正安县土坪集镇排洪工程排洪隧洞设计要点分析

张碧

（遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义 563003）

1 工程概况

正安县土坪集镇排洪工程位于正安县土坪镇镇区西南面，土坪镇四面环山，中间盆地，集镇洪水主要通过上坝河末端溶洞和戚教沟末端毛沽洞向猛溪河排泄，现状均不能满足设防洪水排洪要求，如遇暴雨便排洪不畅，镇区被淹时常发生。根据统计年鉴的受灾情况推算，年均被冲毁的财产达数百万元甚至上千万元，严重影响了当地人们的生产生活。

由于土坪集镇为正安县重要集镇，为推动集镇经济发展，拟于集镇镇区新建工业园区，本次防洪标准采用20 年一遇洪水标准，国道G243 防洪标准采用25 年。因此在上坝河的末端新建2055m 排洪隧洞，将镇区洪水排入附近猛溪河。建成后集镇能抵御20 年一遇洪水，达到国家要求和规定的设防标准，并与城镇规划相协调，使镇区内居民免遭洪涝灾害，保障居民的生命财产安全，适应集镇建设和经济可持续发展的要求。

2 集镇防洪排洪现状及治理范围选择

根据现状调查及分析，土坪集镇防洪问题主要有以下两个方面：①上坝河河道断面小，河道两岸大部分河段未做防护处理，河段糙率大、底坡缓，河内阻洪建筑物多，行洪能力不足；②上坝河末端落水孔溶洞过流能力不足，毛沽洞上游国道G243 现状排洪涵洞过流能力不足。

要想一劳永逸地解决集镇防洪排洪问题，需要从河道治理和新建排洪通道两个方面下手；①对镇区范围上坝河道需明确河道岸线、河道宽度及河道管理范围，留足河道行洪断面；同时，还需采取护岸和护脚治理等工程措施，防止岸坡垮塌，阻碍河道行洪；②新建排洪隧洞减轻溶洞排洪压力；同时，改造国道G243 排洪涵洞，使其满足设防要求，将本片区洪水排入猛溪河。本次先新建排洪通道，后再治理镇区河道。

3 集镇排洪方案选择

3.1 排洪方向选择

通过地形图布置结合现场踏勘，土坪集镇排洪工程排洪方向有两个：①东面芙蓉江；②西面猛溪河。集镇距芙蓉江2.9km，集镇距猛溪河2.1km；排至芙蓉江需穿越集镇居民区密集房屋，征地拆迁费用高，建设不经济，不宜选作排泄起点。在建设费用优、征地拆迁少及建筑轴线布置宜短不宜长的原则下，确定土坪集镇排洪的排洪方向为向猛溪河排泄。

3.2 排洪方案选择

根据确定的排洪方向，拟定三个方案对土坪集镇镇区排洪方案进行比选：

方案Ⅰ：新建上坝河末端至毛沽洞排洪渠+毛沽洞扩容。方案Ⅱ：扩建上坝河末端落水孔溶洞。

方案Ⅲ：新建排洪隧洞＋上坝河末端落水孔溶洞共同排泄。三个方案对比见表1。

经综合比选，方案Ⅲ优于方案Ⅰ、方案Ⅱ，本工程选择新建排洪隧洞＋利用上坝河末端落水孔溶洞共同排洪作为土坪集镇镇区洪水排洪方案。

3.3 排洪隧洞轴线选择

本工程选择新建排洪隧洞＋利用上坝河末端落水孔溶洞共同排洪，建筑物线路选择主要是隧洞线路选定。

3.3.1 隧洞进口位置选择

根据土坪集镇地形地貌特点以及上坝河河道的走向分布，经现场踏勘，进口选择在上坝河末端落水孔溶洞进口旁正南向约70m 处最适宜。该处高程较低，可收集土坪集镇镇区本集雨区域内的全部洪水，天然河道可顺接至隧洞进口，洪水衔接顺畅；进口地层岩性为薄至中厚层白云岩、灰岩，挂洞条件较好；该处无房屋征拆问题，只涉及少量占地，总体费用较低；该处距居民区较远，隧洞爆破施工影响小。结合河道末端河床高程，确定隧洞进口底板高程为803.00m。

3.3.2 隧洞出口位置选择

根据猛溪河河道的走向分布，经现场踏勘，排洪隧洞的出口位置选择拟定以下两个方案进行比选：方案Ⅰ：隧洞出口选择布置于上游新田坎，改建集镇供水泵站+上游直线排洪隧洞；方案Ⅱ：隧洞出口选择布置于下游半坡村香树坪一带，不改建集镇供水泵站+排洪隧洞；两个方案优缺点比较见表2。

经综合比选，方案Ⅱ优于方案Ⅰ，本工程选择不改建集镇供水泵站+排洪隧洞方案。

根据土坪镇半坡村香树坪一带地貌地形、地质条件，排洪隧洞出口位置宜选择在猛溪河左岸香树坪冲沟上游溶洞出水点山坡往公路方向约100m 处。出口地层岩性为灰岩，挂洞条件较好，下接顺直的天然河流，出流顺畅。依洞线布置宜短直的原则，结合工程地质和水文地质条件、施工、房屋征拆和交通等方面，避开居民区、岩体崩塌带和溶洞出水点，并考虑洪水排泄方便快速，最终选定该处为排洪隧洞出口。根据地形地质条件，结合沿线溶洞发育分布情况，经综合考虑，隧洞出口底板高程确定为715.00m，隧洞底坡确定为4.3%。

3.3.3 隧洞洞身线路布置选择

在隧洞的进、出口确定后，沿线分布∈2-3ls、O1t+h 地层，∈2-3ls、O1t+h 地层岩溶强发育，故综合隧洞长度及尽量避免隧洞遇到岩溶管道，隧洞考虑沿山脊进行布置。若隧洞轴线布置成直线，隧洞洞线将直接通过Kwd1～Kwd5消坑和洼地群，该段长度约815m，施工难度、开挖和支护工程量较大。为避开消坑和洼地群，并以较大交角穿过土坪断层，且有利于河道水流汇入隧洞，将隧洞曲线布置。隧洞进口的走向为NE65.11°，隧洞在洞0+067.44 处转向NE31.53°，隧洞在洞0+652.70 处转向NE61.14°。

表1 方案选择对比

表2 隧洞出口选择比较

4 建筑物选型

在隧洞进出口位置及线路确定后，需进一步确定排洪洞型式，主要是有压泄水洞与无压泄水洞比选：①有压泄水洞方案：a.需深挖隧洞进口保证淹没，开挖支护工程量大；b.由于上游来水变化大，隧洞将出现有压和无压交替，对洞身不利；c.有压洞出口需设闸控制开度以达到有压的目的，运行不便；d.有压洞须全断面衬砌，混凝土工程量大、钢筋用量多、投资造价高；②无压泄水洞方案：a.无压洞进出口顺接不需进口淹没，开挖支护工程量较小；b.无压洞出口不设闸控制，运行简便；c.无压洞根据围岩类别进行区别衬砌，混凝土工程量小、钢筋用量少、投资造价低。经比选，选定采用无压泄水洞方式。

5 排洪隧洞设计

5.1 隧洞结构设计

5.1.1 地形地质条件

排洪洞进口为陡坡地形，自然坡度30°～35°，基岩为白云岩，进口边坡洞脸为逆向坡，两侧为斜向坡。隧洞洞身穿越∈2-3ls 白云岩、灰岩和O1t+h 灰岩，土坪断层F1与洞线斜交，受断层切割影响，岩层产状变化较大，洞线与岩层多小角度斜交；出口地形以斜坡为主，地形坡度20°～30°，洞脸为顺向坡，两侧为斜向坡。由于洞身穿越白云岩、灰岩等强岩溶地层，隧洞岩溶及裂隙较发育，洞身多处于地下水位线附近，应加强对地下水及洞身围岩的稳定监测，施工开挖遇岩溶洞穴、突水突泥及掉块的可能性大，特别是汛期施工，应采取相应的处理措施；同时，洞身被断层F1切割，为张扭性断层，断层面产状N0～23°E/SE∠60°，由于岩体受断层切割，岩体较破碎，围岩自稳能力差，建议施工期间加强施工地质复核，对不良地质段可采取超前探孔探测，并做好超前支护措施。

5.1.2 隧洞衬砌结构设计

排洪洞长度为2055m，进口底高程为803.00m，设计底坡为0.043，出口底高程为715.00m。开挖断面尺寸宽为4.5m、高为4.9m（城门洞型）。A 型衬砌断面（V 类围岩段）采用40cm 厚C25钢筋混凝土全断面衬砌，衬砌后断面尺寸为3.50m×4.00m；B 型衬砌断面（Ⅳ类围岩段）为底板两侧墙三面衬砌，顶拱不衬砌仅喷锚，底板采用40cm 厚C25 钢筋混凝土衬砌，侧墙采用30cm 厚C25 钢筋混凝土衬砌，B 型衬砌后断面尺寸为3.90m×4.40m；C 型衬砌断面（III 类围岩段）为底板找平衬砌，顶拱、侧墙不衬砌不喷锚，底板采用40cm 厚C25 钢筋混凝土衬砌，C 型衬砌后断面尺寸为4.50m×4.50m。ABC 三种型式衬砌断面变换时，采用扩散渐变或收缩渐变过渡处理，保证水流顺畅。隧洞内临时支护按照不同围岩类型执行不同支护措施，进出口岩质边坡采取坡比为1:0.3的放坡处理，并采用挂网喷C20 混凝土处理。

5.2 设计计算

隧洞计算包括断面计算、泄流能力计算、水面线计算和衬砌计算等。

5.2.1 断面设计

根据调洪成果，新建排洪洞需下泄89.2m3/s，隧洞口对应水位为805.51m。根据本工程地形和地质条件，初步确定的进、出口高程，经试算最终确定该隧洞断面为城门洞型，各类衬砌型式尺寸不同，成果见表3。

5.2.2 隧洞泄流能力计算

采用明渠均匀流公式：

表3 隧洞断面成果

式中：Q——设计流量；

n——糙率；

i——设计底坡，0.043；

R——水力半径；

A——过水断面。

根据直墙高度反算三个隧道断面的泄流能力见表4。

表4 计算结果

三种断面Q＞89.2m3/s，因此隧洞满足泄洪能力要求。

5.2.3 隧洞水面线计算

隧洞水面线按能量方程分段求和法计算，公式如下：

根据上述条件及公式，计算结果见图1。

图1 隧洞各断面水深成果表

隧洞各断面水面成果满足规范要求。

5.2.4 衬砌计算

隧洞衬砌按限裂要求设计，采用理正软件进行内力计算及配筋计算，计算工况分三种：

工况Ⅰ（基本荷载组合正常运行工况）：围岩压力+衬砌重+内水压+外水压，裂缝宽度限值0.30mm。

工况Ⅱ（特殊荷载组合检修工况）：围岩压力+衬砌重+最大外水压（可能出现的），裂缝宽度限值0.30mm。

工况Ⅲ（特殊荷载组合施工工况）：围岩压力+灌浆压力+衬砌重+温度应力+最大外水压（可能出现的），裂缝宽度限值0.30mm。

设计参数：

C25 钢筋混凝土：γ=25kN/m3，EC=2.80×104N/mm2，fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2，fy=360N/mm2。

Ⅴ类围岩：f=1、K0＜1～3MPa/cm，取K0=2。

Ⅳ类围岩：f=2～3、K0=3～5MPa/cm，取f=2.5、K0=4。

Ⅲ类围岩：f=3～5、K0=8～10MPa/cm，取f=4、K0=9。

外水压力折减系数：0.6～0.8。

经计算，A 型衬砌截面按水工钢筋混凝土结构配筋，裂缝计算结果如表5 所示。

表5 计算A 型衬砌段洞身衬砌裂缝成果

由表5 可知，各工况下计算成果满足规范要求。

6 结论

排洪隧洞建成后，土坪集镇能达到20 年一遇的设防标准，并保障国道G243 的通行安全，达到国家规定和要求的设防标准，并与城镇规划相协调，可减轻当地人们所受洪灾之害，加快地区经济的发展，保证社会和谐安定，具有显著的社会经济效益。