向廣銀 蘇東喜 王愛國

圓拱直墻式輸水隧洞斷面設(shè)計方法研究

向廣銀 蘇東喜 王愛國

通過分析圓拱直墻式輸水隧洞斷面設(shè)計，以水力最佳斷面為優(yōu)化基礎(chǔ)，得出圓拱直墻式輸水隧洞斷面設(shè)計的簡便方法，較常規(guī)方法清晰、明了。

隧洞 經(jīng)濟(jì)斷面 凈空 高寬比 優(yōu)化

明流輸水隧洞較多選用圓拱直墻式，確定隧洞斷面尺寸是一項重要設(shè)計內(nèi)容，將隧洞斷面簡化為過流斷面、凈空和附加水面超高三部分，尋找經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計方法，使整體開挖面積小、滿足過流要求、結(jié)構(gòu)安全。

1 設(shè)計方法分析

1.1 經(jīng)濟(jì)過流斷面

隧洞矩形過流斷面設(shè)計中，水力最佳斷面為寬淺式，過流斷面面積最小，底寬 （b0）是水深(h0)的2倍，該種形式在工程應(yīng)用中出現(xiàn)幾率較小，GB 50288—1999《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》推薦采用實用經(jīng)濟(jì)斷面，其面積與水力最佳斷面面積 （A0）的比值α為1.01～1.04。引入水力最佳斷面、實用經(jīng)濟(jì)斷面法計算，矩形過流斷面寬深比β值只與α大小有關(guān)，和流量、比降、糙率大小無關(guān)，β與α之間存在函數(shù)關(guān)系式[1]。各水力要素及過水?dāng)嗝鎱?shù)間相互關(guān)系如下：

式中 h0——水力最佳斷面下的水深；

Q——流量；

i——隧洞比降；

n——隧洞過流斷面糙率；

β——設(shè)計過流斷面的寬深比，β=B/h；

B——底寬；

h——設(shè)計水深；

α——過流斷面與水力最佳過流斷面面積比。

1.2 凈空、高寬比經(jīng)驗取值

統(tǒng)計分析湖南韶山灌區(qū)、河南陸渾灌區(qū)、山東仁河灌區(qū)等30個隧洞案例[2]，點繪關(guān)系圖見圖1、圖2。案例中隧洞最長10 294 m，最短181 m，平均1 764 m。

圖1 流量—凈空分布

圖2 高寬比—凈空分布

1.2.1 流量、斷面凈空、高寬比的關(guān)系

將樣本按輸水流量分3級：30 m3/s以下，30～60 m3/s，60 m3/s以上。（1）流量大于60 m3/s：凈空比10.81%～31.54%，20%左右的出現(xiàn)機(jī)率較大；高寬比1～1.1，1出現(xiàn)幾率較大。（2）流量在30～60 m3/s：凈空比5.55%～28.06%，15%～25%出現(xiàn)幾率較大；高寬比1～1.4，1.2附近出現(xiàn)幾率較大，比值小于1和大于1.5的未出現(xiàn)。（3）流量小于30 m3/s：斷面凈空比10.46%～47.25%，大于25%出現(xiàn)幾率較大；斷面高寬比0.81～1.33，1出現(xiàn)幾率較大，比值小于1的出現(xiàn)幾率加大，大于1.2出現(xiàn)幾率很小。

1.2.2 高寬比與巖性

隧洞的高寬比往往與圍巖的巖性有關(guān)，統(tǒng)計以上資料，可以看出：堅硬、完整、膠結(jié)好的Ⅰ、Ⅱ類圍巖，高寬比0.81～1.15，平均0.95；風(fēng)化嚴(yán)重、破碎、互層、軟弱的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，高寬比一般大于1，最大值1.35（風(fēng)化片麻巖，過流35 m3/s），平均1.13。巖性好，高寬比小，其值在1附近；巖性差，高寬比大；高寬比和巖性無明顯的量化關(guān)系。

1.3 附加水面超高

對拱角部位有防水要求的，可根據(jù)設(shè)計水位，增加0.1～0.2 m的安全超高，該部分為方形非過流斷面。設(shè)計中可在過流斷面和凈空確定后，加大直墻高度。

2 簡化設(shè)計方法

通過實用經(jīng)濟(jì)斷面和凈空2個方面控制全斷面設(shè)計（凈空不含超高，超高部分待前兩部分完成后考慮）。利用隧洞面積分區(qū)比和洞高與洞寬比，可以得到全洞高寬比β0、α、β和凈空比φ存在以下函數(shù)關(guān)系：

式中 θ——水面線對應(yīng)的拱心角；

φ——為隧洞凈空與全斷面面積比；

β0——為全洞高寬比。

選凈空15%、20%、25%分別計算水力實用經(jīng)濟(jì)斷面的寬深比、隧洞高寬比、拱圓心角等特征值，取常用的窄深式斷面成果，即得簡化設(shè)計計算表格，見表1。該表格相應(yīng)于隧洞斷面高寬比0.63～1.59，斷面圓拱中心角58.54°～175.07°，其包容量不小于現(xiàn)行規(guī)范給定范圍，可用于圓拱直墻隧洞的斷面設(shè)計。

表1 圓拱直墻隧洞斷面設(shè)計計算表

3 結(jié)語

本方法對圓拱直墻隧洞斷面各要素關(guān)聯(lián)后，隧洞凈空、過流斷面寬深比、全洞高寬比、圍巖巖性同時出現(xiàn)，有利于對隧洞斷面進(jìn)行綜合判定選擇；當(dāng)隧洞斷面要素與假設(shè)有差異時，可通過優(yōu)選后適當(dāng)調(diào)整。但對于高速水流、紊流及施工條件控制的隧洞，不適用本方法。

[1]蘇東喜，肖劍，戴雪.無壓均勻流矩形斷面寬深比關(guān)系式推導(dǎo)[J].水利水電工程設(shè)計，2013（2）：29-30.

[2]熊啟鈞.隧洞[M]：北京：中國水利水電出版社，2005.

向廣銀 男 高級工程師 信陽市水利勘測設(shè)計院 河南信陽 464000

蘇東喜 男 高級工程師 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司河南鄭州 450003

王愛國 男 高級工程師 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司河南鄭州 450003

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