白家村長(zhǎng)距離馬蹄形輸水隧洞設(shè)計(jì)

趙庚賢

摘 要：西部山區(qū)引水工程輸水距離長(zhǎng)，地形復(fù)雜，確保隧洞水流順暢顯得尤為重要。本文以寧夏白家村長(zhǎng)距離無壓輸水隧洞為例，對(duì)隧洞進(jìn)行了斷面設(shè)計(jì)和水面銜接分析，校核了隧洞過流能力及洞身凈空要求，可為相關(guān)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：無壓隧洞;水面銜接;水面線

中圖分類號(hào)：TV732+.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The water diversion project in the western mountainous area has the characteristics of long distance of water conveyance and complicated topography，so it is particularly important to ensure the smooth flow of tunnel water.Taking Baijiacun long-distance unconfined water conveyance tunnel in Ningxia as an example，this paper carries out cross-section design and water surface connection analysis of the tunnel，checks the capacity of the tunnel and the requirement of clearance of the tunnel body，which can provide some reference for relevant design.

Key words：pressure free tunnel;water interface;water surface line

引水隧洞是水利水電樞紐工程中的重要建筑物之一，在巖體或土層中開挖而成，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其斷面尺寸。[3]國內(nèi)常用洞身斷面有圓形、方形、蛋形、城門洞形或馬蹄形等。西部山區(qū)引水工程輸水距離長(zhǎng)，地形復(fù)雜，平均比降大。因此，做好消能防沖等水面銜接設(shè)計(jì)，確保隧洞水流順暢顯得尤為重要。本文以白家村隧洞為例，對(duì)隧洞進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，水面銜接分析。

1 工程概況

從六盤山東麓雨量較多、水量相對(duì)較豐沛的涇河源流區(qū)引水，為干旱缺水的寧夏中南部地區(qū)即固原市的原州區(qū)和彭陽縣、西吉縣以及中衛(wèi)市海原縣共計(jì)113.53萬城鎮(zhèn)居民生活和農(nóng)村人畜飲水安全提供水源保證，是寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程的建設(shè)任務(wù)。白家村隧洞是此建設(shè)任務(wù)中水源工程輸水線路的關(guān)鍵建筑物之一。

2 隧洞地質(zhì)條件

白家村隧洞圍巖主要為白堊系泥巖夾泥灰?guī)r，巖石強(qiáng)度較低為軟巖、極軟巖，易軟化、崩解和風(fēng)化，物理風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈，圍巖條件總體較差。洞長(zhǎng)5211m，其中Ⅴ類圍巖長(zhǎng)度555m，約占總長(zhǎng)的10.65%;Ⅳ類為主圍巖長(zhǎng)度4656m，約占總長(zhǎng)的89.35%。圍巖重度23KN/m3，彈抗系數(shù)200.0MN/m3。隧洞發(fā)育破碎帶4處，斷層帶2處。隧洞埋深為15～316m，平均埋深為120m，埋深較大。地下水位埋深1.88～20.8m，洞頂以上地下水位高度約10.0～115m，總體上隨地形變化。外水壓力折減系數(shù)大部分段落在0.2～0.4，個(gè)別段落在0.3～0.9。

3 隧洞斷面設(shè)計(jì)

隧洞斷面采用馬蹄型斷面，底拱弦長(zhǎng)1.80m，側(cè)拱半徑3505m，圓心角21.77°;頂拱半徑1.15m，圓心角180°;最大凈高245m，最大凈寬2.30m。設(shè)計(jì)水深1.48m。隧洞比降為i=1/2750，隧洞進(jìn)口處的水位為1902.919m，出口處水位為1901024m。白家村隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面見左圖。

4 隧洞進(jìn)口與管道聯(lián)接

隧洞進(jìn)口接上段管道出口，管道為一排布置，采用鋼管，管徑DN2000，管中心線高程1900.32m。為使有壓管道出管水流與無壓隧洞內(nèi)水流平順連接，在上游管道出口與隧洞進(jìn)口之間設(shè)消力池、漸變連接段銜接。

消力池為矩形斷面，出水管道呈水平布置，池底比管底低05m，池凈寬3.0m，長(zhǎng)11.2m，其中水平段長(zhǎng)8.7m，1∶1坡度連接段長(zhǎng)2.5m。消力池頂板與隧洞拱頂一致，以此確定池凈高5.0m。

漸變連接段總長(zhǎng)10m，其中前段為長(zhǎng)3.0m水平直段，底寬3.0m，凈高2.5m;后段為長(zhǎng)7.0m漸變段，底寬由3.0m漸變?yōu)?8m，底板與隧洞進(jìn)口同高，頂板與隧洞拱頂一致，凈高2.45m。

為保證隧洞為無壓輸水狀態(tài)，在隧洞進(jìn)口消力池前端設(shè)DN200PVC溢流管，管中心高程為1903.12m（消力池內(nèi)設(shè)計(jì)水位以上21cm）。

在隧洞進(jìn)口消力池段設(shè)進(jìn)人孔，漸變段頂板上設(shè)置DN300的鋼管作為通氣補(bǔ)氣孔。

5 隧洞出口與管道聯(lián)接

無壓隧洞出口接下段有壓管道進(jìn)口，管道為一排布置，采用DN2000鋼管聯(lián)接，管中心線高程1894.47m。為使無壓隧洞水流與下游有壓管道內(nèi)水流平順連接，在隧洞出口與下游管道進(jìn)口之間漸變連接段、消力池銜接。

漸變連接段總長(zhǎng)10m，其中前段為長(zhǎng)7.0m漸變段，底寬由1.8m漸變?yōu)?.0m，底板與隧洞出口同高，頂板與隧洞拱頂一致，凈高2.45m;后段為長(zhǎng)3.0m水平直段，底寬3.0m，凈高2.5m。

消力池深度按照確保管道在最小流量（0.5m3/s）下下游管道仍為有壓淹沒出流進(jìn)行布置。消力池為矩形斷面，出水管道呈水平布置，池底比管底低0.3m，池凈寬3.0m，池長(zhǎng)19.2m，其中1：2坡度連接段長(zhǎng)12.5m，水平段長(zhǎng)6.7m。下游管道進(jìn)口最低水位按淹沒管頂不小于2.0m控制，最高水位以上至頂板的凈空高度按不小于0.5m控制，經(jīng)計(jì)算消力池內(nèi)管道進(jìn)口最小流量時(shí)對(duì)應(yīng)最低水位下淹沒管頂3.99m，滿足下游管道為有壓淹沒出流要求，頂板與隧洞拱頂一致，以此確定池凈高8.75m。

6 隧洞水力計(jì)算

6.1 水力要素計(jì)算

7 結(jié)語

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程自2016年10月正式通水以來，原州區(qū)、彭陽縣、西吉縣、海原縣4縣區(qū)，44個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)603個(gè)行政村113.53萬城鄉(xiāng)居民飲水安全問題得到根本解決。從白家村隧洞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，隧洞各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)符合預(yù)期，可見隧洞水力設(shè)計(jì)非常合理，對(duì)后續(xù)類似項(xiàng)目有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL279-2016，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]李煒.水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]楊淘，陳新，岳克棟，等.引水式小水電站隧洞設(shè)計(jì)方案優(yōu)選系統(tǒng)及應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2013，31（10）：109-112，155.

[4]洪開榮.我國隧道及地下工程近兩年的發(fā)展及展望[J].隧道建設(shè)，2017，37（2）：123.