禹门口水利工程北干线引水隧洞结构设计探讨

南江江

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原030024）

1 工程概况

山西禹门口水利工程是一个集泵站、水库、灌区等为一体的大型综合性水利工程，工程由枢纽工程、北干线工程、南干线工程、调蓄工程和灌区五部分组成。北干线起点为禹门口枢纽一级站，终点是临汾翼城县的北常水库，全长135 km，沿线设有禹门口枢纽一级站、禹门口枢纽二级站、禹门口东扩一级站、禹门口东扩二级站、禹门口东扩三级站、利民泵站6座泵站。禹门口一级站与禹门口二级站间引水渠线长2.6 km，二级站与东扩一级站间渠线长75.7 km，东扩二级站至北常水库管线长57 km。

现状边山埋涵由于山洪冲刷，埋涵外露，埋涵基础局部悬空，虽对暗涵基础做过多次安全防护，但仍给整个禹门口水利工程的安全运行和山下村民的生产、生活造成极大隐患。设计采用新建隧洞，代替现状边山暗涵输水。新建隧洞位于禹门口二级站出水池下游二级干渠段桩号0+181～0+554，改线隧洞全长373 m，设计输水流量16 m3/s。

2 引水隧洞洞线布置

引水隧洞洞线，是禹门口水利工程北干线输水工程线路的一部分，线路布置必须服从现状输水系统总体布置要求，兼顾地形地质条件、现有上游暗涵、下游渠道线路及对周围建筑物的安全影响等因素，通过综合分析比较确定洞线位置。

新建隧洞洞线布置，在结合现状相关工程布置，考虑其上、下游水流平顺衔接，且不影响现状砌石拦渣坝及坝肩泄洪渠安全稳定情况下，新建隧洞进口布置在现状1号隧洞末端排洪渠左堤附近，出口布置在二级干渠神前村1号渡槽前的山洪沟东侧，与渡槽进口矩形明渠平顺衔接。考虑到隧洞地形、地质条件、洞身侧向岩体覆盖厚度及稳定性和水流等条件，在新建隧洞进口与上游暗涵衔接处、洞身段和末端矩形渠衔接段，各布置1个弯道段。

3 引水隧洞水力计算

3.1 断面型式及尺寸拟定

现状边山暗涵长371 m，安全隐患大，设计采用新建隧洞替换现状边山暗涵引水，根据洞线布置，新建引水隧洞洞线全长373 m，故改线隧洞渠底比降仍采用原暗涵渠底比降1/4 000。

由于隧洞上游暗涵和下游渠道过水断面均为矩形，水流均为无压流，为了使新建隧洞上、下游二级干渠水流平顺衔接，隧洞采用圆拱直墙断面，C30 F150 W4钢筋混凝土结构。新建隧洞过流断面净宽4.0 m，直墙高2.3 m，圆拱半径2.0 m，圆心角180°，净高4.3 m。

3.2 水力计算

便于隧洞与上游矩形暗涵和下游矩形渠的水流平顺衔接，确保明流无压隧洞在不同流量下均能安全、稳定地运行，在确定隧洞的断面形状、纵坡后，由于隧洞长度L≥8H（L为洞身长度373 m，H为进口水深3.15 m），故新建隧洞为无压长洞，过流能力按明渠均匀流公式计算，确定隧洞水深、水面线、流速及净空等相关水力要素及断面参数，进而确定隧洞过水断面尺寸。改线段隧洞设计过流能力为16 m3/s，设计纵坡采用原渠道设计纵坡1/4 000，糙率0.014，经计算隧洞设计水深3.15 m。

另外，隧洞洞线共布置3个弯道段，曲率半径分别为20 m、30 m和50 m，均不小于5倍的水面宽度20 m，且设计流速1.28 m/s小于2 m/s，故不考虑隧洞弯道凹岸的超高。

3.3 净空计算

对于流速较低、通气条件良好的无压隧洞，规范要求洞内水面线以上空间不宜小于隧洞断面面积的15%，且高度不小于0.4 m。该隧洞过流断面净宽4.0 m，直墙高2.3 m，圆拱高2.0 m，设计水深3.15 m，净空高度1.15 m，净空面积为洞身面积的19.3%，大于15%。故初拟隧洞断面尺寸合理，满足规范要求，新建隧洞断面采用初似断面尺寸。

4 新建引水隧洞结构设计

4.1 隧洞结构设计

新建隧洞全长373 m，洞身段穿越地层岩性主要为Ⅳ类及Ⅴ类围岩，Ⅳ类主要为太古界涑水群（Ars）花岗片麻岩，Ⅴ类围岩主要为第四系上更新统坡洪积（Q3dpl）碎石混合土，还有一部分处于太古界涑水群Ars岩石风化层。隧洞勘探洞底以下18 m深度范围内未揭露地下水位，全线路不受地下水影响。

隧洞进口明挖段长33 m，出口明挖段长66 m，穿越Ⅳ类围岩段长112 m，穿越Ⅴ类围岩段162 m。

Ⅳ类围岩断面开挖后，挂直径8mm间距150 mm×150 mm钢筋网，喷C20混凝土10 cm厚，采用C30钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为底板45 cm，侧墙及顶拱35 cm。

拟定的断面形式及尺寸见图1。

图1 Ⅳ类围岩隧洞横断图

由于Ⅴ类围岩岩体破碎、松散，稳定性极差，极易坍塌，隧洞开挖拟采用超前小导管施工方案，挂直径8mm间距150mm×150mm钢筋网，喷C25混凝土15cm厚，采用C 30钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为底板50 cm，侧墙及顶拱40 cm。

拟定的断面形式及尺寸见图2。

图2 Ⅴ类围岩隧洞横断图

4.2 结构计算原理

隧洞衬砌结构采用结构力学法的数值解法—边值法进行计算，将衬砌结构计算化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各荷载组合作用下的内力、位移及抗力分布，再通过结构计算确定隧洞衬砌厚度和配筋。

4.3 荷载

作用在衬砌上的荷载分为基本荷载和特殊荷载。根据本工程特点，隧洞所承受的基本荷载有围岩压力、衬砌自重、内水压力等；特殊荷载有灌浆压力、施工荷载、地震作用等。设计根据各种不同工况下同时存在的基本荷载和特殊荷载组合进行，并根据相应工况下规范规定的安全系数验算结构强度。在各种荷载组合工况下，计算隧洞钢筋混凝土衬砌厚度和相应配筋结果，并进行衬砌最大裂缝宽度验算。

国内外震灾调查资料表明，地下结构的震害比地面结构轻。因此按照水工建筑物抗震设计规范规定，只对设计裂度为9度的地下结构或设计裂度为8度的1级地下结构，验算建筑物和地基的抗震强度和稳定性。新建隧洞是设计裂度为7度，建筑物级别为4级的地下水工建筑物，不进行抗震强度和稳定验算。

荷载组合见下表：

表1 隧洞荷载组合表

（1）围岩压力

作用在衬砌上的围岩压力计算公式如下：

垂直方向：qv=（0.2～0.3）γR B

水平方向：qh=（0.05～0.1）γRH

式中：qv——垂直均布围岩压力，kN/m2；

qh——水平均布围岩压力，kN/m2；

γr——岩体容重，25 kN/m3；

B——开挖断面宽度，m；

H——开挖断面高度，m。

（2）灌浆压力

衬砌施工后，对顶拱中心角120°范围内进行回填灌浆，根据已建工程经验，回填灌浆荷载作用于衬砌的比例较小，本次计算对Ⅳ类围岩分别取0.2 MPa和0.1 MPa进行计算比较，Ⅴ类围岩参照土洞灌浆压力取0.1 MPa。

（3）内水压力

正常运行工况，取设计水深h=3.15 m，水的容重取10 kN/m3。

（4）外水压力

隧洞勘探洞底以下18 m深度范围内未揭露地下水位，线路不受地下水影响，外水压力取0。

（5）衬砌自重

钢筋混凝土衬砌容重取25 kN/m3。

（6）基底反力

按受力平衡法则，将所有垂直力的合力对底板底部求均布反力。

（7）荷载标准值

隧洞计算荷载标准值见表2。

表2 荷载标准值

4.4 计算结果及分析

采用理正岩土系列6.5版隧洞衬砌设计计算程序，Ⅳ类、Ⅴ类围岩隧洞回填灌浆压力分别取0.1 MPa和0.2 MPa作计算，0.1 MPa计算结果作参考分析。新建隧洞配筋计算结果见表3。

表3 隧洞断面配筋计算结果表

Ⅳ类围岩隧洞回填灌浆压力按0.2 MPa计算，程序计算配筋偏大，回填灌浆荷载作用于衬砌的比例较小，参照已建工程经验，综合考虑实际配筋如下：

Ⅳ类围岩：底板、侧墙及顶拱直径25 mm间距150 mm。

Ⅴ类围岩：底板直径25 mm间距150 mm；侧墙及顶拱直径20 mm间距150 mm。根据配筋计算结果选取钢筋见下表4。

表4 隧洞断面配筋表

隧洞为二类环境钢筋混凝土构件，裂缝宽度允许值为0.30 mm，结构计算结果显示，最大裂缝出现在隧洞底板中部或侧墙底端，均满足规范要求。

4.5 防渗和排水设计

根据地质资料，隧洞勘探洞底以下18 m深度范围内未揭露地下水位，故设计不考虑外水压力及外水内渗影响和洞身排水设计，仅考虑内水外渗的防渗措施。

隧洞洞身段每8 m设一道变形缝，缝宽2 cm，采用651橡胶止水带进行止水。设计对隧洞进、出口边坡采用喷射C20混凝土进行防护，在坡脚处设置了截水沟，形成了可靠的排水系统，有效防止了地面径流冲蚀破坏。

5 结语

隧洞已建成并安全通水运行，各项指标符合设计要求，满足工程运行规范，为禹门口水利工程北干线供水安全运行提供了输水保障。