某引水工程中典型输水隧洞设计方法分析

王 君

（乌鲁木齐市水利勘测设计院（有限责任公司），新疆 乌鲁木齐 832000）

1 工程概况

某大型引水工程输水线路全长184.77 km，全线共有隧洞30条，总长165.38 km，占整个输水线路的90%，其中10 km以上的隧洞有5条，设计输水流量20 m3/s～40 m3/s，本工程在隧洞设计时经初步分析比较，隧洞采用无压隧洞输水方式，断面采用城门洞型，再选取典型隧洞进行设计，典型隧洞洞线长14.48 km，布置有4条施工支洞，设计流量Q=20 m3/s，设计底坡初选i=1/1000，断面形式为城门洞型断面。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深430 m。隧洞进口地形为较完整山坡，山坡坡度约35°～40°，坡高约85 m～90 m，出口地形为一向南西凸出的小山脊，宽约200 m，地形坡度约20°～30°，坡高约135 m，以上坡度稍缓为30°～40°。沿线隧洞沿线岩层岩性有泥质灰岩、灰岩、白云岩夹页岩、泥岩、石英砂岩、长石砂岩以及粉砂质泥岩等[2]，隧洞沿线断层及皱褶较发育，沿线岩溶水及基岩裂隙水均有分布。隧洞围岩类别包括Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类，各种围岩类别统计见表1。

表1 典型隧洞围岩类别统计表

2 断面比选设计

根据选定的隧洞断面型式为城门洞型，初拟三组不同断面尺寸进行比选，比选原则为:在设计流量Q=20 m3/s、底坡i=1/1000、糙率n=0.014一定的情况下，拟定不同的底宽，求得相应的水深及过水断面，保证各断面的净空比相等，并满足净空面积为20%左右，水力计算根据《水力学》中计算公式[3]，三种

断面计算结果表2。

式中:Q为隧洞设计流量，取值为20 m3/s；A为隧洞过水断面，m2；C为谢才系数；R为水力半径，R=A/χ，m；i为设计底坡，取值为1/1000；n为糙率系数，取值为0.014；m为边坡系数，矩形断面取值为0。

表2 典型输水隧洞不同底宽水力参数比较表

根据表2计算结果，按Ⅳ类围岩（该典型隧洞围岩以Ⅳ类为主）分别对三种不同过水断面进行配筋计算，衬砌厚度均为0.4 m，计算1 km洞长三种不同断面的主要工程量，并估算投资，对比结果见表3。

表3 输水隧洞不同过水断面工程量及投资对比表

从表3可以看出，取1 km隧洞洞长计算结果为例，断面1的投资最大，断面3的投资最小，但投资差值均小。

比较断面1及断面2可以发现，二者投资仅相差1.2%，结合《水工隧洞设计规范》（SL 279-2002）相关规定[4]:“断面的高宽比宜为1.0～1.5，洞内水位变化较大时宜采用大的比值”以及“高地应力区若垂直地应力大于水平地应力，宜采用高度较大而宽度较小的断面”，考虑到该隧洞相对埋深较大，因此隧洞断面高宽比宜取大值。

综上所述，典型隧洞推荐城门洞型，过水断面底宽3.0 m，净高为3.96 m。

3 建筑物设计

3.1 工程布置

典型隧洞进口与倒虹吸相连接，出口与消能电站连接。为避开不利地段，并满足施工支洞布置、施工场地、交通、工期等要求，隧洞在平面上布置3个转弯段，转弯半径为15 m。隧洞总长14476.268 m，里程SS60+079.484 m～SS74+555.751 m。隧洞坡降采用1/1000，正常水深2.96 m，进口底板高程1818.34 m，出口底板高程1803.86 m。为满足隧洞施工要求，螺峰山隧洞沿线共布置4条施工支洞，支洞与主洞交点里程依次为YH62+440.373 m、YH65+259.593 m、YH67+647.628 m、YH71+626.057 m。

图1 典型隧洞平面膜布置图

3.2 隧洞支护设计

（1）初期支护

典型隧洞围岩类别包括Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类，根据不同的围岩类别，在开挖过程中，采取不同的初期支护方式。初期支护方案见表4。

表4 典型隧洞初期支护方案表

（2）二次支护

典型隧洞全洞段采用C30钢筋混凝土衬砌[5]，隧洞围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，全洞段采用C30钢筋混凝土衬砌，洞身根据地质条件，衬砌厚度分别采用0.3 m、0.4 m、0.5 m。隧洞支护设计断面图见图2(篇幅所限，仅列一个)。

图2 典型隧洞支护设计横断面图（尺寸单位：cm）

3.3 隧洞细部设计

（1）施工缝、变形缝止水设计

①对于围岩性质均一，温度变化小、收敛变形较小的围岩洞身段，根据衬砌台车的长度一般按8 m～12 m设一条环向施工缝，施工缝设橡胶止水带，并用沥青杉板进行填塞。

②在隧洞进、出口处、洞身与施工支洞交汇处以及洞内断层分布处或其他可能产生较大相对变位处设置永久缝，纵向钢筋在永久缝处断开，缝内设橡胶止水，并用沥青杉板进行填塞。

（2）回填灌浆设计

为了提高衬砌结构的整体性和结构承载能力，隧洞顶拱部120°范围布置3个～4个回填灌浆孔，灌浆孔深入围岩5 cm～10 cm，纵向排距3 m，梅花型布置。灌浆压力视混凝土衬砌厚度和配筋情况确定。

（3）固结灌浆设计

为了提高围岩的整体性和抗变形能力，对Ⅴ类围岩洞段隧洞全断面进行固结灌浆[6]，每个断面设6个～10个固结灌浆孔，纵向排距3 m，呈梅花型布置。灌浆孔深入围岩2 m～3 m，对于极软弱、破碎水量较大段考虑适当加大孔深。

（4）排水孔设计

遵照“堵”“截”“排”相结合的防渗和排水设计原则，为有效减小地下水压力，在地下水位较高处设置排水孔，梅花型布置，孔深为3 m～5 m，顶拱回填灌浆孔可兼做排水孔。

（5）进出口边坡设计

隧洞进出口边坡均处于强风化长石砂岩夹泥岩、页岩层，进口为顺层、出口逆向，边坡开挖坡比1∶1，最大坡高小于10 m，为防止开挖边坡进一步风化，保证边坡安全，对边坡采取挂钢筋网喷锚支护，喷混凝土强度等级C20，厚度12 cm，挂网钢筋直径6.5 mm，间排距200 mm，系统锚杆为直径25 mm螺纹钢筋，长度3 m，间排距2 m。为防止雨水浸蚀，坡面设置直径50mm、间排距3 m、深3 m的排水孔，坡顶设置300 mm×300 mm的截水沟。

4 结语

输水线路上隧洞有30余条，对每条隧洞进行设计会有大量重复工作，花费更多的时间和精力，设计中应根据隧洞特点、地质条件、水流条件及输水方式等将隧洞归类，进行典型隧洞设计，将设计成果用于其他同类型隧洞，在设计中取得了较为满意的结果，本工程为新建隧洞，该设计思路和方法获得了专家和同行的一致好评。