输水隧洞设计分析和计算

卢娟华

（湖南水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

引 言

水工输水隧洞广泛运用于泄洪、发电、供水、灌溉等工程，近年来随着城市供水及农田灌溉日益增长的需求，水工输水隧洞得到了大量运用。通过对输水隧洞设计和计算等方面的研究，不但能够提高隧洞的安全性，而且能有效保证水工建筑物的整体质量[1]和使用寿命。输水隧洞设计和计算等方面的工作已越来越受到相关部门的重视，基于上述原因，本文将深入分析和介绍输水隧洞设计和计算过程，以期对水工隧洞设计和进一步研究提供参考。

1 基本情况

某水库总库容为1.21 亿m3，工程为Ⅱ等工程，主要建筑物级别为2 级，次要建筑物为3 级。水库特征水位：正常蓄水位为123.60 m，设计洪水位为124.69 m，校核洪水位为125.72 m，死水位为109.50 m。它修建于1958 年，水库工程枢纽主要由主坝、副坝、溢洪道和3条放水隧洞组成。随着时间推移，该水库工程枢纽已出现了严重的问题，其中输水隧洞存在的问题是：输水隧洞进口出现斜向裂缝，导致呈射流状漏水。洞身衬砌混凝土浇筑质量差，强度低，碳化严重，孔洞和露筋锈蚀，并多处混凝土出现剥离并起壳等现象。进水口工作桥排架柱断裂，现已不能安全通行。一旦出事，影响水库向灌区正常供水，甚至有可能引起工程枢纽发生破坏，造成生命财产的重大损失。为了使该水库工程枢纽能够正常蓄水，并保证其安全运行，根据有关部门的鉴定结论和意见，需要对工程进行除险加固处理。因此，本文以该水库工程枢纽中的92#输水隧洞设计为例，介绍和分析其相关设计和计算等过程，为类似水工隧洞设计及施工提供一定的参考。

2 92#输水隧洞设计和计算

根据上述分析可知，92#输水隧洞存在不少的问题，该输水隧洞位于副坝右端与溢洪道之间，于1959年3 月建成，原为水库初建时的导流洞，进口底板高程92.0 m，初期洞径1.5 m，洞身段单层钢筋混凝土衬砌厚25 cm，全长154 m。水库建成后1976 年改为发电和干渠的灌溉隧洞，由于衬砌混凝土多处开裂，漏水严重，在洞内加衬砌厚0.15 m 单层配筋的钢筋混凝土，洞内径缩小至1.2 m；隧洞设计灌溉流量5.2 m3/s，发电流量5.8 m3/s。因此，为了实现对该输水隧洞的除险加固，采用了洞身段加固和新建隧洞2 个方案来进行技术经济比较，新建隧洞虽然工程投资略大一点，但施工周期较短，只需在一个枯水期内即可完成，对水库发电、灌溉影响小，且能从根本上解决原隧洞存在的问题，故选择了新建隧洞方案，其相关设计和计算具体如下[3]。

2.1 92#输水隧洞洞线地质情况

92#输水隧洞进口段（0～32 m），为强风化（Ptbn2l2）灰色板岩夹砂质板岩、变质细砂岩。岩层产状N65°～75°E，NW∠30°～35°。洞身段（32～36 m）和（91～140 m）围岩为强风化（Ptbn2l2）灰色板岩夹砂质板岩、变质细砂岩。岩层产状N65°～75°E，NW∠30°～35°洞顶以上岩石强风化厚度0～14 m。该两段围岩属Ⅴ类，围岩风化强烈，节理裂隙发育，岩石破碎，不稳定结构面较多，存在掉块、渗水甚至整体塌落，围岩稳定性差。洞身段（36～91 m），围岩为（Ptbn2l2）灰色板岩夹砂质板岩、变质细砂岩。岩层产状N65°～75°E，NW∠30°～35°，岩层倾向与洞轴线近于直交，洞顶以上弱风化岩石厚度0～4.5 m，强风化岩石厚度最大25.2 m。该段围岩属Ⅳ类，存在掉块、甚至局部塌落，围岩稳定性差。出口段（140～150 m）地形坡度0°～45°，表部为残坡积（Qedl）的粉质粘土，基岩为全风化（Ptbn2l2）青灰色板岩间夹砂质板岩、变质细砂岩。

2.2 92#输水隧洞总布置

考虑隧洞出口须与现有发电灌溉渠相接，所以新建隧洞洞线只能在原92#隧洞左右侧选择。然而，当在原92#输水隧洞右侧布置时，隧洞洞身段及出口段距离原隧洞轴线围岩厚度不能满足（2～3）倍的开挖洞径，且在施工期间影响原92#隧洞施工导流。因此，本次工程设计将新建的隧洞洞线选定在原92#隧洞左侧约10 m处，洞线沿原有隧洞平行布置，洞身段从副坝坝基岩体穿过，隧洞出口与现有发电灌溉渠及电站的进口管道相接。隧洞由进口段、洞身段、出口段组成，断面尺寸根据有压隧洞的经济流速2.5～4.5 m/s 计算得洞径D 为1.6～1.2 m，考虑施工方便，圆形断面的最小直径取1.8 m。进口底板高程为92.0 m，出口底板高程为88.29 m，隧洞长150.0 m。

2.3 进水口设计

在本工程中，92#输水隧洞设岸塔式进水口，进口底板高程为92.00 m，厚为1.2 m 长为8.0 m，进水口闸室段设有工作闸门、事故检修闸门和拦污栅，其中工作闸门、检修闸门采用固定卷扬式启闭机启闭，其均为平板钢闸门。进水口由进水口底板、闸墩、通气孔及启闭机房等部分组成，闸墩位于两侧，闸墩厚1.0 m，闸墩顶部高程为128.70 m；通气孔位于检修门后，通气孔内径为0.4 m。进水口底板、闸墩均为C25 钢筋混凝土结构。启闭机房位于进水口闸墩上，启闭机平台高程为131.70 m。为了保护启闭机电设备，将启闭台设计为封闭式，在启闭台排架上加盖屋面，四周充填砖墙。启闭台与进水口工作平台间设钢爬梯。进水口工作平台对外交通采用工作桥连接。

一般有压隧洞，进口闸门为了避免进口吸气产生漩涡和洞内产生空蚀，应对进口上边缘淹没深度进行计算和进口闸室段的稳定性计算。但本工程因死水位为109.05 m，与进口底板高差有17.5 m，远远满足淹没深度。故只对闸室的抗滑稳定和应力进行计算，具体过程如下：

1）闸室抗滑稳定计算

抗滑稳定计算公式为[4]：

式中 KC——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

∑G——作用在闸室上的全部竖直向荷载（kN）；

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）；

Ф0——闸室基底面与土质地基之间的摩擦角度（°）；

C0——闸室基底面与土质地基之间的粘结力（kPa）。

2）闸室基底应力计算

采用闸室基底应力计算公式[4]：

式中 Pmmainx——闸室基底应力的最大值或最小值（kPa）；

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN）；

A——闸室基底面的面积（m2）；

W——闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

经计算闸室稳定和地基承载力都满足规范要求，成果如表1。

表1 92#输水隧洞进水闸闸室稳定和基础应力计算成果表

2.4 洞身段衬砌设计

洞身段衬砌设计是该输水隧洞的关键难点之一。根据地质专业提供的隧洞地质条件，将隧洞围岩分为Ⅳ～Ⅴ类，隧洞衬砌按地质围岩分类分别进行设计：

稳定性差或部分不稳定（Ⅳ类）：设计全部衬砌C25钢筋混凝土，衬砌厚40 cm；

极不稳定（Ⅴ类）：设计全部衬砌C25 钢筋混凝土，衬砌厚50 cm。

初期支护设计：一期支护措施根据隧洞开挖后围岩情况确定，本工程设计对各类围岩分部采取初期支护措施：Ⅳ类或Ⅴ类围岩洞段采用Φ25 系统锚杆+挂钢筋网喷混凝土，局部遇断层或岩石极破碎段增设钢拱架支护。其Φ25 系统锚杆排距、间距均为1.5 m，单根长度按2.5 m 考虑；锚喷支护范围为顶拱和底拱，网喷混凝土厚度为8 cm，挂网筋采用Φ22 钢筋，网片钢筋采用Φ12 钢筋，网格尺寸（长×宽）为200 mm×200 mm；钢拱架支护主要针对Ⅴ类围岩洞段进行，钢拱架采用I18 工字钢，排距根据隧洞洞径大小分别按0.75～1.0 m 计；拱脚部位采用锁脚锚杆加固。

隧洞结构计算：采用理正岩土隧道衬砌计算软件，采用衬砌的边值问题及数值解法：将衬砌结构的计算转换为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算出输水隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。以最大裂缝宽度允许值0.30 mm控制，计算成果如表2。

表2 92#输水隧洞结构计算结果表

2.5 隧洞回填、固结灌浆设计

为保证输水隧洞和围岩紧密结合，避免围岩过度松驰造成塌方和加强围岩整体性、均一性，使围岩充分发挥叠梁的作用，以加固围岩的稳定，共同承担内外压力，还应对隧洞进行回填、固结灌浆设计。回填灌浆应在衬砌混凝土强度达到70%后进行，隧洞衬砌浇筑前，预埋φ50 mm 的PVC 管。孔排距取3 m。采用手风钻造孔，回填灌浆孔开孔φ42 mm，孔深宜进入围岩体100 mm。灌浆压力应根据现场灌浆试验确定，初拟定0.1～0.3 MPa，灌浆过程中应严格控制灌浆压力。灌浆材料采用不低于R32.5 普通硅酸盐水泥，水灰比遵循先稀后浓、分序加密、从低往高施灌。固结灌浆应在回填灌浆结束14 天后进行，孔排距取2 m。固结灌浆孔深取1.2 m，局部地段根据实际情况要作相应调整。灌浆逐步加密，第2 次序在第1 次序完成48 h 之后进行。灌浆压力根据围岩节理裂隙的发育程度确定，取0.5～1.5 MPa。灌浆材料选用R32.5 水泥，用素水泥浆，如果第1次序需用水泥砂浆，砂的粒径不大于1 mm。

2.6 隧洞出口段设计

92#输水隧洞出口接电站钢管及灌溉渠道连接下游河道，为保证隧洞出口水流平顺，其出口段的设计如下：在出口段设有闸阀控制室，闸后设有底流消力段，消力段由水平段、斜坡段及水平消力池段组成，池后接灌溉渠道，采用C25 钢筋混凝土浇筑。设消力池长10.0 m，池深60 cm。为保证满足消能要求，需要对消力池消能进行复核计算。

式中 h″c——跃后水深（m）；

b1——消力池首端宽度（m）；

b2——消力池末端宽度（m）；

hc——收缩水深（m）；

a——水流动能校正系数，采用1.0；

q——收缩断面处的单宽流量（m3/s）；

T0——由消力池底板顶面算起的总势能（m）；

φ——流速系数，且φ 采用0.9；

Frc——跃前断面水流的佛劳德数，当1＜Frc≤1.7 时，为波状水跃；1.7＜Frc≤2.5 时，为弱水跃；2.5＜Frc≤4.5 时，为颤动水跃；4.5＜Frc≤9 时，为稳定水跃；9＜Frc时，为强水跃。

2）消力池深度计算。消力池深度按式（5）、式（6）计算[4]：

其中

式中 d——消力池深度（m）；

σ0——水跃淹没系数，取1.1；

△Z——出池落差（m）；

h′s——出池河床水深（m）。

3）消力池长度计算。消力池长度按式（7）、式（8）计算[4]：

式中 Lsj——消力池长度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度（m）；

Β——水跃长度校正系数，其值选为0.75；

Lj——水跃长度（m）。

经计算出口段下游设消力池深度0.6 m，长度10.0 m，工程可以满足消能要求。

3 小 结

根据输水隧洞的用途及其特点，为保证输水隧洞的安全和质量，在进行设计时，应综合分析地质条件、围岩应力和变形情况、断面形状和尺寸、施工方案和运行条件、布置需要等确定相邻隧洞之间岩体的原度。还应综合考虑地形、地质、覆盖厚度、枢纽总布置、水力学、施工、运行管理、沿线的建筑物等因素，保证水工隧洞进口应力、水流的畅通性、出口水流与下游的衔接性，减少冲刷现象的发生，与四周建筑物的安全距离，才能真正保证水工隧洞结构更加安全、可靠及合理。