盘道岭隧洞除险加固工程糙率和过流能力分析复核

(甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

盘道岭隧洞是引大入秦工程总干渠最长的一座隧洞，洞长15.723km，设计断面为城门洞型反拱直墙断面，隧洞净宽4.2m，净高4.4m，设计流量为29m3/s，最大流量为34m3/s，设计纵坡i为1/1000，洞身混凝土衬砌糙率系数n为0.015。隧洞在软～极软岩地层和少量的第四系地层通过，地层岩性复杂，地质条件恶劣。病险洞段存在的主要问题是洞身裂缝纵横交错、缝间错位、宽度大，渗水量严重，影响工程安全运行。为确保工程安全运行，将盘道岭隧洞3处主要病险洞段列入兰州新区供水项目引大渠道除险加固工程，分别为桩号64+482.68～66+554.68m，段长2072m；桩号71+740.68～71+923.68m，段长183m；桩号76+719.68～78+319.68m，段长1600m；总长3855m。

该次加固改造方案采用马蹄形断面C30钢筋混凝土衬砌加固方案，在尽可能少的占用隧洞过流断面的前提下，断面尺寸为3.7m×3.9m(宽×高)，顶弧半径1.85m，侧墙圆弧半径5.55m，底板圆弧半径5.55m，最小衬砌厚度0.25m。在洞内迎水面为降低糙率、满足过流要求，设计采用黏贴塑料板降糙。按照除险加固工程实施方案，经过除险加固后，盘道岭隧道设计最大过流能力为30m3/s，加固段糙率为0.012，最小净空高度0.86m。

2 试验目的和试验方案

2.1 试验目的

盘道岭隧洞是引大工程总干渠上重要建筑物，其过流能力直接影响到引大入秦工程的供水保证率。该隧洞采用现浇C30钢筋混凝土衬砌加固，钢模台车一次现浇成型，原材料和工艺流程严格控制，内在质量和外观质量均符合规范要求。为减小糙率，对混凝土表面光洁度要求较高。由于隧洞过流断面缩小，为复核隧洞最大过流能力及临空高度是否达到设计要求，同时考虑到无法保证塑料板与洞壁黏贴牢固且黏贴塑料板护壁降糙施工难度大，难以达到设计降糙的目的，特进行本项目测流试验。若实测能满足设计过流能力，可优化设计取消迎水面黏贴塑料板降糙措施，节约概算投资1196.03万元。

2.2 试验方案

在盘道岭隧洞进口前疙瘩沟矩型明渠设测流断面，采用螺旋桨式流速仪进行流量量测并率定出测流断面水位流量关系曲线；根据测流断面的实测流量及各水位采集处的水位、隧洞纵坡等参数，推算出隧洞内各测点的糙率和水位流量关系曲线；再根据隧洞安全输水水力要素，推算出隧洞的最大过水流量。

3 设备选用及量测点布置

3.1 量测设备选用

根据盘道岭隧洞无电源、无GPRS信号、潮湿、流速较大等现状，经多方考察对比，最终选用低功耗一体化超声波遥测水位计(XD-2206-US)，水位量程为0～4m，盲区水位为最高水位距超声波一体化遥测水位计底沿不小于0.6m，量测精度为0.5%。

选用L25-3C型螺旋桨式流速仪对渠道过水流量进行测量。

3.2 量测点布置

根据盘道岭隧洞加固情况，分别在渠道及隧洞沿线5个位置各安装1台超声波遥测水位计，采集并记录水位数据。水位计具体安装测点如下：

1号测点：疙瘩沟矩型明渠测流点(桩号62+170)，该测点位于疙瘩沟矩型明渠段，过流断面型式为矩型。

2号测点：洞内未加固段中间测流点(桩号63+755)，该测点位于盘道岭隧洞62+964.68～64+482.68段中部，过流断面型式为城门洞型。

3号测点：进口已加固洞段前端测流点(桩号64+630)，该测点位于盘道岭隧洞64+482.68～66+554.68段前端，过流断面型式为马蹄型。

4号测点：进口已加固洞段中间测流点(桩号65+510)，该测点位于盘道岭隧洞64+482.68～66+554.68段中部，过流断面型式为马蹄型。

5号测点：出口已加固洞段段中间测流点(桩号77+550)，该测点位于盘道岭隧洞76+719.68～78+319.68段中部，过流断面型式为马蹄型。

4 试验时间

4.1 各测流断面糙率和流量关系曲线推算

设备安装时间：2015年10月4日—2015年10月8日

设备运行时间: 2015年10月8日—2015年11月25日

4.2 设计过流和水位测定

设备安装时间：2016年4月3日—2016年4月5日

设备运行时间: 2016年4月5日—2016年11月22日

5 试验数据

5.1 渠道输水流量测定

为了精确分析计算，在疙瘩沟矩型明渠1号测点处利用螺旋桨式流速仪对渠道过水流量进行5次测量，每次测量2组数据。经测量，各次测量成果见表1。

表1 测流点流量测量数据表

5.2 水位计水位数据存储记录

在设备运行期内，2015年采集数据情况为：1号测点采集有效数据2225条，2号测点采集有效数据2228条，3号测点采集有效数据0条，4号测点采集有效数据2234条，5号测点采集有效数据2271条。2016年采集数据情况为：1号测点采集有效数据9728条，2号测点采集有效数据11440条，4号测点采集有效数据9556条，5号测点采集有效数据9751条。3号测点由于设备故障，没有采集到有效数据。

6 数据分析

根据仪器所记录原始数据分析，水流从1号测点到2号测点的时间约为11min, 从2号测点到4号测点的时间约为12min, 从4号测点到5号测点的时间约为84min。在计算中，分别取各测点测流流量对应时间点前后2h数据的平均值作为计算水深。

盘道岭隧洞为长距离无压隧洞，可采用明渠均匀流流量计算公式推导得出糙率计算公式:

n=A/Q×R2/3×i1/2，其中R=A/x

式中A——过流面积，m2;

Q——流量，m3/s;

R——水力半径，m;

x——湿周，m;

i——底坡坡度。

经计算，各测点的糙率见表2。

表2 各测点糙率

7 实测糙率和过流能力分析

根据监测数据的分析整理，可知盘道岭隧洞除险加固钢筋混凝土衬砌后，加固段的平均糙率0.0105，低于设计0.012要求。根据各测点断面推算的流量关系曲线表：ⓐ4号测点断面水位2.85m时，净空高度1.05m，流量为30.522m3/s；当水位3.04m，达到设计净空高度0.86m，流量为32.611m3/s。ⓑ5号测点断面水位2.65m时，净空高度1.25m，流量为29.954m3/s；当水位3.04m，达到设计净空高度0.86m，流量为35.872m3/s。由此可知，盘道岭隧洞衬砌加固段洞身迎水面糙率已完全满足过流能力要求，无需采用黏贴塑料板降糙。

8 引水校核试验

2016年10月20日，盘道岭隧洞除险加固后，采用设计流量30m3/s测试过流能力。0:00开始小水池向下游分级加流，8:00调节流量增至30m3/s，11:05—13:10时段，疙瘩沟测流断面水位2.83m，水流稳定，实测流量30.2m3/s。洞内各测点记录水位为:ⓐ2号测点11:30时水位为2.988m；ⓑ4号测点11:30时水位为2.721m；ⓒ5号测点13:00时水位为2.598m。

9 结 语

盘道岭隧洞除险加固工程，设计过流能力30m3/s，设计净空高度0.86m。依据实测糙率和过流能力分析，以及过流能力引水校核试验数据分析，盘道岭隧洞加固后流量为30.2m3/s时，糙率为0.0105，小于设计糙率0.012，最大水深2.721m，净空高度1.179m大于设计净空高度0.86m。以上试验结论证明盘道岭隧洞钢筋混凝土衬砌加固后，过流能力满足设计要求。通过对盘道岭隧洞除险加固后水力条件和过流能力实测分析，采用良好的马蹄形断面和用钢模台车一次现浇成型工艺，形成得光洁平整的表面，获得较小的糙率，不需要采用其他措施即能满足设计要求，可减少投资。