胡普年

（甘肅省引大入秦工程管理局，蘭州 730000）

1 工程背景

盤道嶺隧洞全長約15.723 km，是甘肅省引大入秦工程總干渠中最長的無壓引水隧洞，也是引大入秦工程總干渠的“咽喉”工程。由于該隧洞位于軟-極軟巖地層和少量的第四系地層中，地層巖性復雜，地質(zhì)條件惡劣，通水運行23 a來，經(jīng)過幾次加固處理，洞內(nèi)仍存在多處安全隱患，部分洞段存在裂縫、表面混凝土剝蝕、地下水外滲等病害缺陷，嚴重影響了隧洞結(jié)構(gòu)安全和耐久性。2013年9月—2014年12月針對盤道嶺隧洞的突出病害問題實施了盤道嶺隧洞除險加固項目，采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土襯砌加固，襯砌內(nèi)斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸3.7 m×3.9 m（寬×高），頂弧半徑1.85 m，側(cè)墻圓弧半徑5.55 m，底板圓弧半徑5.55 m，最小襯砌厚度為0.25 m。為降低糙率滿足過流要求，洞內(nèi)迎水面混凝土澆筑采用鋼模臺車一次現(xiàn)澆成型的施工工藝和塑料板護壁。

2 研究目的和意義

糙率n是水流經(jīng)過不同邊界條件所受阻力的綜合系數(shù)，與過流建筑物表面的粗糙度和邊壁形狀密切相關，是長距離輸水工程的重要設計指標，直接影響著工程投資。長距離輸水工程流線長，各段的襯砌表面粗糙程度、渠道坡降、斷面形狀、河道形狀、植被覆蓋情況、淤積情況以及渠系建筑物的施工質(zhì)量、養(yǎng)護條件、使用年限等均存在較大差異，簡單照搬以往的經(jīng)典計算公式得出的結(jié)果會與實際存在較大偏差，因此，糙率成為了輸水工程投資控制的關鍵因素。南水北調(diào)中線工程的北京干線經(jīng)評估，糙率n每降低0.001，就會使工程包括泵站的投資減少數(shù)億元；甘肅省引洮一期工程糙率由0.014 5降為0.014 0后，總長度57 891 m的隧洞采用爆破法施工，總計估算減少投資1 270萬元。

對于盤道嶺隧洞加固工程，一方面隧洞洞壁襯砌加固減小了過水斷面面積，進而減小了泄流能力；另一方面施工方式選擇和混凝土澆筑技術水平提高可降低洞壁糙率，增大泄流能力。為降低工程造價，本工程采用鋼模臺車襯砌等新技術，擬通過減小洞壁粗糙度減小糙率，彌補過水斷面面積減小對過流能力的影響。為判定加固后的渠系建筑物能否滿足過流能力的設計要求，對盤道嶺隧洞加固工程的糙率進行了原型觀測，以確定襯砌加固后各渠系建筑物的平均糙率。觀測成果可為類似引調(diào)水工程優(yōu)化設計、節(jié)約工程投資提供科學依據(jù)。

3 糙率原型觀測方法

3.1 糙率觀測的理論依據(jù)及主要觀測參數(shù)

式中：Q為流量（m3／s）；A為過流面積（m2）；R為水力半徑（m）；i為底坡。這些參數(shù)中，底坡i為定值，過流面積A和水力半徑R需由水位計算得出，因此，糙率原型觀測成果可靠、準確的關鍵是流速V與觀測段水位H的準確量測。

3.2 關鍵參數(shù)的測量方法及測點布置

盤道嶺隧洞段無支流匯入，因流量變化緩慢，忽略間滯效應，同一時間各測點的流量可視為一致。為便于觀測，本次原型觀測選擇了在盤道嶺隧洞進口前疙瘩溝矩形明渠段（樁號62+170）布設測流斷面。采用L25-3C型螺旋槳式流速儀進行流速測量；采用XD-2206-US型一體化超聲波遙測水位計實時測量、記錄不同時間的水位；采用流速-面積法可計算得出不同時間的過水流量，并可率定繪制出該測流斷面的水位-流量關系曲線，供其他斷面推算流量使用。其他測點則只需同步測量水位即可。流速、水位測點布置見表1。

4 糙率原型觀測及分析

4.1 糙率觀測結(jié)果

依據(jù)原始數(shù)據(jù)，水流從測點1到測點4時間約為101 min。其中：從測點1到測點2時間約為11min；從測點2到測點3時間約為6 min；從測點3到測點4時間約為84 min。在計算中，分別取各測點測流流量對應時間點前后2 h數(shù)據(jù)的平均值作為計算水位。本文從2015年11月21日—2016年10月20日近1 a的原型觀測資料中摘取了9個時間段的觀測資料進行分析。

表1 測點布置Table 1 Location of measuring points

隧洞進口前疙瘩溝矩形明渠段流量觀測斷面（62+170）的水位-流量關系見圖1。各測點的相關數(shù)據(jù)及結(jié)合各測點斷面的形狀參數(shù)可計算得出的各測點斷面糙率見表2。

圖1 測流斷面（62+170）的水位-流量關系曲線Fig．1 Stage-discharge relation at cross section（62+170）

4.2 糙率觀測結(jié)果的合理性分析

4.2.1 隧洞進口前渠道段

疙瘩溝矩形渠段（62+170）測點斷面的平均糙率為0.013 07。依據(jù)清華大學王光謙院士等［1］在“南水北調(diào)中線工程總干渠糙率綜合論證”中提出的不同邊界條件渠道糙率基準值，如表3所示，隧洞進口前渠道段為混凝土襯砌較好的渠道，可取一般值0.013，觀測的平均糙率是合理的。

表3 渠道糙率基準值Table 3 Reference values of roughness coefficient of channel

4.2.2 隧洞進口未加固段

隧洞進口未加固段中部（63+755）測點斷面的平均糙率為0.015 49。依據(jù)呂宏興等［2-3］、吳思［4］的糙率模型試驗研究成果，PVC板材的等效粗糙度為0.015 mm，粘貼1～2，2～3，3～5 mm粒徑的沙子后等效粗糙度Δ分別為1.5，2.5，4.0 mm。在PVC壁面粘貼粒徑1～2 mm（等效粗糙度Δ為1.5 mm）沙子后的糙率為0.012 9左右；在PVC壁面粘貼粒徑2～3 mm（等效粗糙度Δ為2.5 mm）的沙子后糙率為0.016 5左右。如表4，在相同邊壁、相同坡度條件下，糙率隨流量增大而減小，該段洞壁采用傳統(tǒng)的小模板襯砌施工，結(jié)合部存在一定的凸起度。運行多年后，雖然未出現(xiàn)裂縫，但表面混凝土多處出現(xiàn)輕度剝蝕，并掛滿泥苔，增大表面的粗糙度，其平均糙率為0.015 5，介于0.012 9～0.016 5之間，驗證了上述研究成果。

4.2.3 隧洞已加固段

隧洞已加固段在進出口各布置了1個測點斷面。隧洞進口已加固段中部（64+630）的平均糙率為0.011 16；隧洞出口已加固段中部（77+550）的平均糙率為0.010 52，進口段糙率略大于出口段。

表2 各測點斷面糙率測定值Table 2 Measured values of roughness at observation sections

隧洞洞壁不同襯砌施工方法的糙率原型觀測統(tǒng)計見表5。

盤道嶺隧洞除險加固采取鋼模臺車在原隧洞內(nèi)套襯鋼筋混凝土，雖然過流斷面面積有所減小，但混凝土表面平整、光滑，無冷縫和錯臺產(chǎn)生，表面粗糙度接近于PVC板材表面的粗糙度（PVC板材表面糙率一般為0.008），小于粘貼1～2 mm的沙子的表面粗糙度。襯砌后的洞壁效果見圖2。

圖2 襯砌后的洞壁效果Fig．2 Tunnel wall after lining

盤道嶺隧洞加固段底坡在0.714‰～1.000‰之間，計算可知，其雷諾數(shù) Re＞2 000，屬于紊流，弗勞德數(shù)Fr＜1，屬于緩流。以往研究表明［5-7］：流量相同時，急流渠道的渠道糙率隨底坡變化速率較慢，趨于某一常數(shù)；而在緩流渠道中，渠道糙率底坡變化速率則很快，糙率隨底坡減小而逐漸減小。隧洞進口加固段設計底坡為1.000‰，出口加固段八標段設計底坡0.714‰，其相應糙率分別為0.011 16和0.010 52，進口加固段糙率略大于出口加固段，進一步應證了上述規(guī)律。因此，觀測成果是合理的。

5 盤道嶺隧道過流能力分析

5.1 不同水深條件下過水斷面內(nèi)的流量計算

綜合考慮盤道嶺隧洞各段的襯砌表面粗糙程度、渠道坡降、斷面形狀、河道形狀、植被覆蓋情況、淤積情況以及渠系建筑物的施工質(zhì)量、養(yǎng)護條件、使用年限等因素，結(jié)合觀測成果，隧道過流能力選取糙率n為0.011 2進行計算分析。計算表明：在隧洞水面凈空高度為0.86 m（設計最小值）時，水深為3.04 m，相應流量為32.02 m3／s，大于隧洞設計流量（30.00 m3／s），滿足過流能力要求。

5.2 流量-水位原型觀測值分析

在盤道嶺隧洞原型觀測階段，于2016年10月20日 10：30—11：20，在測點 1（疙瘩溝矩形渠段）觀測到的最大流量為30.18 m3／s；水流流至測點3（隧洞進口已加固段中部）的時間約17 min，相應時間長度內(nèi)測點3觀測到的水深為2.78 m，隧洞水面凈空高度1.12 m；水流流至測點4（隧洞出口已加固段中部）的時間約100 min，相應時間長度內(nèi)測點4觀測到的水深為2.68 m，隧洞水面凈空高度1.22 m。觀測研究結(jié)果表明：襯砌后的隧洞過流能力能夠滿足設計要求（30.00 m3／s）。

6 結(jié) 論

（1）引大入秦工程盤道嶺隧洞的原型觀測表明：疙瘩溝矩形明渠段、盤道嶺隧洞未加固段、隧洞進口已加固段、隧洞出口已加固段的平均糙率分別為0.013 07，0.015 49，0.011 16，0.010 52，經(jīng)分析論證，觀測結(jié)果是合理的。其中，加固段的糙率小于設計糙率（0.012 0，減糙后）。

（2）利用觀測糙率，對盤道嶺隧洞過流能力計算分析可知，在隧洞水面凈空高度設計最小值0.86 m時，過水流量可達到32.02 m3／s。原型實測數(shù)據(jù)表明：在流量為30.18 m3／s時，隧洞進口已加固段中部水深為2.78 m、隧洞水面凈空高度1.12 m；隧洞出口已加固段中部水深為2.68 m、隧洞水面凈空高度1.22 m?？梢姡P道嶺隧洞經(jīng)除險加固后，在水面凈空高度為設計最小值0.86 m時，其過流能力大于設計值30.00 m3／s，能夠滿足設計要求。

表5 糙率原型觀測統(tǒng)計Table 5 Statistics of prototype observation of roughness

（3）盤道嶺隧洞除險加固工程，依據(jù)原型觀測成果優(yōu)化了加固設計，取消了粘貼塑料板降低隧洞洞壁糙率措施，直接節(jié)約投資1 200萬元。引調(diào)水工程是我國水資源配置的手段，上述糙率原型觀測手段及成果對于相似工程設計施工具有重要的推廣應用前景和學術價值。