和川取水工程輸水線路比選及隧洞襯砌設(shè)計

李 霞

(臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西 臨汾 041000)

輸水工程建設(shè)可以改善水資源分布不均勻的現(xiàn)象，改善用水短缺問題[1- 3]。輸水工程建設(shè)跨越線路長，合理選擇輸水線路可節(jié)省工程投資，提高輸水效率[4- 6]。結(jié)合和川輸水工程對輸水線路選取及隧洞襯砌設(shè)計進行分析。

和川取水輸水工程位于馬房溝提水泵站上游17.5km處的沁河干流，壩型為混凝土重力壩，總庫容989萬m3。和川取水樞紐壩址下游15.8km處的右岸有一條較大支流李垣河匯入，李垣河流域面積141.5km2，常年有小溪流。和川取水樞紐至張峰水庫區(qū)間流域面積2337km2。和川取水輸水工程引水量0.59億m3。

1 輸水線路方案比選

輸水工程進口設(shè)進水塔，后接輸水干渠，擬選3個方案進行分析比較，確定經(jīng)濟合理的輸水線路。

1.1 方案一：隧洞輸水方案

干渠總長9.819km，由于輸水線路通過的地帶屬山區(qū)地貌，地形復(fù)雜，高差起伏較大，干渠自進水塔出口0+018起向東南1.022km過1#隧洞，設(shè)石渠渡槽，穿越下游沁河河道，然后轉(zhuǎn)向西南過2#隧洞，于樁號7+791處建李垣河渡槽，過李垣河，再轉(zhuǎn)向西南過3#隧洞，于樁號9+819處與已建成的草峪嶺隧洞進口相連。輸水線路沿途建筑物有1#、2#、3#隧洞、涵洞、石渠渡槽、李垣河渡槽等。

1.2 方案二：邊山明渠輸水方案

干渠總長12.7km，由于輸水線路通過的地帶屬山區(qū)地貌，地形復(fù)雜，高差起伏較大，干渠自進水塔出口0+018起向東南1.062km過1#隧洞，設(shè)石渠渡槽，穿越下游沁河河道，然后沿沁河岸邊設(shè)邊山明渠，于樁號9+584—10+719處設(shè)隧洞過關(guān)圣嶺，10+719—11+219設(shè)2#李垣河渡槽，過李垣河，11+219—12+225設(shè)邊山明渠，在蘋果園處設(shè)3#隧洞，于樁號12+700處與已建成的草峪嶺隧洞進口相連。輸水線路沿途建筑物有1#、2#、3#隧洞、1#、2#渡槽。

1.3 方案三：渡槽明渠輸水方案

線路總長14.215km，跨沁河架設(shè)渡槽，在沁河岸邊坡度較緩的一側(cè)設(shè)明渠，從0+018起向東南1.082km過1#隧洞，然后轉(zhuǎn)向南跨越下游沁河河道，設(shè)石渠渡槽1.400km，在渡槽出口沿沁河左岸設(shè)明渠，長1.25km，至灣里設(shè)2#渡槽跨越沁河河道，長0.4km，出口接沁河右岸邊山明渠，長1.08km，后設(shè)3#渡槽跨越沁河河道至小黃莊，渡槽出口依次為2#隧洞長0.38km、3#隧洞長1.05km，后沿沁河左岸設(shè)明渠至東莊轉(zhuǎn)向西北設(shè)4#渡槽跨越沁河河道，經(jīng)沿沁河右岸1.1km邊山明渠、0.565km 4#隧洞輸水至草峪嶺隧洞。

1.4 輸水線路方案比選

方案比選主要從線路長度、工程量及工程投資、施工條件等方面進行比較[7- 10]。

線路總體布置，方案一線路短而順直，方案二、方案三線路曲折且較長，方案二線路比方案一線路長2.881km，方案三線路比方案一線路長4.39km。

工程投資，三種方案的工程投資見表6—4，從表中可以看出方案一、方案二、方案三的工程投資分別為13340.38萬、14068.65萬、17986.12萬元，方案一最省，方案二次之，方案三最大。

施工條件，方案一以隧洞為主，設(shè)有3處支洞，施工條件簡單，施工干擾??；方案二工程以邊山明渠為主，地形高差大，巖體陡峭，開挖量大，施工困難較大。方案三工跨越沁河，渡槽施工相對困難。工程管理，方案一工程管理方便，方案二、三邊山渠道汛期洪水及泥沙匯入渠道，會造成渠道淤積影響過流。

綜上所述，方案一優(yōu)于方案二、方案三，因此推薦選用方案一隧洞輸水方案。

2 隧洞設(shè)計

為節(jié)省工程量，縮短線路，沿線布置隧洞3座，總長8389m，設(shè)計流量17m3/s，設(shè)計縱坡1/1000、1/530、1/520，均為無壓洞，其中1#隧洞樁號0+018—1+040，長1022m，洞軸線方向SE5.52°，進口底高程885.0m，出口底高程883.98m，最大埋深111m。2#隧洞樁號1+897—7+769長5872m，洞軸線方向SW7.80°、11.04°，進口底高程882.57m，出口底高程871.27m，最大埋深132m。3#隧洞樁號8+221—9+716，長1495m，洞軸線方向SW7.98°，進口底高程870.37m，出口底高程867.54m，最大埋深83m。隧洞橫斷面型式采用圓拱直墻式，二次襯砌后凈寬3.4m、3.2m，頂拱為平拱，圓心角121.86°、117.43°，拱矢高1.0m、0.9m，隧洞凈高3.8m、3.5m，為改善底板應(yīng)力條件，在底板與直墻拐角處設(shè)圓角，半徑0.475m。

2.1 斷面襯砌設(shè)計

隧洞主要穿過二疊系巖層、三疊系巖層，巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，按洞身巖性劃分為3個巖組，分別屬于3個圍巖類別：

(1)砂巖與砂質(zhì)泥巖、頁巖、泥巖互層，Ⅲ類；長2756m。

(2)砂質(zhì)泥巖，砂巖Ⅳ類；長4520m。

(3)進、出口段風(fēng)化較強烈段，Ⅴ類，長1113m。

1#、2#、3#隧洞按洞身圍巖類別分段長度見表1。

表1 隧洞洞身圍巖類別分段長度表

根據(jù)不同類的圍巖采用相應(yīng)的的襯砌形式，分為A型、B型、C型3種類型，適應(yīng)于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。類比與本洞類似條件的已建成的臨汾草峪嶺隧洞的支護參數(shù)，所得支護參數(shù)見表2。

表2 隧洞支護參數(shù)表

在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和緊跟開挖面地質(zhì)詳勘的結(jié)果，修正初期支護類型和參數(shù)。

2.2 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算

2.2.1計算參數(shù)

根據(jù)巖體的完整性及巖石力學(xué)室內(nèi)試驗及參考有關(guān)工程試驗資料，分析擬定洞室圍巖物理力學(xué)指標見表3—4。

表3 1#洞室圍巖物理力學(xué)指標采用值

表4 2#、3#洞室圍巖物理力學(xué)指標采用值

2.2.2隧洞襯砌計算

(1)荷載及荷載組合

圍巖壓力采用下式計算：

圖1 2#、3#隧洞典型襯砌斷面

圖2 1#隧洞典型襯砌斷面

垂直方向qv=(0.2～0.3)γrB

(1)

水平方向qh=(0.05～0.10)γrH

(2)

式中，qv、qh—垂直、水平均布圍巖壓力；γr—巖體重度；B、H—隧洞開挖寬度、高度。

圍巖壓力計算值見表5。

表5 山巖壓力計算值

1#洞位于地下水位以上，不考慮外水壓力，2#、3#洞外水壓力值按下式計算。

Pe=βeγwHe

(3)

式中，Pe—作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力，；βe—外水壓力折減系數(shù)，取0.3m；γw—水的重度；He—地下水位線至隧洞中心的作用水頭，m。襯砌自重按容重γ=24kN/m3。

荷載組合計以下3種：

A：襯砌自重+山巖壓力

B：襯砌自重+山巖壓力+內(nèi)水壓力

C：襯砌自重+山巖壓力+外水壓力

(2)襯砌指標

混凝土力學(xué)指標如下：

軸心抗壓強度：C20:fc=10MPa；

C25:fc=12.5MPa。

抗拉強度：C20:ft=1.1MPa；

C25:fc=1.3MPa

彈性模量：C20:E=2.55×104MPa；

C25:E=2.8×104MPa。

(3)計算結(jié)果與分析

襯砌內(nèi)力計算結(jié)果見表6。

襯砌邊緣應(yīng)力應(yīng)滿足下列要求：

拉應(yīng)力δ拉≤γft/K

壓應(yīng)力δ壓≤fc/K

式中，K—安全系數(shù)；γ—截面抵抗矩的塑性指數(shù)，矩形斷面γ=1.55；計算得C20δ拉≤0.68MPa，δ壓≤6.25MPa；C25δ拉≤0.81MPa，δ壓≤7.81MPa。

由計算結(jié)果可知，Ⅲ類圍巖，最大拉應(yīng)力1.29MPa，Ⅳ類圍巖中計算所得最大拉應(yīng)力1.33MPa，Ⅴ類圍巖中計算所得最大拉應(yīng)力1.41MPa，雖然超出了允許拉應(yīng)力值，但由于沒考慮初期支護按“新奧法”施工，且增加了鋼筋網(wǎng)、錨桿等支護措施所以其支護參數(shù)認為還是滿足要求的。

2.3 伸縮止水縫，沉陷止水縫布置

隧洞運行中，洞身內(nèi)部氣溫變化不大，二次襯砌僅于進、出口各200m范圍內(nèi)設(shè)置環(huán)向伸縮止水縫，間距為10m，此外，在地質(zhì)條件明顯變化處，如較大的斷層破碎帶，不整合接觸帶，軟、硬巖石的接合面等部位的兩端以及斜井主洞交合處，洞門與進出口暗渠接合處，都需設(shè)置環(huán)向沉陷止水縫，以適應(yīng)沉陷變位。一般止水沉陷縫均設(shè)在C型襯砌中，止水材料采用651型橡膠止水帶。

二次混凝土襯砌中的縱向施工縫，縫的接觸面必須進行鑿毛沖洗處理，因澆注砼襯砌設(shè)置的環(huán)向施工縫，頂拱和側(cè)墻的縫不得錯開，縫面也必須進行鑿毛沖洗處理，后填筑同標號水泥砂漿。

2.4 與施工支洞交叉段的主洞襯砌設(shè)計

支洞的布置采用正交雙聯(lián)式，以適用大運輸量，且雙向運輸，調(diào)車方便的需要。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在與主洞交叉處，為三條洞交叉成三角形，也使得該處不能完全按主洞的支護方式進行。

采用類比設(shè)計，以該處最大跨度為基準，查表選取支護參數(shù)?？紤]到三角地帶巖柱較小，適當(dāng)加大了支護參數(shù)，支洞與主洞交叉支護參數(shù)見表6。

表6 支洞與主洞交叉處支護參數(shù)表

2.5 預(yù)留圍巖變形量設(shè)計

在不同巖體，不同埋深條件下，隧洞圍巖的變形量是不同的，在設(shè)計隧洞的開挖斷面尺寸時，應(yīng)預(yù)留變形空間。本次取水工程隧洞與已建成的草嶺隧洞相距較近，參照已建成草峪嶺隧洞工程位移資料，初擬設(shè)計(開挖)斷面預(yù)留圍巖變形量如下：

Ⅲ類圍巖(A型襯砌斷面)每側(cè)5cm；

Ⅳ類圍巖(B型襯砌斷面)每側(cè)5cm；

Ⅴ類圍巖(C型襯砌斷面)每側(cè)10cm。

施工時必須根據(jù)施工量測結(jié)果和計算分析，及時修正預(yù)留圍巖變形量值，以保證隧洞的設(shè)計斷面尺寸。

3 結(jié)語

以和川輸水工程為例，選取3種輸水線路方案比選，選取隧洞輸水方案具有管理難度低、施工難度、工程投資等多個方面進行分析。通過室內(nèi)試驗獲取不同等級圍巖力學(xué)參數(shù)為隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。通過復(fù)核分析隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全及預(yù)留變形量滿足要求，可為類似工程提供參考。