基于水工隧洞安全的若干思考

郑州大学水利与环境学院 赵亚永 安玉锁 赵 旭

随着水利水电建设的日益发展，人们在设计理论、施工方法和新型结构上取得的进展使得水工隧洞的建设更趋合理、安全。由于水工隧洞为地下工程，地质条件的复杂性和多变性及勘探深度的限制使得水工隧洞沿线的地质状况很难查明。因此，合理慎重地选择水工隧洞轴线对隧洞的安全至关重要。另外，水工隧洞的安全性与洞内水力学条件也直接相关，影响水工隧洞安全的因素不仅对隧洞本身构成威胁，同时对大坝的安全构成了很大的挑战。山西省洪洞县曲亭水库坝体发生坍塌，水库内近1 800万m3水排出库区，造成水库下游3个乡镇19个村庄约1 万人受灾，同时导致南同蒲铁路和108 国道交通中断，给国民经济带来了巨大的损失。经过初步调查，曲亭水库坝体坍塌原因为水库灌溉输水洞洞顶垮塌，导致下游坝体出现管涌，最终致大坝在涵管处坍塌过水。近年来，此类由于水工隧洞造成的水利工程事故屡次发生。水工隧洞的安全及合理运行与养护日益成为人们关注的焦点。

一、水工隧洞的主要结构

水工隧洞是指为满足水利水电枢纽综合利用水资源的要求，在地层中开凿的一种水流通道，可以用以泄放洪水、放空水库、灌溉发电等。按隧洞正常工作时洞内水流状态可将水工隧洞分为有压隧洞和无压隧洞。水工隧洞一般由进口建筑物、洞身段、出口建筑物3大部分构成。水工隧洞的进口建筑物包括拦污栅、进水喇叭口、平压管和渐变段等几个部分，其常用的结构形式有塔式、竖井式、岸塔式和斜坡式。水工隧洞洞身段类型主要与断面形式与尺寸有关，一般情况下，影响其断面形式的因素主要有隧洞的用途、水力条件等因素。通常情况下，有压隧洞采用圆形断面。隧洞的出口建筑物视洞内水压不同而不同，有压隧洞出口常设有工作闸门及启闭室，闸门前设有渐变段，出口之后设有消能设施。相对于有压隧洞，无压隧洞的出口建筑物较为简单，一般情况下，只在出口洞顶加设一道门框墙用以防止上部岩石坍塌。

二、水工隧洞的轴线布置

合理布置水工隧洞轴线不仅影响到水利工程的造价与工程施工等，而且其对隧洞的可靠度影响较大。由于水工隧洞结构和工作条件的特殊性，影响其轴线选择的因素主要有地质、地形、水文和枢纽布置等。在水利工程施工中，隧洞的轴线选择要尽量避开不利的岩层和地下水较多的地段，以减小衬砌上的山岩压力和外水压力作用，方便施工。水工隧洞开挖阶段进出口处易出现塌方，并且在其正常运行期间也易受震而破坏，因此，水工隧洞的进出口应布置在地质条件有利于隧洞洞口安全的地段。水库蓄水后边坡应力发生变化，使得边坡更易下滑坍塌，因此隧洞进出口的边坡稳定问题对隧洞的安全运行也极为重要。

考虑到工程费用和水头损失等因素，隧洞的线路布置应尽可能的短而直。用于泄洪和其他用途的隧洞内水流速度较高，隧洞的布置应尽量使进出流平顺，使洞内水流具有良好的水流条件，并且还要防止水流对水工建筑物的冲刷，进而避免不利后果。

在早期的低水头隧洞的设计中，“一洞多用”被广泛应用，如在20世纪中期兴建的西大洋、大伙房、南湾、岗南等水电站采用的是发电洞与泄洪洞结合的布置形式。另外还有将发电、灌溉或灌溉、泄洪等“二洞合一”的形式。这种布置形式虽然简化了枢纽的布置，节省工程造价。然而，随着水利建设的发展，水库的设计水头和工作水头都在不断地提高，各种用途的隧洞对特定功能要求越来越显著，“多洞合一”式的隧洞与其功能要求之间的矛盾日益突出，因此，对大中型水利工程，不再使用隧洞结合的布置形式。

三、水工隧洞的安全运行

水利水电建设的发展促使大坝越建越高，因而隧洞运行时洞内的水流速度越来越大，高速的水流对隧洞的安全是不利的，这是因为高速的水流容易引起隧洞中最常见的形式——空蚀破坏。如位于黄河干流的刘家峡水电站，其右岸的导流泄洪洞由于空蚀作用而产生了严重的破坏区。空蚀破坏可以使隧洞内混凝土表层形成空蚀坑，其有时会与高速水流的冲蚀破坏合成一体，造成巨大的冲坑、冲槽。甚至一直淘至岩基，如处理不及时容易促成较大的工程事故。

为了防止空蚀破坏给隧洞的安全造成安全威胁，找出水工隧洞内易发生空蚀破坏的部位进行着重改善是防空蚀破坏的有效措施之一。经过多年的实践证明，水工隧洞的进口、闸门槽以及水流边壁突变部位都是空蚀破坏的易发区。为此，可以通过模型试验优化易空蚀段结构，使水流边界水流平顺，从而避免有害的水流流态，减少相应部位的空蚀破坏。设置掺气设施也可以保护洞壁表面进而避免空蚀破坏。水流掺气以后，水流中携带较多的空气泡，减小负压的绝对值，水流空化数相应提高，因而延缓或阻止空化的发生。除了优化水工隧洞的结构和掺气外，提高混凝土的抗蚀能力及控制混凝土表面的不平整度也是防止空蚀破坏的有效措施。

水工隧洞运行时某些洞段出现压力状态交替改变的状况也较为常见，此时，洞内水流容易出现对隧洞较为复杂的水力学条件，如震动、磨损等。其不仅影响隧洞的过水能力和洞壁的受力状态，还会对隧洞及其周围的建筑物带来不利影响，甚至威胁工程和人身安全。因此水工隧洞设计规范明确规定:对导流洞，在不致造成洞身破坏时允许明满流交替，对低速水工隧洞允许在校核水位时出现明满流交替状态，其他隧洞其他条件下均不允许出现明满流交替状态。

四、结论

影响水工隧洞安全及安全运行的因素众多，因此在其设计和运营管理中应综合考虑多方面因素。针对不同的隧洞破坏形式应深入研究其破坏机理，为水利工程建设提供理论依据。