盤道嶺隧洞除險加固工程糙率原型觀測及過流能力分析

胡普年

（甘肅省引大入秦工程管理局，蘭州 730000）

1 工程背景

盤道嶺隧洞全長約15.723 km，是甘肅省引大入秦工程總干渠中最長的無壓引水隧洞，也是引大入秦工程總干渠的“咽喉”工程。由于該隧洞位于軟-極軟巖地層和少量的第四系地層中，地層巖性復(fù)雜，地質(zhì)條件惡劣，通水運行23 a來，經(jīng)過幾次加固處理，洞內(nèi)仍存在多處安全隱患，部分洞段存在裂縫、表面混凝土剝蝕、地下水外滲等病害缺陷，嚴(yán)重影響了隧洞結(jié)構(gòu)安全和耐久性。2013年9月—2014年12月針對盤道嶺隧洞的突出病害問題實施了盤道嶺隧洞除險加固項目，采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土襯砌加固，襯砌內(nèi)斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸3.7 m×3.9 m（寬×高），頂弧半徑1.85 m，側(cè)墻圓弧半徑5.55 m，底板圓弧半徑5.55 m，最小襯砌厚度為0.25 m。為降低糙率滿足過流要求，洞內(nèi)迎水面混凝土澆筑采用鋼模臺車一次現(xiàn)澆成型的施工工藝和塑料板護壁。

2 研究目的和意義

糙率n是水流經(jīng)過不同邊界條件所受阻力的綜合系數(shù)，與過流建筑物表面的粗糙度和邊壁形狀密切相關(guān)，是長距離輸水工程的重要設(shè)計指標(biāo)，直接影響著工程投資。長距離輸水工程流線長，各段的襯砌表面粗糙程度、渠道坡降、斷面形狀、河道形狀、植被覆蓋情況、淤積情況以及渠系建筑物的施工質(zhì)量、養(yǎng)護條件、使用年限等均存在較大差異，簡單照搬以往的經(jīng)典計算公式得出的結(jié)果會與實際存在較大偏差，因此，糙率成為了輸水工程投資控制的關(guān)鍵因素。南水北調(diào)中線工程的北京干線經(jīng)評估，糙率n每降低0.001，就會使工程包括泵站的投資減少數(shù)億元；甘肅省引洮一期工程糙率由0.014 5降為0.014 0后，總長度57 891 m的隧洞采用爆破法施工，總計估算減少投資1 270萬元。

對于盤道嶺隧洞加固工程，一方面隧洞洞壁襯砌加固減小了過水?dāng)嗝婷娣e，進而減小了泄流能力；另一方面施工方式選擇和混凝土澆筑技術(shù)水平提高可降低洞壁糙率，增大泄流能力。為降低工程造價，本工程采用鋼模臺車襯砌等新技術(shù)，擬通過減小洞壁粗糙度減小糙率，彌補過水?dāng)嗝婷娣e減小對過流能力的影響。為判定加固后的渠系建筑物能否滿足過流能力的設(shè)計要求，對盤道嶺隧洞加固工程的糙率進行了原型觀測，以確定襯砌加固后各渠系建筑物的平均糙率。觀測成果可為類似引調(diào)水工程優(yōu)化設(shè)計、節(jié)約工程投資提供科學(xué)依據(jù)。

3 糙率原型觀測方法

3.1 糙率觀測的理論依據(jù)及主要觀測參數(shù)

式中：Q為流量（m3／s）；A為過流面積（m2）；R為水力半徑（m）；i為底坡。這些參數(shù)中，底坡i為定值，過流面積A和水力半徑R需由水位計算得出，因此，糙率原型觀測成果可靠、準(zhǔn)確的關(guān)鍵是流速V與觀測段水位H的準(zhǔn)確量測。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)的測量方法及測點布置

盤道嶺隧洞段無支流匯入，因流量變化緩慢，忽略間滯效應(yīng)，同一時間各測點的流量可視為一致。為便于觀測，本次原型觀測選擇了在盤道嶺隧洞進口前疙瘩溝矩形明渠段（樁號62+170）布設(shè)測流斷面。采用L25-3C型螺旋槳式流速儀進行流速測量；采用XD-2206-US型一體化超聲波遙測水位計實時測量、記錄不同時間的水位；采用流速-面積法可計算得出不同時間的過水流量，并可率定繪制出該測流斷面的水位-流量關(guān)系曲線，供其他斷面推算流量使用。其他測點則只需同步測量水位即可。流速、水位測點布置見表1。

4 糙率原型觀測及分析

4.1 糙率觀測結(jié)果

依據(jù)原始數(shù)據(jù)，水流從測點1到測點4時間約為101 min。其中：從測點1到測點2時間約為11min；從測點2到測點3時間約為6 min；從測點3到測點4時間約為84 min。在計算中，分別取各測點測流流量對應(yīng)時間點前后2 h數(shù)據(jù)的平均值作為計算水位。本文從2015年11月21日—2016年10月20日近1 a的原型觀測資料中摘取了9個時間段的觀測資料進行分析。

表1 測點布置Table 1 Location of measuring points

隧洞進口前疙瘩溝矩形明渠段流量觀測斷面（62+170）的水位-流量關(guān)系見圖1。各測點的相關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)合各測點斷面的形狀參數(shù)可計算得出的各測點斷面糙率見表2。

圖1 測流斷面（62+170）的水位-流量關(guān)系曲線Fig．1 Stage-discharge relation at cross section（62+170）

4.2 糙率觀測結(jié)果的合理性分析

4.2.1 隧洞進口前渠道段

疙瘩溝矩形渠段（62+170）測點斷面的平均糙率為0.013 07。依據(jù)清華大學(xué)王光謙院士等［1］在“南水北調(diào)中線工程總干渠糙率綜合論證”中提出的不同邊界條件渠道糙率基準(zhǔn)值，如表3所示，隧洞進口前渠道段為混凝土襯砌較好的渠道，可取一般值0.013，觀測的平均糙率是合理的。

表3 渠道糙率基準(zhǔn)值Table 3 Reference values of roughness coefficient of channel

4.2.2 隧洞進口未加固段

隧洞進口未加固段中部（63+755）測點斷面的平均糙率為0.015 49。依據(jù)呂宏興等［2-3］、吳思［4］的糙率模型試驗研究成果，PVC板材的等效粗糙度為0.015 mm，粘貼1～2，2～3，3～5 mm粒徑的沙子后等效粗糙度Δ分別為1.5，2.5，4.0 mm。在PVC壁面粘貼粒徑1～2 mm（等效粗糙度Δ為1.5 mm）沙子后的糙率為0.012 9左右；在PVC壁面粘貼粒徑2～3 mm（等效粗糙度Δ為2.5 mm）的沙子后糙率為0.016 5左右。如表4，在相同邊壁、相同坡度條件下，糙率隨流量增大而減小，該段洞壁采用傳統(tǒng)的小模板襯砌施工，結(jié)合部存在一定的凸起度。運行多年后，雖然未出現(xiàn)裂縫，但表面混凝土多處出現(xiàn)輕度剝蝕，并掛滿泥苔，增大表面的粗糙度，其平均糙率為0.015 5，介于0.012 9～0.016 5之間，驗證了上述研究成果。

4.2.3 隧洞已加固段

隧洞已加固段在進出口各布置了1個測點斷面。隧洞進口已加固段中部（64+630）的平均糙率為0.011 16；隧洞出口已加固段中部（77+550）的平均糙率為0.010 52，進口段糙率略大于出口段。

表2 各測點斷面糙率測定值Table 2 Measured values of roughness at observation sections

隧洞洞壁不同襯砌施工方法的糙率原型觀測統(tǒng)計見表5。

盤道嶺隧洞除險加固采取鋼模臺車在原隧洞內(nèi)套襯鋼筋混凝土，雖然過流斷面面積有所減小，但混凝土表面平整、光滑，無冷縫和錯臺產(chǎn)生，表面粗糙度接近于PVC板材表面的粗糙度（PVC板材表面糙率一般為0.008），小于粘貼1～2 mm的沙子的表面粗糙度。襯砌后的洞壁效果見圖2。

圖2 襯砌后的洞壁效果Fig．2 Tunnel wall after lining

盤道嶺隧洞加固段底坡在0.714‰～1.000‰之間，計算可知，其雷諾數(shù) Re＞2 000，屬于紊流，弗勞德數(shù)Fr＜1，屬于緩流。以往研究表明［5-7］：流量相同時，急流渠道的渠道糙率隨底坡變化速率較慢，趨于某一常數(shù)；而在緩流渠道中，渠道糙率底坡變化速率則很快，糙率隨底坡減小而逐漸減小。隧洞進口加固段設(shè)計底坡為1.000‰，出口加固段八標(biāo)段設(shè)計底坡0.714‰，其相應(yīng)糙率分別為0.011 16和0.010 52，進口加固段糙率略大于出口加固段，進一步應(yīng)證了上述規(guī)律。因此，觀測成果是合理的。

5 盤道嶺隧道過流能力分析

5.1 不同水深條件下過水?dāng)嗝鎯?nèi)的流量計算

綜合考慮盤道嶺隧洞各段的襯砌表面粗糙程度、渠道坡降、斷面形狀、河道形狀、植被覆蓋情況、淤積情況以及渠系建筑物的施工質(zhì)量、養(yǎng)護條件、使用年限等因素，結(jié)合觀測成果，隧道過流能力選取糙率n為0.011 2進行計算分析。計算表明：在隧洞水面凈空高度為0.86 m（設(shè)計最小值）時，水深為3.04 m，相應(yīng)流量為32.02 m3／s，大于隧洞設(shè)計流量（30.00 m3／s），滿足過流能力要求。

5.2 流量-水位原型觀測值分析

在盤道嶺隧洞原型觀測階段，于2016年10月20日 10：30—11：20，在測點 1（疙瘩溝矩形渠段）觀測到的最大流量為30.18 m3／s；水流流至測點3（隧洞進口已加固段中部）的時間約17 min，相應(yīng)時間長度內(nèi)測點3觀測到的水深為2.78 m，隧洞水面凈空高度1.12 m；水流流至測點4（隧洞出口已加固段中部）的時間約100 min，相應(yīng)時間長度內(nèi)測點4觀測到的水深為2.68 m，隧洞水面凈空高度1.22 m。觀測研究結(jié)果表明：襯砌后的隧洞過流能力能夠滿足設(shè)計要求（30.00 m3／s）。

6 結(jié) 論

（1）引大入秦工程盤道嶺隧洞的原型觀測表明：疙瘩溝矩形明渠段、盤道嶺隧洞未加固段、隧洞進口已加固段、隧洞出口已加固段的平均糙率分別為0.013 07，0.015 49，0.011 16，0.010 52，經(jīng)分析論證，觀測結(jié)果是合理的。其中，加固段的糙率小于設(shè)計糙率（0.012 0，減糙后）。

（2）利用觀測糙率，對盤道嶺隧洞過流能力計算分析可知，在隧洞水面凈空高度設(shè)計最小值0.86 m時，過水流量可達到32.02 m3／s。原型實測數(shù)據(jù)表明：在流量為30.18 m3／s時，隧洞進口已加固段中部水深為2.78 m、隧洞水面凈空高度1.12 m；隧洞出口已加固段中部水深為2.68 m、隧洞水面凈空高度1.22 m?？梢?，盤道嶺隧洞經(jīng)除險加固后，在水面凈空高度為設(shè)計最小值0.86 m時，其過流能力大于設(shè)計值30.00 m3／s，能夠滿足設(shè)計要求。

表5 糙率原型觀測統(tǒng)計Table 5 Statistics of prototype observation of roughness

（3）盤道嶺隧洞除險加固工程，依據(jù)原型觀測成果優(yōu)化了加固設(shè)計，取消了粘貼塑料板降低隧洞洞壁糙率措施，直接節(jié)約投資1 200萬元。引調(diào)水工程是我國水資源配置的手段，上述糙率原型觀測手段及成果對于相似工程設(shè)計施工具有重要的推廣應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)價值。