張碧

（遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州遵義 563003）

1 工程概況

正安縣土坪集鎮(zhèn)排洪工程位于正安縣土坪鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)西南面，土坪鎮(zhèn)四面環(huán)山，中間盆地，集鎮(zhèn)洪水主要通過(guò)上壩河末端溶洞和戚教溝末端毛沽洞向猛溪河排泄，現(xiàn)狀均不能滿足設(shè)防洪水排洪要求，如遇暴雨便排洪不暢，鎮(zhèn)區(qū)被淹時(shí)常發(fā)生。根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒的受災(zāi)情況推算，年均被沖毀的財(cái)產(chǎn)達(dá)數(shù)百萬(wàn)元甚至上千萬(wàn)元，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝藗兊纳a(chǎn)生活。

由于土坪集鎮(zhèn)為正安縣重要集鎮(zhèn)，為推動(dòng)集鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，擬于集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)新建工業(yè)園區(qū)，本次防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)道G243 防洪標(biāo)準(zhǔn)采用25 年。因此在上壩河的末端新建2055m 排洪隧洞，將鎮(zhèn)區(qū)洪水排入附近猛溪河。建成后集鎮(zhèn)能抵御20 年一遇洪水，達(dá)到國(guó)家要求和規(guī)定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并與城鎮(zhèn)規(guī)劃相協(xié)調(diào)，使鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)居民免遭洪澇災(zāi)害，保障居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，適應(yīng)集鎮(zhèn)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 集鎮(zhèn)防洪排洪現(xiàn)狀及治理范圍選擇

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查及分析，土坪集鎮(zhèn)防洪問(wèn)題主要有以下兩個(gè)方面：①上壩河河道斷面小，河道兩岸大部分河段未做防護(hù)處理，河段糙率大、底坡緩，河內(nèi)阻洪建筑物多，行洪能力不足；②上壩河末端落水孔溶洞過(guò)流能力不足，毛沽洞上游國(guó)道G243 現(xiàn)狀排洪涵洞過(guò)流能力不足。

要想一勞永逸地解決集鎮(zhèn)防洪排洪問(wèn)題，需要從河道治理和新建排洪通道兩個(gè)方面下手；①對(duì)鎮(zhèn)區(qū)范圍上壩河道需明確河道岸線、河道寬度及河道管理范圍，留足河道行洪斷面；同時(shí)，還需采取護(hù)岸和護(hù)腳治理等工程措施，防止岸坡垮塌，阻礙河道行洪；②新建排洪隧洞減輕溶洞排洪壓力；同時(shí)，改造國(guó)道G243 排洪涵洞，使其滿足設(shè)防要求，將本片區(qū)洪水排入猛溪河。本次先新建排洪通道，后再治理鎮(zhèn)區(qū)河道。

3 集鎮(zhèn)排洪方案選擇

3.1 排洪方向選擇

通過(guò)地形圖布置結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，土坪集鎮(zhèn)排洪工程排洪方向有兩個(gè)：①東面芙蓉江；②西面猛溪河。集鎮(zhèn)距芙蓉江2.9km，集鎮(zhèn)距猛溪河2.1km；排至芙蓉江需穿越集鎮(zhèn)居民區(qū)密集房屋，征地拆遷費(fèi)用高，建設(shè)不經(jīng)濟(jì)，不宜選作排泄起點(diǎn)。在建設(shè)費(fèi)用優(yōu)、征地拆遷少及建筑軸線布置宜短不宜長(zhǎng)的原則下，確定土坪集鎮(zhèn)排洪的排洪方向?yàn)橄蛎拖优判埂?/p>

3.2 排洪方案選擇

根據(jù)確定的排洪方向，擬定三個(gè)方案對(duì)土坪集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)排洪方案進(jìn)行比選：

方案Ⅰ：新建上壩河末端至毛沽洞排洪渠+毛沽洞擴(kuò)容。方案Ⅱ：擴(kuò)建上壩河末端落水孔溶洞。

方案Ⅲ：新建排洪隧洞＋上壩河末端落水孔溶洞共同排泄。三個(gè)方案對(duì)比見(jiàn)表1。

經(jīng)綜合比選，方案Ⅲ優(yōu)于方案Ⅰ、方案Ⅱ，本工程選擇新建排洪隧洞＋利用上壩河末端落水孔溶洞共同排洪作為土坪集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)洪水排洪方案。

3.3 排洪隧洞軸線選擇

本工程選擇新建排洪隧洞＋利用上壩河末端落水孔溶洞共同排洪，建筑物線路選擇主要是隧洞線路選定。

3.3.1 隧洞進(jìn)口位置選擇

根據(jù)土坪集鎮(zhèn)地形地貌特點(diǎn)以及上壩河河道的走向分布，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，進(jìn)口選擇在上壩河末端落水孔溶洞進(jìn)口旁正南向約70m 處最適宜。該處高程較低，可收集土坪集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)本集雨區(qū)域內(nèi)的全部洪水，天然河道可順接至隧洞進(jìn)口，洪水銜接順暢；進(jìn)口地層巖性為薄至中厚層白云巖、灰?guī)r，掛洞條件較好；該處無(wú)房屋征拆問(wèn)題，只涉及少量占地，總體費(fèi)用較低；該處距居民區(qū)較遠(yuǎn)，隧洞爆破施工影響小。結(jié)合河道末端河床高程，確定隧洞進(jìn)口底板高程為803.00m。

3.3.2 隧洞出口位置選擇

根據(jù)猛溪河河道的走向分布，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，排洪隧洞的出口位置選擇擬定以下兩個(gè)方案進(jìn)行比選：方案Ⅰ：隧洞出口選擇布置于上游新田坎，改建集鎮(zhèn)供水泵站+上游直線排洪隧洞；方案Ⅱ：隧洞出口選擇布置于下游半坡村香樹(shù)坪一帶，不改建集鎮(zhèn)供水泵站+排洪隧洞；兩個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

經(jīng)綜合比選，方案Ⅱ優(yōu)于方案Ⅰ，本工程選擇不改建集鎮(zhèn)供水泵站+排洪隧洞方案。

根據(jù)土坪鎮(zhèn)半坡村香樹(shù)坪一帶地貌地形、地質(zhì)條件，排洪隧洞出口位置宜選擇在猛溪河左岸香樹(shù)坪沖溝上游溶洞出水點(diǎn)山坡往公路方向約100m 處。出口地層巖性為灰?guī)r，掛洞條件較好，下接順直的天然河流，出流順暢。依洞線布置宜短直的原則，結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、施工、房屋征拆和交通等方面，避開(kāi)居民區(qū)、巖體崩塌帶和溶洞出水點(diǎn)，并考慮洪水排泄方便快速，最終選定該處為排洪隧洞出口。根據(jù)地形地質(zhì)條件，結(jié)合沿線溶洞發(fā)育分布情況，經(jīng)綜合考慮，隧洞出口底板高程確定為715.00m，隧洞底坡確定為4.3%。

3.3.3 隧洞洞身線路布置選擇

在隧洞的進(jìn)、出口確定后，沿線分布∈2-3ls、O1t+h 地層，∈2-3ls、O1t+h 地層巖溶強(qiáng)發(fā)育，故綜合隧洞長(zhǎng)度及盡量避免隧洞遇到巖溶管道，隧洞考慮沿山脊進(jìn)行布置。若隧洞軸線布置成直線，隧洞洞線將直接通過(guò)Kwd1～Kwd5消坑和洼地群，該段長(zhǎng)度約815m，施工難度、開(kāi)挖和支護(hù)工程量較大。為避開(kāi)消坑和洼地群，并以較大交角穿過(guò)土坪斷層，且有利于河道水流匯入隧洞，將隧洞曲線布置。隧洞進(jìn)口的走向?yàn)镹E65.11°，隧洞在洞0+067.44 處轉(zhuǎn)向NE31.53°，隧洞在洞0+652.70 處轉(zhuǎn)向NE61.14°。

表1 方案選擇對(duì)比

表2 隧洞出口選擇比較

4 建筑物選型

在隧洞進(jìn)出口位置及線路確定后，需進(jìn)一步確定排洪洞型式，主要是有壓泄水洞與無(wú)壓泄水洞比選：①有壓泄水洞方案：a.需深挖隧洞進(jìn)口保證淹沒(méi)，開(kāi)挖支護(hù)工程量大；b.由于上游來(lái)水變化大，隧洞將出現(xiàn)有壓和無(wú)壓交替，對(duì)洞身不利；c.有壓洞出口需設(shè)閘控制開(kāi)度以達(dá)到有壓的目的，運(yùn)行不便；d.有壓洞須全斷面襯砌，混凝土工程量大、鋼筋用量多、投資造價(jià)高；②無(wú)壓泄水洞方案：a.無(wú)壓洞進(jìn)出口順接不需進(jìn)口淹沒(méi)，開(kāi)挖支護(hù)工程量較小；b.無(wú)壓洞出口不設(shè)閘控制，運(yùn)行簡(jiǎn)便；c.無(wú)壓洞根據(jù)圍巖類別進(jìn)行區(qū)別襯砌，混凝土工程量小、鋼筋用量少、投資造價(jià)低。經(jīng)比選，選定采用無(wú)壓泄水洞方式。

5 排洪隧洞設(shè)計(jì)

5.1 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1.1 地形地質(zhì)條件

排洪洞進(jìn)口為陡坡地形，自然坡度30°～35°，基巖為白云巖，進(jìn)口邊坡洞臉為逆向坡，兩側(cè)為斜向坡。隧洞洞身穿越∈2-3ls 白云巖、灰?guī)r和O1t+h 灰?guī)r，土坪斷層F1與洞線斜交，受斷層切割影響，巖層產(chǎn)狀變化較大，洞線與巖層多小角度斜交；出口地形以斜坡為主，地形坡度20°～30°，洞臉為順向坡，兩側(cè)為斜向坡。由于洞身穿越白云巖、灰?guī)r等強(qiáng)巖溶地層，隧洞巖溶及裂隙較發(fā)育，洞身多處于地下水位線附近，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水及洞身圍巖的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，施工開(kāi)挖遇巖溶洞穴、突水突泥及掉塊的可能性大，特別是汛期施工，應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施；同時(shí)，洞身被斷層F1切割，為張扭性斷層，斷層面產(chǎn)狀N0～23°E/SE∠60°，由于巖體受斷層切割，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，建議施工期間加強(qiáng)施工地質(zhì)復(fù)核，對(duì)不良地質(zhì)段可采取超前探孔探測(cè)，并做好超前支護(hù)措施。

5.1.2 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排洪洞長(zhǎng)度為2055m，進(jìn)口底高程為803.00m，設(shè)計(jì)底坡為0.043，出口底高程為715.00m。開(kāi)挖斷面尺寸寬為4.5m、高為4.9m（城門洞型）。A 型襯砌斷面（V 類圍巖段）采用40cm 厚C25鋼筋混凝土全斷面襯砌，襯砌后斷面尺寸為3.50m×4.00m；B 型襯砌斷面（Ⅳ類圍巖段）為底板兩側(cè)墻三面襯砌，頂拱不襯砌僅噴錨，底板采用40cm 厚C25 鋼筋混凝土襯砌，側(cè)墻采用30cm 厚C25 鋼筋混凝土襯砌，B 型襯砌后斷面尺寸為3.90m×4.40m；C 型襯砌斷面（III 類圍巖段）為底板找平襯砌，頂拱、側(cè)墻不襯砌不噴錨，底板采用40cm 厚C25 鋼筋混凝土襯砌，C 型襯砌后斷面尺寸為4.50m×4.50m。ABC 三種型式襯砌斷面變換時(shí)，采用擴(kuò)散漸變或收縮漸變過(guò)渡處理，保證水流順暢。隧洞內(nèi)臨時(shí)支護(hù)按照不同圍巖類型執(zhí)行不同支護(hù)措施，進(jìn)出口巖質(zhì)邊坡采取坡比為1:0.3的放坡處理，并采用掛網(wǎng)噴C20 混凝土處理。

5.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

隧洞計(jì)算包括斷面計(jì)算、泄流能力計(jì)算、水面線計(jì)算和襯砌計(jì)算等。

5.2.1 斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)洪成果，新建排洪洞需下泄89.2m3/s，隧洞口對(duì)應(yīng)水位為805.51m。根據(jù)本工程地形和地質(zhì)條件，初步確定的進(jìn)、出口高程，經(jīng)試算最終確定該隧洞斷面為城門洞型，各類襯砌型式尺寸不同，成果見(jiàn)表3。

5.2.2 隧洞泄流能力計(jì)算

采用明渠均勻流公式：

表3 隧洞斷面成果

式中：Q——設(shè)計(jì)流量；

n——糙率；

i——設(shè)計(jì)底坡，0.043；

R——水力半徑；

A——過(guò)水?dāng)嗝妗?/p>

根據(jù)直墻高度反算三個(gè)隧道斷面的泄流能力見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果

三種斷面Q＞89.2m3/s，因此隧洞滿足泄洪能力要求。

5.2.3 隧洞水面線計(jì)算

隧洞水面線按能量方程分段求和法計(jì)算，公式如下：

根據(jù)上述條件及公式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 隧洞各斷面水深成果表

隧洞各斷面水面成果滿足規(guī)范要求。

5.2.4 襯砌計(jì)算

隧洞襯砌按限裂要求設(shè)計(jì)，采用理正軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算及配筋計(jì)算，計(jì)算工況分三種：

工況Ⅰ（基本荷載組合正常運(yùn)行工況）：圍巖壓力+襯砌重+內(nèi)水壓+外水壓，裂縫寬度限值0.30mm。

工況Ⅱ（特殊荷載組合檢修工況）：圍巖壓力+襯砌重+最大外水壓（可能出現(xiàn)的），裂縫寬度限值0.30mm。

工況Ⅲ（特殊荷載組合施工工況）：圍巖壓力+灌漿壓力+襯砌重+溫度應(yīng)力+最大外水壓（可能出現(xiàn)的），裂縫寬度限值0.30mm。

設(shè)計(jì)參數(shù)：

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

Ⅴ類圍巖：f=1、K0＜1～3MPa/cm，取K0=2。

Ⅳ類圍巖：f=2～3、K0=3～5MPa/cm，取f=2.5、K0=4。

Ⅲ類圍巖：f=3～5、K0=8～10MPa/cm，取f=4、K0=9。

外水壓力折減系數(shù)：0.6～0.8。

經(jīng)計(jì)算，A 型襯砌截面按水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋，裂縫計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 計(jì)算A 型襯砌段洞身襯砌裂縫成果

由表5 可知，各工況下計(jì)算成果滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

排洪隧洞建成后，土坪集鎮(zhèn)能達(dá)到20 年一遇的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并保障國(guó)道G243 的通行安全，達(dá)到國(guó)家規(guī)定和要求的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并與城鎮(zhèn)規(guī)劃相協(xié)調(diào)，可減輕當(dāng)?shù)厝藗兯芎闉?zāi)之害，加快地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保證社會(huì)和諧安定，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。