不能充分认识到上述因素对隧洞结构的影响，将会严重降低隧洞的稳定性与施工安全[2]。

2 水工隧洞线路布置的关键问题与处理技术

2.1 进口段的处理

在水工隧洞中，进口段是其中的重要一环，根据其布置形式，可以分为竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式四种类型，不同类型的优劣势如表1所示。

表1 进口段形式的优劣性分析

进口段的结构复杂，所以在关键参数设计中，需要根据隧洞的相关参数要求来确定进口段的数据。以进水喇叭口位置，位于水工隧洞的首部，一般在设计过程中，要保证进水喇叭口在体形上能够与孔口的水流想适应，确保水流能够顺利通过，不会出现脱壁的问题；在喇叭口的设计上，普遍采用矩形断面结构，使边墙、顶板沿着水流方向收缩，其中的表达关系式为：

(1)

式中：x与y分别为喇叭口在X轴与Y轴上的参数；a为场长半轴；b为短半轴。

例如在福鼎市龙安供水工程中，吉坑水库进水口的设计成为重点内容，设计人员根据实际地形情况，比较了竖井式进水口和岸塔式进水口两个建设方案。竖井式进水口将拦污栅和闸门井分开布置，由进口喇叭段、闸门井前隧洞段及闸门井组成，闸门井后为 5m 长渐变段与引水隧洞连接；岸塔式进水口将拦污栅、事故检修闸门井布置在一起，由进口喇叭段、闸室段组成，闸门井后为5m长渐变段与引水隧洞连接。在充分分析两同施工方案的可比投资之后，竖井式进水口方案比岸塔式进水口方案节省约53万元，但由于进水口紧临村道，且距同三高速公路边坡仅29m，竖井式进水口爆破开挖时对周边交通影响较大，而岸塔式进水口开挖工程量小，且无需进行爆破开挖，因此最终选择岸塔式进水口方案。而最终的实践经验也证明，这种设计方法是可行的。

2.2 平面转弯点设施

在水工隧洞中，平面转弯点的设置应该考虑水工建筑物的布置、最小覆盖层厚度要求，并按照地质构造的走向，评估冲沟、控制性断层等因素的限制，尽量选择最短距离的穿越路线，这样才能达到规避施工风险、缩短工期的目的。以福鼎市龙安供水工程为例，在该工程项目5#引水隧洞中，隧洞总长5110m，设两个施工支洞，1#施工支洞长228m，位于缸窑村万安亭上游约650m的左侧山坡，支洞口底高程约31m，山坡地形坡度23°-30°；2#施工支洞长158m，位于岚亭村庆元寺后山坡，支洞口底高程约31m，山坡地形坡度25°-30°。因此根据实际地形情况，在该项目中5#引水隧洞设计了2个转弯点，2个转弯点均用于布置施工支洞。

2.3 隧道的埋深问题

在水工隧洞内，随着隧洞埋深的增加，地质条件会逐渐改善，并且项目中的绕沟线路少，因此很多设计人员习惯于通过增加埋深的方法来减少绕沟线路。但是随着埋深增加，会导致施工的支洞长度或者纵坡增加，对工程项目的灌浆处理能力、衬砌范围与强度等都提出了更高的要求。所以在水工隧洞线路的选择上，并非埋深约深越好，而是要合理选择埋深深度。在埋深处理中，为了能够有效使用不同环境的处置要求，可以通过变纵坡的方法布置隧洞。例如在福鼎市龙安供水工程，吉坑水库进水口至4#洞出口的隧洞纵坡坡度为0.4%，5#洞进口至1#施工支洞的隧洞纵坡为0.3%；1号施工支洞至2号施工支洞间的隧洞纵坡为0.2%；2号施工支洞至隧洞出口的隧洞纵坡坡度为0.7%。本项目中进洞口底高程为36m，设计断面的型式均为2.6m×3.0m(宽×高)的矩形型，保证水库水能够顺利的从洞中流出。而该项目的最终实践经验也证明，通过这种设计方法，使引水隧洞纵坡平顺，没有斜洞段，减少隧洞混凝土衬砌施工的工程量。

但是在施工过程中需要注意的是，针对埋深隧洞，在施工期间可能会出现岩爆的问题，所以在施工之前就应该形成具体的防御措施，通过提前释放应力、柔性支护等有效方法，降低岩爆破坏，并做好记录，形成详细的岩爆规律图，适当调整。

2.4 强化相邻建筑物的处理

在一些水工隧洞施工过程中会遇到一些建筑物，对于相关人员而言，必须要正确认识到水工隧洞施工对建筑物的影响，采用多种方法避开建筑物，避免增加工程项目投资；而很多情况下，水工隧洞无法有效避开建筑物，则需要通过相应的设计方法来处置。

例如在福鼎市龙安供水工程中，考虑到工程项目的特殊性，为了能够有效解决隧洞较低的情况，支洞口底高程为35m，前段山体覆盖仅2-5m，建议洞口明挖50-80m，边坡按1∶1坡比开挖，并在洞顶设置排水沟。针对这种情况，该项目的设计人员进行了特殊处理，在水工隧洞施工阶段，隧洞混凝土浇筑主要包括隧洞衬砌混凝土、洞底找平混凝土、隧洞喷混凝土衬砌和钢衬段回填混凝土等方法，在主体结构施工后，还对其中的关键部位进行了固结灌浆等强化处置措施，取得满意效果[3]。

2.5 跨越冲沟问题

目前很多的水工隧洞需要跨越冲沟，但是一些地质条件复杂的冲沟往往会跨越蚀变带或者断裂构造带等特殊地段，并伴有地表水补给等情况，施工难度较大。所以在人工隧洞设计中，需要充分考虑跨沟与绕沟的施工方法，合理设计，这样才能避免质量问题发生。一般在水工隧洞跨越冲沟的情况下，所采取的施工方案为平面转弯绕开或者提高埋深等，至于需要采用哪种施工方案，需要根据施工条件、造价与工期等多个因素进行评价。

例如在某项目中，引水隧洞必须要穿越冲沟，而冲沟的纵坡小，所以为了能够满足最小覆盖层的厚度要求，隧洞的长度增加会降低工程项目的经济效益。因此本项目的相关设计人员在经过多方的评价后，决定采用了倒虹吸方案和管桥方案进行比较。其中倒虹吸的施工方法，是在明挖之后埋钢管从河床底部位置穿越，期间采用Q345钢管钢衬，钢管的内径为2.8m，外包C20混凝土，厚度为60cm，整个施工方案的结构如图1所示。

图1 跨越冲沟倒虹吸方案纵剖面

而在管桥方案中，需要在跨沟段设置若干个桥墩，在保证桥墩中心间距均匀分布的基础上，采用了桥涵结构的钢管铺设方法，压力钢管从桥面水平通过；明钢管每间隔4m设加劲环一道，每间隔12m设支撑环一道，在支撑环下方砌筑混凝土桥台为承台，该施工方法的具体结构如图2所示。

图2 跨越冲沟管桥方案纵剖面

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在充分分析上述不同施工方案的经济效益之后，相关研究发现，方案2(图2)的工程项目总投资与图1相比要节省约220万元，其中在图2的方案中，管桥方案钢管短104.6m，并且水头的损失也要显著优于图1。从设计方案的运行评价结果来看，上述两个方案都能满足水利工程项目复杂工况下的运行要求，但是相比之下，图2由于采用了明钢管结构，显然维修难度低，所以与图1的方案相比更有优势。最后从施工条件来看，图1所介绍的施工方案采用了明挖以及明管外包的方案，所以施工难度小；而如图2方案需要浇筑桥墩，施工难度大。在综合不同施工方案的特征之后，决定施工图2所介绍的结构。

3 结 语

水工隧洞的线路布置受多方面因素影响，并且相关因素之间相互影响，不容忽视。结合文章的研究结果可知，在水工隧洞设计中，需要全面评估隧洞坡度、平面转弯点以及岩层走向等外界因素的限制，合理选择不同的施工方案；同时文章所介绍的案例，均在水工隧洞施工中取得了一定的成绩，对其他工程项目施工具有一定的借鉴指导作用，值得关注。