對水工隧洞設(shè)計的分析

冉 習(xí)

(黔南州水利水電勘測設(shè)計院，貴州 都勻 558000)

對水工隧洞設(shè)計的分析

冉 習(xí)

(黔南州水利水電勘測設(shè)計院，貴州 都勻 558000)

水工隧洞是以輸水為目的，在巖、土體中通過開挖形成的隧洞，不包括埋管和回填管。水工隧洞可按不同原則分類。在設(shè)計水工隧洞時，應(yīng)根據(jù)樞紐的規(guī)劃任務(wù)，盡量一洞多用，以降低工程造價。如導(dǎo)流洞與永久隧洞相結(jié)合，泄洪、排沙、放空隧洞的結(jié)合等。

水工；隧洞設(shè)計；構(gòu)造設(shè)計；灌漿設(shè)計

0 引 言

在水利樞紐中為滿足泄洪、灌溉、發(fā)電等任務(wù)而設(shè)置的隧洞稱為水工隧洞。水工隧洞按洞內(nèi)水流狀態(tài)分為有壓洞和無壓洞。一般隧洞可設(shè)成有壓，也可設(shè)成無壓，或設(shè)成前段有壓而后段無壓。但在同一洞段內(nèi)，應(yīng)避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替現(xiàn)象，以防止不利流態(tài)。

1 水工隧洞的線路選擇

主要包括4個方面的內(nèi)容：

1.1 地質(zhì)條件

隧洞路線應(yīng)選在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整堅硬的地區(qū)，盡量避開不利地質(zhì)構(gòu)造，盡量避開地下水位高、滲水嚴(yán)重地段，以減少隧洞襯砌上的外水壓力。洞線要與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要軟弱帶走向有較大的交角。在高地應(yīng)力地區(qū)，洞線應(yīng)與最大水平地應(yīng)力方向盡量一致，以減少隧洞的側(cè)向圍巖壓力。隧洞應(yīng)有足夠的覆蓋厚度，對于有壓隧洞，當(dāng)考慮彈性抗力時，圍巖的最小覆蓋厚度≥3倍洞徑。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，對于圍巖堅硬完整無不利構(gòu)造的巖體，有壓隧洞的最小覆蓋厚度≥0.4H(H為壓力水頭)，如不加襯砌，則應(yīng)≥1.0H。

在隧洞進(jìn)、出口處，圍巖厚度往往較薄，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、施工、結(jié)構(gòu)等因素綜合分析確定，一般情況下，進(jìn)、出口頂部的巖體厚度≥1倍的洞徑或洞寬[1]。

1.2 地形條件

洞線應(yīng)盡量短直，如因地形、地質(zhì)、等原因需要轉(zhuǎn)彎時，對于低流速的隧洞彎道曲率半徑≥5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)角≤60°，彎道兩端的直線段長度也≥5倍的洞徑或洞寬。高流速的隧洞設(shè)彎道時，最好通過試驗(yàn)確定。

1.3 水流條件

隧洞進(jìn)口應(yīng)力求水流順暢，出口水流應(yīng)與下游河道平順銜接，與土石壩下游壩腳及其建筑物保持足夠距離，防止出現(xiàn)沖刷。

1.4 施工條件

洞線選擇應(yīng)考慮施工出渣通道及施工場地布置問題。設(shè)置曲線時，其彎曲半徑應(yīng)考慮施工所要求的轉(zhuǎn)彎半徑[2]。對于長洞，應(yīng)利用地形、地質(zhì)條件布置施工支洞、斜洞、豎井。以便進(jìn)料、出渣和通風(fēng)，改善施工條件，加快施工進(jìn)度。此外，洞線選擇應(yīng)滿足總體布置和運(yùn)行要求，避免對其它建筑物的干擾。

2 構(gòu)造設(shè)計

構(gòu)造設(shè)計包括3個方面：

2.1 結(jié)構(gòu)分縫、分塊設(shè)計

泄洪隧洞洞身與進(jìn)口段、出口消能工段，應(yīng)設(shè)伸縮縫；洞身段地質(zhì)條件有明顯變化處(如通過較大斷層、軟弱破碎帶等)，應(yīng)設(shè)伸縮縫；圍巖地質(zhì)條件均一的洞身段，只設(shè)施工縫。洞身段環(huán)向施工縫，底拱、邊墻和頂拱不得錯開；澆筑塊長度一般6～12m。無防滲要求的無壓洞襯砌，環(huán)向施工縫鋼筋可不穿過縫面，混凝土可不鑿毛處理。有壓洞和有防滲要求的無壓隧洞，襯砌的環(huán)向施工縫面必須鑿毛，鋼筋應(yīng)穿過縫面，相鄰塊混凝土澆筑間歇期應(yīng)在14d以上。當(dāng)先澆頂拱時，應(yīng)做好反縫結(jié)構(gòu)設(shè)計，使邊墻混凝土和頂拱混凝土緊密結(jié)合。

2.2 止水設(shè)計

無防滲要求的無壓洞襯砌的環(huán)向施工縫可不設(shè)止水；對有防滲要求的無壓洞(水面線以下)和有壓隧洞，應(yīng)設(shè)止水銅片或止水帶[3]。

2.3 排水設(shè)計

泄洪洞進(jìn)、出口邊坡應(yīng)設(shè)置地表排水溝、渠，以排除地面水和岸坡滲水。無壓洞水面線以上設(shè)排水孔，以排除山體水，減小外水壓力。出口消能反弧段可設(shè)排水設(shè)施，排除泄流后反弧段積水，以利于檢查、維修的交通。

3 灌漿設(shè)計

3.1 回填灌漿設(shè)計

隧洞襯砌結(jié)束后，在頂拱90°～120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，灌漿壓力一般為0.2～0.5MPa，孔、排距4～6m，以水泥砂漿或水灰比0.6～0.5漿液回填，粉煤灰摻量為水泥重的50%～100%。對有壓隧洞的回填灌漿，粉煤灰品質(zhì)應(yīng)達(dá)到一、二級標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 固結(jié)灌漿設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及對圍巖處理要求，確定固結(jié)灌漿洞段及參數(shù)，一般情況下對圍巖地質(zhì)條件差或有特殊要求的洞段，應(yīng)進(jìn)行固結(jié)灌漿。洞身段需固結(jié)灌漿時，每排≥6孔，對稱布置，排距2～3m，壓力0.5～1.0MPa。進(jìn)、出口部位一倍洞徑(或洞寬)范圍內(nèi)，必須進(jìn)行固結(jié)灌漿，孔、排距2～3m，壓力0.5～0.8MPa。灌漿材料，宜采用普通硅酸鹽水泥，水灰比2∶1～0.5∶1。灌漿質(zhì)量檢查，采用聲波檢測(彈模、波速)和壓水相結(jié)合。

4 水工隧洞的布置

水工隧洞的布置包括3個部分：

4.1 進(jìn)口段的形式和構(gòu)造

4.1.1 進(jìn)水喇叭口

進(jìn)水口是隧洞首部，其體形應(yīng)與孔口水流流態(tài)相適應(yīng)，避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞，同時還應(yīng)盡量減小局部水頭損失，以提高泄流能力。隧洞進(jìn)口常采用頂板和兩側(cè)邊墻順?biāo)鞣较蛉蛑饾u收縮的平底矩形斷面，形成喇叭口狀。收縮曲線常采用1/4橢圓曲線，橢圓方程為：

(1)

式中：a為橢圓長半軸，對于頂板曲線，約等于閘門處孔口高度H，對于邊墻曲線，約等于閘門處的孔口寬度B；b為橢圓短半軸，頂板曲線可用H/3，邊墻曲線約為(1/3～1/5)B。

深式無壓隧洞進(jìn)水口是一短管型壓力段，為了增加壓力段壓力，改善壓力分布，常在進(jìn)口段頂部設(shè)置傾斜壓坡，見圖1。

這種形式的壓力進(jìn)口段頂部曲線由橢圓曲線AB、直線段BC、及EF組成。通常BC段稍緩于EF段，壓板長度L應(yīng)滿足塔頂啟閉機(jī)的布置和閘門檢修的要求，可采用3～6m。

圖1 進(jìn)口段洞頂壓坡布置圖

4.1.2 平壓管

為了減小啟門力，往往要求檢修門在靜水中開啟。為此，應(yīng)設(shè)置平壓管。檢修工作結(jié)束后，在開啟檢修門之前，先打開平壓管的閥門，將水放進(jìn)兩道門之間，使檢修門兩側(cè)的水壓平衡，此時在靜水中開啟檢修門，可大大減小啟門力。平壓管的尺寸根據(jù)灌水時間、兩道門間的灌水空間及后一道門漏水量來確定。

4.2 洞身段

4.2.1 洞身斷面形式及尺寸

無壓洞多采用圓拱直墻形斷面，由于頂部為圓拱形，適宜于承受垂直圍巖壓力，且施工時便于開挖和襯砌。頂拱中心角一般在90°～180°。如圍巖條件較差還可用馬蹄形斷面。當(dāng)圍巖條件差，而且又有較大的地下水壓力時，可以考慮采用圓形斷面。有壓隧洞由于內(nèi)水壓力較大，從水流及受力條件考慮，一般用圓形斷面無壓隧洞斷面尺寸主要根據(jù)其泄流能力及洞內(nèi)水面線確定。對于表孔溢流式進(jìn)口，泄流能力按堰流計算；對于深式進(jìn)口，泄流能力可按管流計算。

洞內(nèi)水面曲線用能量方程分段求出。為保證洞內(nèi)無壓流狀態(tài)，水面以上應(yīng)有足夠的凈空。當(dāng)洞內(nèi)流速>15～20m/s時，應(yīng)考慮高速水流引起的摻氣和沖擊波影響。流速較低、通氣良好的隧洞，要求凈空≥洞身斷面面積的15%，其高度≥40cm；流速較高的隧洞，在摻氣升高的水面以上凈空面積一般為洞身斷面面積的15%～25%，沖擊波波峰高不應(yīng)超過城門洞形斷面的直墻范圍。

4.2.2 洞身襯砌

隧洞襯砌主要可分為以下幾種類型：平整襯砌、單層襯砌、噴錨襯砌、組合式襯砌、預(yù)應(yīng)力襯砌等。洞身襯砌類型的選擇，應(yīng)根據(jù)隧洞的任務(wù)、地質(zhì)條件、斷面尺寸、受力狀態(tài)、施工方法及運(yùn)行條件等因素，通過綜合分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

在混凝土及鋼筋混凝土襯砌中，一般設(shè)有施工縫和永久橫向變形縫。隧洞在穿過斷層、軟弱破碎帶以及和豎井交接處，或其它可能產(chǎn)生較大的相對變位時，襯砌需要加厚應(yīng)設(shè)置橫向變形縫。圍巖地質(zhì)條件比較均一的洞身段只設(shè)施工縫。根據(jù)澆筑能力和溫度收縮等因素確定沿洞線的分段長度，一般采用6～12m，底拱和邊拱、頂拱的環(huán)向縫不得錯開。

隧洞灌漿分為回填灌漿和固結(jié)灌漿2種。

隧洞應(yīng)設(shè)置排水設(shè)備以降低作用在襯砌外壁上的外水壓力。對于無壓隧洞襯砌，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，外水壓力為襯砌的主要荷載，對襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響很大。為此，可在洞底設(shè)縱向排水管通向下游，或在洞內(nèi)水面線以上，通過襯砌設(shè)置排水孔，將地下水直接引入洞內(nèi)，見圖2。排水孔間距、排距以及孔深一般為2～4m。

對有壓圓形隧洞，外水壓力一般不起控制作用，可不設(shè)置排水設(shè)備。當(dāng)外水位很高，外水壓力很大，可在襯砌底部外側(cè)設(shè)縱向排水管，通至下游，縱向排水管由無砂混凝土管或多孔缸瓦管做成。必要時，可沿洞軸線每隔6～8m，設(shè)一道環(huán)向排水槽，可用礫石鋪筑，將滲水匯入縱向排水管，見圖3。

4.3 出口段及消能設(shè)施

有壓隧洞的出口常設(shè)有工作閘門及啟閉機(jī)室，閘門前有漸變段，出口之后即為消能設(shè)施。無壓隧洞出口僅設(shè)有門框，其作用是防止洞臉及其以上巖石崩塌，并與擴(kuò)散消能設(shè)施的兩側(cè)邊墻相銜接。

泄水隧洞出口寬度小，單寬流量大，能量集中，所以常在出口處設(shè)置擴(kuò)散段，使水流擴(kuò)散，減小單寬流量，然后再以適當(dāng)形式消能。

泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能，其次是底流消能。近年來國內(nèi)也在研究和采用新的消能方式：如窄縫挑流消能和洞內(nèi)突擴(kuò)消能等。

圖2 無壓隧洞排水布置圖

圖3 有壓隧洞排水布置

5 結(jié) 語

隧洞進(jìn)出口設(shè)計應(yīng)遵循“早進(jìn)晚出”不刷坡或少刷坡原則；隧洞設(shè)計應(yīng)盡量向少維修及免維修方向發(fā)展；堅持復(fù)合式支護(hù)襯砌做為水工隧洞結(jié)構(gòu)體系；隧洞橫斷面應(yīng)不受傳統(tǒng)定型影響；隧洞結(jié)構(gòu)防水原則應(yīng)以堵為主，限排為輔；并加強(qiáng)施工超前地質(zhì)預(yù)報及設(shè)計代表工作。

[1]龍崗.淺談中小型水工隧洞的設(shè)計[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2006(06)：361.

[2]張海深，張培海.淺談水工隧洞灌漿施工技術(shù)[J].中國水運(yùn)：下半月，2009，09(06)：229-230.

[3]申士廣.淺談水利工程中壓力隧洞型式的研究[J].黑龍江科技信息，2013(21)：233.

1007-7596(2014)01-0114-03

2013-09-27

冉習(xí)(1980-)，男，貴州沿河人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作。

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