紧水滩引调水工程隧洞断面型式设计比选

钟德恩

（云和县水利发展有限公司，浙江 云和 323600）

1 工程概况

紧水滩引调水工程是浮云溪流域综合治理的一个子项目，位于浙江省丽水市云和县，在原有紧水滩水库的基础上新建输水隧洞及其配套措施，主要任务是充分利用紧水滩水库的水资源，解决云和县城备用水源问题，同时改善云和县城水环境、修复水生态，形成一源一备水资源配置格局。工程优质用水供水范围为云和县县城，生态环境用水供水范围为浮云溪干流云和县城段和木路溪、黄溪（浮云溪的一级支流）干流县城段。云和县城城区供水主要由雾溪水库提供，梅垄水库作为应急水源，本次规划将紧水滩水库作为云和县城城区备用水源，因此，径流计算主要包括紧水滩水库径流计算和雾溪水库、梅垄水库径流计算。工程基准年为2017 年，近期水平年采用2020 年，远期水平年采用2030 年。

（1）生态流量引水需求

浮云溪生态流量2.23 m3/s，黄溪生态流量0.35 m3/s、木路溪生态流量0.30 m3/s。本次设计考虑，在对浮云溪、黄溪、木路溪进行生态补水时，若按逐日计算，逐日补水，操作复杂，对紧水滩水库调度不利，故考虑逐月调节，当月平均流量不足生态流量时，进行补水，补水时段为早上八点至晚上八点。

经长系列资料调算，浮云溪多年平均需引水0.66 m3/s，按引水时段早上八点至晚上八点计算，多年平均引水量1332 万m3；黄溪多年平均需引水0.10 m3/s，按引水时段早上八点至晚上八点计算，多年平均引水量158 万m3；木路溪多年平均需引水0.09 m3/s，按引水时段早上八点至晚上八点计算，多年平均引水量 140 万 m3。

输水隧洞规模计算时，按生态流量确定，浮云溪2.23 m3/s，黄溪0.35 m3/s，木路溪 0.30 m3/s。

（2）城乡生活及工业用水引水需求

2030 年，城乡生活及工业用水日平均需水量为3.75 万m3/d。

综上，紧水滩水库引调水工程输水规模共2.88 m3/s，浮云溪生态流量2.23m3/s，多年平均引水量1332万m3；黄溪生态流量0.35m3/s，多年平均引水量158 万m3，木路溪生态流量0.30m3/s，多年平均引水量140 万m3。合计从紧水滩水库年引水量1630 万m3。

考虑梅垄水库现状作为备用水源，供水设备和条件难以满足。在木路溪预留供水管，为实现工程的优化使用，考虑当雾溪水库、梅垄水库不能供水时，从紧水滩水库引水，供给城区全部用水3.75 万m3/d，引水流量为0.434 m3/s。

2 隧洞断面型式选择

根据《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）5.2 条，有压隧洞宜采用圆形断面。当围岩稳定性较好，内、外水压力不大时，可采用便于施工的其他断面形状。

紧水滩引调水工程采用有压输水，从水力学最优断面来说，圆形断面是最优的隧洞断面形式。但在地质条件优良，内水压力不大的情况下，为了钻爆法施工的方便，有压隧洞也有采用城门洞形或马蹄形。本工程隧洞内水压力较小，从施工进度考虑城门洞形或马蹄形断面对洞内临时支护、洞内运输等均具有优势。因此，本阶段输水隧洞设计选择圆形断面、城门洞形断面和马蹄形断面3 种断面形式、以Ⅲ类、Ⅳ类围岩区域为代表，进行比较，为方便比较，此次设计三种断面形式采用相同的过流面积，同样条件下的尺寸分别为：圆形断面衬砌后洞径3.3 m，城门洞型衬砌后尺寸为3.2 m×2.8 m（高×宽），平底圆洞衬砌后洞径3.2 m。

2.1 圆形断面（方案一）

（1）隧洞规模

根据本工程输水系统水力设计条件，通过长系列逐日仿真分析技术经济比较法，确定本工程输水隧洞洞径规模。设计流量为2.88 m3/s，确定圆形断面隧洞衬砌后直径为3.3 m。

（2）断面结构

圆形断面方案衬砌后洞径3.3 m，Ⅲ类围岩隧洞采用系统砂浆锚杆（L=2.0 m，排距1.0 m）、挂网喷C20 混凝土（厚10 cm）进行支护；Ⅳ类围岩采用系统浆锚杆（L=2.5 m，间排距1.0 m）、挂网喷C20 混凝土（厚10 cm），I14 钢拱架及C20F50W6 混凝土衬砌进行支护，衬砌厚度为0.4 m；局部区域顶拱范围内采用砂浆锚杆超前支护。Ⅲ类、Ⅳ类围岩圆形隧洞断面见图1、图2。

图1 Ⅲ类围岩圆形隧洞断面图（尺寸单位：cm）

图2 Ⅳ类围岩圆形隧洞断面（尺寸单位：cm）

2.2 城门洞形断面（方案二）

（1）隧洞规模

根据本工程输水系统水力设计条件，通过长系列还日仿真分析技术经济比较法确定本工程输水隧洞洞径规模。设计流量为2.88 m3/s，确定城门洞形断面队隧洞衬砌后尺寸为3.2 m×2.8 m（高×宽）。

（2）断面结构

城门洞形断面方案衬砌后尺寸为3.2 m×2.8 m（高×宽），Ⅲ类围岩隧洞采用系统砂浆锚杆（L=2.0 m，排距1.0 m）、挂网喷C20 混凝土（厚10 cm）进行支护；Ⅳ类围岩采用系统浆锚杆（L=2.5 m，间排距 1.0 m）、挂网喷 C20 混凝土（厚 10 cm），I14钢拱架及C20F50W6 钟混凝土衬砌进行支护，衬砌厚度为0.4 m；局部区域顶拱范围内采用砂浆锚杆超前支护。主洞Ⅲ类/Ⅳ类围岩衬砌断面见图3、图4。

图3 主洞Ⅲ类围岩衬砌断面图（尺寸单位：cm）

图4 主洞Ⅳ类围岩衬砌断面图（尺寸单位：cm）

2.3 平底圆形断面（方案三）

（1）隧洞规模

根据本工程输水系统水力设计条件，通过长系列逐日仿真分析技术经济比较法确定本工程输水隧洞洞径规模。设计流量为2.833 m3/s，确定隧洞断面衬砌后3.2 m。

（2）断面结构

马蹄形断面方案衬砌后直径3.2 m，Ⅲ类围岩隧洞采用系统砂浆锚杆（L=2.0 m，排距1.0 m）、挂网喷C20 混凝土（厚10 cm）进行支护；Ⅳ类围岩采用系统浆锚杆（L=2.5 m，间排距1.0 m）、挂网喷 C20 混凝土（厚 10 cm），I14 钢拱架及 C20F50W6 钟混凝土衬砌进行支护，衬砌厚度为0.4 m；局部区域顶拱范围内采用砂浆锚杆超前支护。Ⅲ类、Ⅳ类围岩隧洞断面见图 5、图 6。

图5 Ⅲ类围岩隧洞断面图（尺寸单位：cm）

图6 Ⅳ类围岩隧洞断面图（尺寸单位：cm）

3 输水隧洞断面型式比选

（1）可比性投资

本阶段设计以Ⅳ类围岩为典型，计算圆形断面、城门洞形和平底圆形断面单公里工程量及投资，见表1。

表1 Ⅳ类围岩衬砌段（1km）各方案可比工程量投资比较表

（2）施工条件分析

从施工条件角度分析，城门洞形断面对于施工洞内运输、出量最为有利，马蹄形断面底部设为平底，洞内运输出渣较为方便，圆形断面施工条件相对较差，不利于洞内运输出渣，并会由此带来一定的工期影响。

（3）综合比较

圆形、城门洞形和马蹄形3 种断面形式综合比较表见表2。

表2 隧洞断面形式综合比选表

由表2 可知，圆形断面虽然水力条件及结构受力条件最好，但施工较为不便，在施工期隧洞运输出渣条件较差，施工工期会因此受到较大的影响。马蹄形断面受力条件较圆形断面略差，但施工条件优于圆形断面、城门洞形断面施工最为方便，施工期出渣运输条件最好。城门洞形断面施工及运渣条件中等，且投资相对较省，因此最终确定为城门洞形断面形式。

4 结论

综上所述，紧水滩引调水工程隧洞断面型式的确定，应从工程的总体角度入手，综合考量多方面的因素设计确保后续施工的合理性、运行的安全性。工程能够低成本且快速的推进，同时达到预期的工程运行效果。