对水工隧洞设计的分析

冉 习

(黔南州水利水电勘测设计院，贵州 都匀 558000)

对水工隧洞设计的分析

冉 习

(黔南州水利水电勘测设计院，贵州 都匀 558000)

水工隧洞是以输水为目的，在岩、土体中通过开挖形成的隧洞，不包括埋管和回填管。水工隧洞可按不同原则分类。在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量一洞多用，以降低工程造价。如导流洞与永久隧洞相结合，泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。

水工；隧洞设计；构造设计；灌浆设计

0 引 言

在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等任务而设置的隧洞称为水工隧洞。水工隧洞按洞内水流状态分为有压洞和无压洞。一般隧洞可设成有压，也可设成无压，或设成前段有压而后段无压。但在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止不利流态。

1 水工隧洞的线路选择

主要包括4个方面的内容：

1.1 地质条件

隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整坚硬的地区，尽量避开不利地质构造，尽量避开地下水位高、渗水严重地段，以减少隧洞衬砌上的外水压力。洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角。在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度≥3倍洞径。

根据以往工程经验，对于围岩坚硬完整无不利构造的岩体，有压隧洞的最小覆盖厚度≥0.4H(H为压力水头)，如不加衬砌，则应≥1.0H。

在隧洞进、出口处，围岩厚度往往较薄，应根据地质、施工、结构等因素综合分析确定，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度≥1倍的洞径或洞宽[1]。

1.2 地形条件

洞线应尽量短直，如因地形、地质、等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径≥5倍洞径或洞宽，转弯转角≤60°，弯道两端的直线段长度也≥5倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞设弯道时，最好通过试验确定。

1.3 水流条件

隧洞进口应力求水流顺畅，出口水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。

1.4 施工条件

洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。设置曲线时，其弯曲半径应考虑施工所要求的转弯半径[2]。对于长洞，应利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖井。以便进料、出渣和通风，改善施工条件，加快施工进度。此外，洞线选择应满足总体布置和运行要求，避免对其它建筑物的干扰。

2 构造设计

构造设计包括3个方面：

2.1 结构分缝、分块设计

泄洪隧洞洞身与进口段、出口消能工段，应设伸缩缝；洞身段地质条件有明显变化处(如通过较大断层、软弱破碎带等)，应设伸缩缝；围岩地质条件均一的洞身段，只设施工缝。洞身段环向施工缝，底拱、边墙和顶拱不得错开；浇筑块长度一般6～12m。无防渗要求的无压洞衬砌，环向施工缝钢筋可不穿过缝面，混凝土可不凿毛处理。有压洞和有防渗要求的无压隧洞，衬砌的环向施工缝面必须凿毛，钢筋应穿过缝面，相邻块混凝土浇筑间歇期应在14d以上。当先浇顶拱时，应做好反缝结构设计，使边墙混凝土和顶拱混凝土紧密结合。

2.2 止水设计

无防渗要求的无压洞衬砌的环向施工缝可不设止水；对有防渗要求的无压洞(水面线以下)和有压隧洞，应设止水铜片或止水带[3]。

2.3 排水设计

泄洪洞进、出口边坡应设置地表排水沟、渠，以排除地面水和岸坡渗水。无压洞水面线以上设排水孔，以排除山体水，减小外水压力。出口消能反弧段可设排水设施，排除泄流后反弧段积水，以利于检查、维修的交通。

3 灌浆设计

3.1 回填灌浆设计

隧洞衬砌结束后，在顶拱90°～120°范围内进行回填灌浆，灌浆压力一般为0.2～0.5MPa，孔、排距4～6m，以水泥砂浆或水灰比0.6～0.5浆液回填，粉煤灰掺量为水泥重的50%～100%。对有压隧洞的回填灌浆，粉煤灰品质应达到一、二级标准。

3.2 固结灌浆设计

根据结构设计原则及对围岩处理要求，确定固结灌浆洞段及参数，一般情况下对围岩地质条件差或有特殊要求的洞段，应进行固结灌浆。洞身段需固结灌浆时，每排≥6孔，对称布置，排距2～3m，压力0.5～1.0MPa。进、出口部位一倍洞径(或洞宽)范围内，必须进行固结灌浆，孔、排距2～3m，压力0.5～0.8MPa。灌浆材料，宜采用普通硅酸盐水泥，水灰比2∶1～0.5∶1。灌浆质量检查，采用声波检测(弹模、波速)和压水相结合。

4 水工隧洞的布置

水工隧洞的布置包括3个部分：

4.1 进口段的形式和构造

4.1.1 进水喇叭口

进水口是隧洞首部，其体形应与孔口水流流态相适应，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时还应尽量减小局部水头损失，以提高泄流能力。隧洞进口常采用顶板和两侧边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平底矩形断面，形成喇叭口状。收缩曲线常采用1/4椭圆曲线，椭圆方程为：

(1)

式中：a为椭圆长半轴，对于顶板曲线，约等于闸门处孔口高度H，对于边墙曲线，约等于闸门处的孔口宽度B；b为椭圆短半轴，顶板曲线可用H/3，边墙曲线约为(1/3～1/5)B。

深式无压隧洞进水口是一短管型压力段，为了增加压力段压力，改善压力分布，常在进口段顶部设置倾斜压坡，见图1。

这种形式的压力进口段顶部曲线由椭圆曲线AB、直线段BC、及EF组成。通常BC段稍缓于EF段，压板长度L应满足塔顶启闭机的布置和闸门检修的要求，可采用3～6m。

图1 进口段洞顶压坡布置图

4.1.2 平压管

为了减小启门力，往往要求检修门在静水中开启。为此，应设置平压管。检修工作结束后，在开启检修门之前，先打开平压管的阀门，将水放进两道门之间，使检修门两侧的水压平衡，此时在静水中开启检修门，可大大减小启门力。平压管的尺寸根据灌水时间、两道门间的灌水空间及后一道门漏水量来确定。

4.2 洞身段

4.2.1 洞身断面形式及尺寸

无压洞多采用圆拱直墙形断面，由于顶部为圆拱形，适宜于承受垂直围岩压力，且施工时便于开挖和衬砌。顶拱中心角一般在90°～180°。如围岩条件较差还可用马蹄形断面。当围岩条件差，而且又有较大的地下水压力时，可以考虑采用圆形断面。有压隧洞由于内水压力较大，从水流及受力条件考虑，一般用圆形断面无压隧洞断面尺寸主要根据其泄流能力及洞内水面线确定。对于表孔溢流式进口，泄流能力按堰流计算；对于深式进口，泄流能力可按管流计算。

洞内水面曲线用能量方程分段求出。为保证洞内无压流状态，水面以上应有足够的净空。当洞内流速>15～20m/s时，应考虑高速水流引起的掺气和冲击波影响。流速较低、通气良好的隧洞，要求净空≥洞身断面面积的15%，其高度≥40cm；流速较高的隧洞，在掺气升高的水面以上净空面积一般为洞身断面面积的15%～25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。

4.2.2 洞身衬砌

隧洞衬砌主要可分为以下几种类型：平整衬砌、单层衬砌、喷锚衬砌、组合式衬砌、预应力衬砌等。洞身衬砌类型的选择，应根据隧洞的任务、地质条件、断面尺寸、受力状态、施工方法及运行条件等因素，通过综合分析技术经济比较后确定。

在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工缝和永久横向变形缝。隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，或其它可能产生较大的相对变位时，衬砌需要加厚应设置横向变形缝。围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。根据浇筑能力和温度收缩等因素确定沿洞线的分段长度，一般采用6～12m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。

隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆2种。

隧洞应设置排水设备以降低作用在衬砌外壁上的外水压力。对于无压隧洞衬砌，当地下水位较高时，外水压力为衬砌的主要荷载，对衬砌结构应力影响很大。为此，可在洞底设纵向排水管通向下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔，将地下水直接引入洞内，见图2。排水孔间距、排距以及孔深一般为2～4m。

对有压圆形隧洞，外水压力一般不起控制作用，可不设置排水设备。当外水位很高，外水压力很大，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游，纵向排水管由无砂混凝土管或多孔缸瓦管做成。必要时，可沿洞轴线每隔6～8m，设一道环向排水槽，可用砾石铺筑，将渗水汇入纵向排水管，见图3。

4.3 出口段及消能设施

有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门前有渐变段，出口之后即为消能设施。无压隧洞出口仅设有门框，其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接。

泄水隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。

泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能，其次是底流消能。近年来国内也在研究和采用新的消能方式：如窄缝挑流消能和洞内突扩消能等。

图2 无压隧洞排水布置图

图3 有压隧洞排水布置

5 结 语

隧洞进出口设计应遵循“早进晚出”不刷坡或少刷坡原则；隧洞设计应尽量向少维修及免维修方向发展；坚持复合式支护衬砌做为水工隧洞结构体系；隧洞横断面应不受传统定型影响；隧洞结构防水原则应以堵为主，限排为辅；并加强施工超前地质预报及设计代表工作。

[1]龙岗.浅谈中小型水工隧洞的设计[J].甘肃农业，2006(06)：361.

[2]张海深，张培海.浅谈水工隧洞灌浆施工技术[J].中国水运：下半月，2009，09(06)：229-230.

[3]申士广.浅谈水利工程中压力隧洞型式的研究[J].黑龙江科技信息，2013(21)：233.

1007-7596(2014)01-0114-03

2013-09-27

冉习(1980-)，男，贵州沿河人，工程师，从事水利水电工程设计工作。

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