禹門口水利工程北干線引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

南江江

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原030024）

1 工程概況

山西禹門口水利工程是一個(gè)集泵站、水庫(kù)、灌區(qū)等為一體的大型綜合性水利工程，工程由樞紐工程、北干線工程、南干線工程、調(diào)蓄工程和灌區(qū)五部分組成。北干線起點(diǎn)為禹門口樞紐一級(jí)站，終點(diǎn)是臨汾翼城縣的北常水庫(kù)，全長(zhǎng)135 km，沿線設(shè)有禹門口樞紐一級(jí)站、禹門口樞紐二級(jí)站、禹門口東擴(kuò)一級(jí)站、禹門口東擴(kuò)二級(jí)站、禹門口東擴(kuò)三級(jí)站、利民泵站6座泵站。禹門口一級(jí)站與禹門口二級(jí)站間引水渠線長(zhǎng)2.6 km，二級(jí)站與東擴(kuò)一級(jí)站間渠線長(zhǎng)75.7 km，東擴(kuò)二級(jí)站至北常水庫(kù)管線長(zhǎng)57 km。

現(xiàn)狀邊山埋涵由于山洪沖刷，埋涵外露，埋涵基礎(chǔ)局部懸空，雖對(duì)暗涵基礎(chǔ)做過(guò)多次安全防護(hù)，但仍給整個(gè)禹門口水利工程的安全運(yùn)行和山下村民的生產(chǎn)、生活造成極大隱患。設(shè)計(jì)采用新建隧洞，代替現(xiàn)狀邊山暗涵輸水。新建隧洞位于禹門口二級(jí)站出水池下游二級(jí)干渠段樁號(hào)0+181～0+554，改線隧洞全長(zhǎng)373 m，設(shè)計(jì)輸水流量16 m3/s。

2 引水隧洞洞線布置

引水隧洞洞線，是禹門口水利工程北干線輸水工程線路的一部分，線路布置必須服從現(xiàn)狀輸水系統(tǒng)總體布置要求，兼顧地形地質(zhì)條件、現(xiàn)有上游暗涵、下游渠道線路及對(duì)周圍建筑物的安全影響等因素，通過(guò)綜合分析比較確定洞線位置。

新建隧洞洞線布置，在結(jié)合現(xiàn)狀相關(guān)工程布置，考慮其上、下游水流平順銜接，且不影響現(xiàn)狀砌石攔渣壩及壩肩泄洪渠安全穩(wěn)定情況下，新建隧洞進(jìn)口布置在現(xiàn)狀1號(hào)隧洞末端排洪渠左堤附近，出口布置在二級(jí)干渠神前村1號(hào)渡槽前的山洪溝東側(cè)，與渡槽進(jìn)口矩形明渠平順銜接?？紤]到隧洞地形、地質(zhì)條件、洞身側(cè)向巖體覆蓋厚度及穩(wěn)定性和水流等條件，在新建隧洞進(jìn)口與上游暗涵銜接處、洞身段和末端矩形渠銜接段，各布置1個(gè)彎道段。

3 引水隧洞水力計(jì)算

3.1 斷面型式及尺寸擬定

現(xiàn)狀邊山暗涵長(zhǎng)371 m，安全隱患大，設(shè)計(jì)采用新建隧洞替換現(xiàn)狀邊山暗涵引水，根據(jù)洞線布置，新建引水隧洞洞線全長(zhǎng)373 m，故改線隧洞渠底比降仍采用原暗涵渠底比降1/4 000。

由于隧洞上游暗涵和下游渠道過(guò)水?dāng)嗝婢鶠榫匦危骶鶠闊o(wú)壓流，為了使新建隧洞上、下游二級(jí)干渠水流平順銜接，隧洞采用圓拱直墻斷面，C30 F150 W4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。新建隧洞過(guò)流斷面凈寬4.0 m，直墻高2.3 m，圓拱半徑2.0 m，圓心角180°，凈高4.3 m。

3.2 水力計(jì)算

便于隧洞與上游矩形暗涵和下游矩形渠的水流平順銜接，確保明流無(wú)壓隧洞在不同流量下均能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，在確定隧洞的斷面形狀、縱坡后，由于隧洞長(zhǎng)度L≥8H（L為洞身長(zhǎng)度373 m，H為進(jìn)口水深3.15 m），故新建隧洞為無(wú)壓長(zhǎng)洞，過(guò)流能力按明渠均勻流公式計(jì)算，確定隧洞水深、水面線、流速及凈空等相關(guān)水力要素及斷面參數(shù)，進(jìn)而確定隧洞過(guò)水?dāng)嗝娉叽?。改線段隧洞設(shè)計(jì)過(guò)流能力為16 m3/s，設(shè)計(jì)縱坡采用原渠道設(shè)計(jì)縱坡1/4 000，糙率0.014，經(jīng)計(jì)算隧洞設(shè)計(jì)水深3.15 m。

另外，隧洞洞線共布置3個(gè)彎道段，曲率半徑分別為20 m、30 m和50 m，均不小于5倍的水面寬度20 m，且設(shè)計(jì)流速1.28 m/s小于2 m/s，故不考慮隧洞彎道凹岸的超高。

3.3 凈空計(jì)算

對(duì)于流速較低、通氣條件良好的無(wú)壓隧洞，規(guī)范要求洞內(nèi)水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，且高度不小于0.4 m。該隧洞過(guò)流斷面凈寬4.0 m，直墻高2.3 m，圓拱高2.0 m，設(shè)計(jì)水深3.15 m，凈空高度1.15 m，凈空面積為洞身面積的19.3%，大于15%。故初擬隧洞斷面尺寸合理，滿足規(guī)范要求，新建隧洞斷面采用初似斷面尺寸。

4 新建引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新建隧洞全長(zhǎng)373 m，洞身段穿越地層巖性主要為Ⅳ類及Ⅴ類圍巖，Ⅳ類主要為太古界涑水群（Ars）花崗片麻巖，Ⅴ類圍巖主要為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）碎石混合土，還有一部分處于太古界涑水群Ars巖石風(fēng)化層。隧洞勘探洞底以下18 m深度范圍內(nèi)未揭露地下水位，全線路不受地下水影響。

隧洞進(jìn)口明挖段長(zhǎng)33 m，出口明挖段長(zhǎng)66 m，穿越Ⅳ類圍巖段長(zhǎng)112 m，穿越Ⅴ類圍巖段162 m。

Ⅳ類圍巖斷面開(kāi)挖后，掛直徑8mm間距150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土10 cm厚，采用C30鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為底板45 cm，側(cè)墻及頂拱35 cm。

擬定的斷面形式及尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 Ⅳ類圍巖隧洞橫斷圖

由于Ⅴ類圍巖巖體破碎、松散，穩(wěn)定性極差，極易坍塌，隧洞開(kāi)挖擬采用超前小導(dǎo)管施工方案，掛直徑8mm間距150mm×150mm鋼筋網(wǎng)，噴C25混凝土15cm厚，采用C 30鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為底板50 cm，側(cè)墻及頂拱40 cm。

擬定的斷面形式及尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 Ⅴ類圍巖隧洞橫斷圖

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算原理

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法的數(shù)值解法—邊值法進(jìn)行計(jì)算，將襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算化為非線性常微分方程組的邊值問(wèn)題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點(diǎn)，以計(jì)算水工隧洞襯砌在各荷載組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布，再通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定隧洞襯砌厚度和配筋。

4.3 荷載

作用在襯砌上的荷載分為基本荷載和特殊荷載。根據(jù)本工程特點(diǎn)，隧洞所承受的基本荷載有圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力等；特殊荷載有灌漿壓力、施工荷載、地震作用等。設(shè)計(jì)根據(jù)各種不同工況下同時(shí)存在的基本荷載和特殊荷載組合進(jìn)行，并根據(jù)相應(yīng)工況下規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在各種荷載組合工況下，計(jì)算隧洞鋼筋混凝土襯砌厚度和相應(yīng)配筋結(jié)果，并進(jìn)行襯砌最大裂縫寬度驗(yàn)算。

國(guó)內(nèi)外震災(zāi)調(diào)查資料表明，地下結(jié)構(gòu)的震害比地面結(jié)構(gòu)輕。因此按照水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，只對(duì)設(shè)計(jì)裂度為9度的地下結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)裂度為8度的1級(jí)地下結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算建筑物和地基的抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性。新建隧洞是設(shè)計(jì)裂度為7度，建筑物級(jí)別為4級(jí)的地下水工建筑物，不進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算。

荷載組合見(jiàn)下表：

表1 隧洞荷載組合表

（1）圍巖壓力

作用在襯砌上的圍巖壓力計(jì)算公式如下：

垂直方向：qv=（0.2～0.3）γR B

水平方向：qh=（0.05～0.1）γRH

式中：qv——垂直均布圍巖壓力，kN/m2；

qh——水平均布圍巖壓力，kN/m2；

γr——巖體容重，25 kN/m3；

B——開(kāi)挖斷面寬度，m；

H——開(kāi)挖斷面高度，m。

（2）灌漿壓力

襯砌施工后，對(duì)頂拱中心角120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，回填灌漿荷載作用于襯砌的比例較小，本次計(jì)算對(duì)Ⅳ類圍巖分別取0.2 MPa和0.1 MPa進(jìn)行計(jì)算比較，Ⅴ類圍巖參照土洞灌漿壓力取0.1 MPa。

（3）內(nèi)水壓力

正常運(yùn)行工況，取設(shè)計(jì)水深h=3.15 m，水的容重取10 kN/m3。

（4）外水壓力

隧洞勘探洞底以下18 m深度范圍內(nèi)未揭露地下水位，線路不受地下水影響，外水壓力取0。

（5）襯砌自重

鋼筋混凝土襯砌容重取25 kN/m3。

（6）基底反力

按受力平衡法則，將所有垂直力的合力對(duì)底板底部求均布反力。

（7）荷載標(biāo)準(zhǔn)值

隧洞計(jì)算荷載標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2。

表2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

采用理正巖土系列6.5版隧洞襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算程序，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖隧洞回填灌漿壓力分別取0.1 MPa和0.2 MPa作計(jì)算，0.1 MPa計(jì)算結(jié)果作參考分析。新建隧洞配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 隧洞斷面配筋計(jì)算結(jié)果表

Ⅳ類圍巖隧洞回填灌漿壓力按0.2 MPa計(jì)算，程序計(jì)算配筋偏大，回填灌漿荷載作用于襯砌的比例較小，參照已建工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮實(shí)際配筋如下：

Ⅳ類圍巖：底板、側(cè)墻及頂拱直徑25 mm間距150 mm。

Ⅴ類圍巖：底板直徑25 mm間距150 mm；側(cè)墻及頂拱直徑20 mm間距150 mm。根據(jù)配筋計(jì)算結(jié)果選取鋼筋見(jiàn)下表4。

表4 隧洞斷面配筋表

隧洞為二類環(huán)境鋼筋混凝土構(gòu)件，裂縫寬度允許值為0.30 mm，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果顯示，最大裂縫出現(xiàn)在隧洞底板中部或側(cè)墻底端，均滿足規(guī)范要求。

4.5 防滲和排水設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)資料，隧洞勘探洞底以下18 m深度范圍內(nèi)未揭露地下水位，故設(shè)計(jì)不考慮外水壓力及外水內(nèi)滲影響和洞身排水設(shè)計(jì)，僅考慮內(nèi)水外滲的防滲措施。

隧洞洞身段每8 m設(shè)一道變形縫，縫寬2 cm，采用651橡膠止水帶進(jìn)行止水。設(shè)計(jì)對(duì)隧洞進(jìn)、出口邊坡采用噴射C20混凝土進(jìn)行防護(hù)，在坡腳處設(shè)置了截水溝，形成了可靠的排水系統(tǒng)，有效防止了地面徑流沖蝕破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

隧洞已建成并安全通水運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，滿足工程運(yùn)行規(guī)范，為禹門口水利工程北干線供水安全運(yùn)行提供了輸水保障。