基于水工隧洞安全的若干思考

鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 趙亞永 安玉鎖 趙 旭

隨著水利水電建設(shè)的日益發(fā)展，人們在設(shè)計(jì)理論、施工方法和新型結(jié)構(gòu)上取得的進(jìn)展使得水工隧洞的建設(shè)更趨合理、安全。由于水工隧洞為地下工程，地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性及勘探深度的限制使得水工隧洞沿線的地質(zhì)狀況很難查明。因此，合理慎重地選擇水工隧洞軸線對隧洞的安全至關(guān)重要。另外，水工隧洞的安全性與洞內(nèi)水力學(xué)條件也直接相關(guān)，影響水工隧洞安全的因素不僅對隧洞本身構(gòu)成威脅，同時(shí)對大壩的安全構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)。山西省洪洞縣曲亭水庫壩體發(fā)生坍塌，水庫內(nèi)近1 800萬m3水排出庫區(qū)，造成水庫下游3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)19個(gè)村莊約1 萬人受災(zāi)，同時(shí)導(dǎo)致南同蒲鐵路和108 國道交通中斷，給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失。經(jīng)過初步調(diào)查，曲亭水庫壩體坍塌原因?yàn)樗畮旃喔容斔炊错斂逅?，?dǎo)致下游壩體出現(xiàn)管涌，最終致大壩在涵管處坍塌過水。近年來，此類由于水工隧洞造成的水利工程事故屢次發(fā)生。水工隧洞的安全及合理運(yùn)行與養(yǎng)護(hù)日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

一、水工隧洞的主要結(jié)構(gòu)

水工隧洞是指為滿足水利水電樞紐綜合利用水資源的要求，在地層中開鑿的一種水流通道，可以用以泄放洪水、放空水庫、灌溉發(fā)電等。按隧洞正常工作時(shí)洞內(nèi)水流狀態(tài)可將水工隧洞分為有壓隧洞和無壓隧洞。水工隧洞一般由進(jìn)口建筑物、洞身段、出口建筑物3大部分構(gòu)成。水工隧洞的進(jìn)口建筑物包括攔污柵、進(jìn)水喇叭口、平壓管和漸變段等幾個(gè)部分，其常用的結(jié)構(gòu)形式有塔式、豎井式、岸塔式和斜坡式。水工隧洞洞身段類型主要與斷面形式與尺寸有關(guān)，一般情況下，影響其斷面形式的因素主要有隧洞的用途、水力條件等因素。通常情況下，有壓隧洞采用圓形斷面。隧洞的出口建筑物視洞內(nèi)水壓不同而不同，有壓隧洞出口常設(shè)有工作閘門及啟閉室，閘門前設(shè)有漸變段，出口之后設(shè)有消能設(shè)施。相對于有壓隧洞，無壓隧洞的出口建筑物較為簡單，一般情況下，只在出口洞頂加設(shè)一道門框墻用以防止上部巖石坍塌。

二、水工隧洞的軸線布置

合理布置水工隧洞軸線不僅影響到水利工程的造價(jià)與工程施工等，而且其對隧洞的可靠度影響較大。由于水工隧洞結(jié)構(gòu)和工作條件的特殊性，影響其軸線選擇的因素主要有地質(zhì)、地形、水文和樞紐布置等。在水利工程施工中，隧洞的軸線選擇要盡量避開不利的巖層和地下水較多的地段，以減小襯砌上的山巖壓力和外水壓力作用，方便施工。水工隧洞開挖階段進(jìn)出口處易出現(xiàn)塌方，并且在其正常運(yùn)行期間也易受震而破壞，因此，水工隧洞的進(jìn)出口應(yīng)布置在地質(zhì)條件有利于隧洞洞口安全的地段。水庫蓄水后邊坡應(yīng)力發(fā)生變化，使得邊坡更易下滑坍塌，因此隧洞進(jìn)出口的邊坡穩(wěn)定問題對隧洞的安全運(yùn)行也極為重要。

考慮到工程費(fèi)用和水頭損失等因素，隧洞的線路布置應(yīng)盡可能的短而直。用于泄洪和其他用途的隧洞內(nèi)水流速度較高，隧洞的布置應(yīng)盡量使進(jìn)出流平順，使洞內(nèi)水流具有良好的水流條件，并且還要防止水流對水工建筑物的沖刷，進(jìn)而避免不利后果。

在早期的低水頭隧洞的設(shè)計(jì)中，“一洞多用”被廣泛應(yīng)用，如在20世紀(jì)中期興建的西大洋、大伙房、南灣、崗南等水電站采用的是發(fā)電洞與泄洪洞結(jié)合的布置形式。另外還有將發(fā)電、灌溉或灌溉、泄洪等“二洞合一”的形式。這種布置形式雖然簡化了樞紐的布置，節(jié)省工程造價(jià)。然而，隨著水利建設(shè)的發(fā)展，水庫的設(shè)計(jì)水頭和工作水頭都在不斷地提高，各種用途的隧洞對特定功能要求越來越顯著，“多洞合一”式的隧洞與其功能要求之間的矛盾日益突出，因此，對大中型水利工程，不再使用隧洞結(jié)合的布置形式。

三、水工隧洞的安全運(yùn)行

水利水電建設(shè)的發(fā)展促使大壩越建越高，因而隧洞運(yùn)行時(shí)洞內(nèi)的水流速度越來越大，高速的水流對隧洞的安全是不利的，這是因?yàn)楦咚俚乃魅菀滓鹚矶粗凶畛Ｒ姷男问健瘴g破壞。如位于黃河干流的劉家峽水電站，其右岸的導(dǎo)流泄洪洞由于空蝕作用而產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞區(qū)?？瘴g破壞可以使隧洞內(nèi)混凝土表層形成空蝕坑，其有時(shí)會與高速水流的沖蝕破壞合成一體，造成巨大的沖坑、沖槽。甚至一直淘至巖基，如處理不及時(shí)容易促成較大的工程事故。

為了防止空蝕破壞給隧洞的安全造成安全威脅，找出水工隧洞內(nèi)易發(fā)生空蝕破壞的部位進(jìn)行著重改善是防空蝕破壞的有效措施之一。經(jīng)過多年的實(shí)踐證明，水工隧洞的進(jìn)口、閘門槽以及水流邊壁突變部位都是空蝕破壞的易發(fā)區(qū)。為此，可以通過模型試驗(yàn)優(yōu)化易空蝕段結(jié)構(gòu)，使水流邊界水流平順，從而避免有害的水流流態(tài)，減少相應(yīng)部位的空蝕破壞。設(shè)置摻氣設(shè)施也可以保護(hù)洞壁表面進(jìn)而避免空蝕破壞。水流摻氣以后，水流中攜帶較多的空氣泡，減小負(fù)壓的絕對值，水流空化數(shù)相應(yīng)提高，因而延緩或阻止空化的發(fā)生。除了優(yōu)化水工隧洞的結(jié)構(gòu)和摻氣外，提高混凝土的抗蝕能力及控制混凝土表面的不平整度也是防止空蝕破壞的有效措施。

水工隧洞運(yùn)行時(shí)某些洞段出現(xiàn)壓力狀態(tài)交替改變的狀況也較為常見，此時(shí)，洞內(nèi)水流容易出現(xiàn)對隧洞較為復(fù)雜的水力學(xué)條件，如震動、磨損等。其不僅影響隧洞的過水能力和洞壁的受力狀態(tài)，還會對隧洞及其周圍的建筑物帶來不利影響，甚至威脅工程和人身安全。因此水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定:對導(dǎo)流洞，在不致造成洞身破壞時(shí)允許明滿流交替，對低速水工隧洞允許在校核水位時(shí)出現(xiàn)明滿流交替狀態(tài)，其他隧洞其他條件下均不允許出現(xiàn)明滿流交替狀態(tài)。

四、結(jié)論

影響水工隧洞安全及安全運(yùn)行的因素眾多，因此在其設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理中應(yīng)綜合考慮多方面因素。針對不同的隧洞破壞形式應(yīng)深入研究其破壞機(jī)理，為水利工程建設(shè)提供理論依據(jù)。