牛芙蓉，馬 龍，王民俠

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

1 背景

陜南嘉陵江畔某縣城受地理位置制約,城區(qū)洪災頻發(fā),防洪形勢嚴峻。防洪區(qū)域內河道狹窄,無設置蓄滯洪區(qū)的條件,也不具備采用明渠分洪的條件。為提高該縣城防洪標準,設計充分利用嘉陵江右岸在城區(qū)段大轉彎的有利地形條件,裁彎取直,依托右岸山體布置分洪隧洞工程,將規(guī)劃流量的洪水自主城區(qū)上游分流至縣城下游河道,減小城區(qū)段過洪流量,減輕縣城防洪壓力。本文以陜南某隧洞分洪工程為背景,針對長距離分洪隧洞斷面體型比選展開研究。

2 工程概況

本工程場區(qū)內有東西向的寶成鐵路,分洪洞軸線東北向布置,分洪隧洞軸線與鐵路路基空間上的交叉難以避免。洞線進出口直線距離約7.4 km,進出口鐵路路基與設計洞底板高差分別為14.5 m、15.2 m?？紤]隧洞襯砌厚度1.2 m、洞頂距寶成鐵路路基1.5 m的安全距離,分洪洞最大可能洞高不宜超過11.8 m。

本次分洪工程設計采用雙隧洞分洪,單洞標準分洪流量572.5 m3/s,兩洞聯(lián)合分洪流量1145 m3/s,與防洪規(guī)劃的分洪流量1140 m3/s基本一致。雙洞軸線間距40 m,洞長分別為7.49 km、7.41 km,分洪洞進水口位置河床平均高程633 m,30年一遇洪水位為 647.26 m,為防止泥沙淤堵,分洪隧洞進口底板高程采用635m,出口高程為626.5 m,隧洞縱坡1.16‰。由于洞前水深小于1.2 倍洞徑,不能形成有壓流,分洪隧洞采用低流速無壓明流隧洞型式。根據(jù)單洞規(guī)劃分洪流量572.5 m3/s、最大洞高11.8 m兩個條件,采用基本一致的隧洞高度設計三種斷面型式進行比選,具體尺寸為：圓形斷面洞直徑 11.5 m,城門洞型11.62 m×11.62 m（寬×高）,馬蹄形12.3m×11.59 m（寬×高）。分洪隧洞斷面尺寸見圖1。

圖1 隧洞斷面型式（單位：m）

3 隧洞體型比選

從洞身段過流能力、結構受力條件、施工條件、工程投資共4個方面對以上三種隧洞體型進行比選。

3.1 隧洞水力計算

對于進口為無壓流的分洪隧洞,先根據(jù)洞長是否影響隧洞泄流能力,判別屬于長洞或者短洞[1]。

（1）臨界水深計算

臨界水深hk滿足下述方程：

式中：Ak為臨界水深時的過水面積m2；Bk為對應hk的水面寬度,m；為動能修正系數(shù),近似取為1；Q、g分別為流量、重力加速度。

對于該分洪隧洞,擬定Bk為11.6 m,計算可得臨界水深hk=6.29 m。

（2）臨界底坡計算

臨界底坡 ik在水深為hk時滿足下式：

式中：Ck、Rk分別為臨界水深時的謝才系數(shù)、水力半徑。

由上式可得ik=Q2/（Ak2Ck2Rk）,將計算所得hk=6.29 m對應的Ck、Rk代入,Q=572.5 m3/s時,臨界比降ik=0.0036。分洪隧洞軸線長約7.4km,隧洞進出口高程差8.5 m,隧洞底坡i=0.00116。i＜ik,為緩坡隧洞,洞長影響隧洞泄流能力。

當?shù)灼聻榫徠露呌谄狡?長短洞的界限長度按下式計算：

式中：H為上游水深,H=14.26 m。

經計算,71.3 m≤Lk≤171.12 m,遠小于隧洞長度7.4 km,據(jù)此可判定分洪隧洞屬長隧洞, 根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL 279-2016）第6.1.3條規(guī)定,無壓隧洞洞身的過流能力,長洞應按均勻流計算。

（3）過流能力計算

根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL 279-2016）第5.3.4條規(guī)定,“恒定流情況下,當通氣條件良好時,洞內水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%,高度不應小于0.4 m[2]。”分洪隧洞為長洞,按均勻流計算,即：

式中：Q為設計流量,m3/s；A為洞身過水斷面面積,m2；R為洞身過水斷面水力半徑,m；R=A/χ,χ為過水斷面濕周,m；i為洞身縱坡,0.00116；C為謝才系數(shù),m1/2/s,C=（1/n）R1/6；n為洞身糙率,n=0.014。

由表1可知,限定洞高條件下擬定的圓形斷面無法滿足分洪流量要求,城門洞型斷面及馬蹄形斷面均可滿足基本的水力條件及凈空比要求。以下將對城門洞型斷面、馬蹄形斷面從其他三個方面進行比選。

表1 分洪隧洞不同斷面型式水力參數(shù)比較表

3.2 洞身結構設計

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求,分洪洞結構設計采用一次噴錨支護與二期鋼筋砼襯砌的聯(lián)合襯砌方式,鋼筋砼襯砌結構設計采用限制裂縫開展寬度設計。

（1）洞身一次支護設計

分洪隧洞洞身總長14804 m,其中Ⅱ類圍巖長度為1320 m,占整個洞室的8.9%；Ⅲ類圍巖長度為10206 m,占整個洞室的68.9%；Ⅳ類圍巖長度為1228 m,占整個洞室的8.3%；Ⅴ類圍巖長度為2050 m,占整個洞室的13.8%。根據(jù)馬蹄形及城門洞型成洞洞徑,預計隧洞洞室開挖跨度B不大于15 m。

按照《水利水電工程錨噴支護技術規(guī)范》（SL 377-2007）相關要求,在隧洞洞室開挖跨度10 m＜B≤15 m的情況下,馬蹄形及城門洞型兩種型式隧洞體型,其一次支護措施相同。隧洞不同圍巖類別噴錨支護設計參數(shù)見表2。

表2 隧洞噴錨支護主要參數(shù)表

（2）洞身襯砌結構計算

根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL 279-2016）推薦的計算方法,采用結構力學方法進行洞身襯砌結構計算,選擇C30W4F50鋼筋混凝土進行襯砌。計算程序采用“水工隧洞鋼筋砼襯砌計算機輔助設計系統(tǒng) SDCAD 4.0”水利版中邊值法計算。

由表3計算成果可以看出,在圍巖類別、圍巖彈性抗力系數(shù)相同的情況下,馬蹄形斷面比城門洞型斷面襯砌厚度更薄,鋼筋用量少。

3.3 施工條件分析

分洪隧洞以Ⅲ類圍巖為主,巖性主要為千枚巖、灰?guī)r和砂質板巖,隧洞埋深最大890 m。本工程進出口緊鄰嘉陵江,且沿右側岸邊有已成寶成鐵路,TBM組裝布置困難,采用TBM施工受到限制,因此本次分洪隧洞主體擬采用鉆爆法施工。從施工條件來看,施工鉆爆開挖難易程度依次是圓形、馬蹄形、城門洞型。城門洞型施工開挖便捷,模板臺車制作容易,施工進度較快,而馬蹄形斷面與城門洞型斷面相比,其斷面襯砌適應不同圍巖壓力分布的能力強,受力條件好,對圍巖穩(wěn)定性有利[3]。馬蹄形斷面的圓弧形仰拱較復雜,對施工運輸有一定影響,但本工程隧洞分洪斷面尺寸較大,仰拱對施工的影響微弱。綜上,從施工角度分析,與城門洞型相比,馬蹄形斷面仍然具備優(yōu)勢。

3.4 工程投資比較

在相同的工程布置及工程地質條件下,兩種斷面所對應的工程投資見表4。馬蹄形斷面比城門洞型斷面節(jié)省投資約6.17億元,節(jié)省投資達35.2%。從控制投資的角度來看,馬蹄形斷面是經濟合理的選擇。

3.5 綜合比較

分洪洞斷面型式綜合比選表見表5。

4 隧洞體型比較結論

以上從水力條件、結構設計、施工條件、工程投資四個角度對設計擬定的三種分洪隧洞斷面形式進行分析比較,結果表明：（1）限定洞高條件下圓形斷面無法滿足泄量要求,而城門洞型斷面與馬蹄形斷面均能滿足設計需求；（2）從結構設計角度來說,城門洞型斷面與馬蹄形斷面在一次支護措施上基本相同,但兩者結構襯砌計算結果存在差異,同等條件下馬蹄形斷面襯砌厚度更薄,鋼筋用量更少；（3）從施工條件角度來看,馬蹄形斷面對圍巖壓力適應性強,結構整體受力更好,有利于圍巖穩(wěn)定性,且本工程施工斷面較大,仰拱施工的不利因素對工程影響微弱；（4）從工程投資的角度來說,與城門洞型斷面相比,馬蹄形斷面更為經濟合理。綜上,本分洪工程推薦采用馬蹄形斷面作為設計斷面。

5 結語

（1）隧洞型式在實現(xiàn)分洪任務的前提下,具有占地少、工程投資較小的優(yōu)點,對長距離分洪隧洞來說,斷面型式的合理擬定具有非常重要的意義,本工程通過比選采用馬蹄形斷面,相比城門洞型節(jié)省投資6.17億元,約占工程投資的35.2%。

（2）馬蹄型斷面利用率高,對復雜地質情況下圍巖壓力適應性強,結構受力更均勻,有利于施工期圍巖穩(wěn)定,因此結構計算中馬蹄型斷面襯砌厚度更薄,鋼筋用量更少。后期設計中應針對本工程中占比最大的Ⅲ類圍巖深入研究,優(yōu)化隧洞斷面支護型式、襯砌厚度、配筋型式。

（3）馬蹄型斷面對施工控制要求高,如控制不利可能開挖成城門洞型,在鉆爆法進行洞室開挖過程應加強施工技術水平,在保證工程安全的前提下實現(xiàn)節(jié)省投資的目的。

（4）本次分洪隧洞工程斷面比選設計從水力計算、結構計算、施工條件、工程投資四個方面進行綜合分析,在滿足主體設計功能的前提下,推薦隧洞斷面型式選取馬蹄形。在后期設計中,可采用有限元設計軟件對隧洞斷面進行結構分析,確定受力薄弱點、應力集中點,并采取相應工程措施。