柏葉口水庫(kù)龍門(mén)供水工程輸水隧洞設(shè)計(jì)

1 工程概況

柏葉口水庫(kù)龍門(mén)供水工程是柏葉口水庫(kù)向交城縣供水的配套工程，以城市生活和工業(yè)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉。工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等，取水規(guī)模為1 800萬(wàn)m3/年，其中:工業(yè)及城市生活用水1 100萬(wàn)m3/年，農(nóng)業(yè)灌溉700萬(wàn)m3/年;設(shè)計(jì)供水流量為 1．3 m3/s。

輸水隧洞樁號(hào)3+642．00 ～13+035．00，總長(zhǎng)度9．393 km。

2 地質(zhì)情況

樁號(hào)3+642～4+324地段，隧洞穿過(guò)的地層巖性為二迭系上統(tǒng)石千峰組(Psh2)上部紫紅色泥巖與薄層砂巖互層，泥巖所占比例較大;樁號(hào)4+324～5+450．5地段，洞線穿過(guò)TL11砂巖夾薄層泥巖，其中砂巖為中硬巖，泥巖為軟巖，中厚層中硬巖夾薄層～極薄層軟巖;樁號(hào)5+450．5～7+268地段，洞線穿過(guò)的地層巖性主要為T(mén)L21砂巖夾薄層泥巖，為中厚層中硬巖與軟巖互層，弱風(fēng)化～微風(fēng)化;樁號(hào)7+268～8+030地段，洞線穿過(guò)TL11砂巖夾薄層泥巖，為中厚層～厚層狀砂巖夾薄層～極薄泥巖;樁號(hào)8+030～8+175地段，洞線從黃泥溝右岸一凸出山梁北側(cè)邊，穿過(guò)黃泥溝，至黃泥溝左岸。隧洞穿過(guò)的地層巖性為T(mén)L11中厚層～厚層狀砂巖夾薄層～極薄泥巖;樁號(hào)8+175～12+375地段，洞線穿過(guò)TL11中厚層～厚層狀砂巖夾薄層泥巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度為發(fā)育～較發(fā)育，砂巖為中硬巖，泥巖為軟巖;樁號(hào)12+375～13+035地段，洞身穿過(guò)的地層巖性為Psh2中厚層紫紅色泥巖夾淺綠色砂巖。

表1 輸水隧洞圍巖分布情況表

輸水隧洞圍巖分布情況見(jiàn)表1。

3 洞線選擇

輸水隧洞段，即西冶川河?xùn)|岸—石樹(shù)溝西側(cè)，考慮地域界線及方便施工，洞線線路布置方案主要有:1)直線布置方案;2)折線布置方案。洞口(包括支洞口)涉及到的溝道有西冶川溝、加子溝、黃泥溝、的只溝、虎喊溝、石樹(shù)溝等。

隧洞線路直線布置方案，樁號(hào)為B3+642．00～B12+718．70，從西冶川河右岸入洞后，至加子溝后折向北至石樹(shù)溝。線路上布置有B-1號(hào)隧洞、B-2號(hào)隧洞、B-1號(hào)埋涵等永久工程及B-1號(hào)支洞、B-2號(hào)支洞和B-3號(hào)支洞等臨時(shí)工程。方案線路比較平順，但隧洞埋深較大，施工支洞較長(zhǎng)，施工不便，費(fèi)用較高，因此將該方案作為比較方案。隧洞線路折線布置方案，樁號(hào)為3+642．00～13+035．00，西冶川河右岸入洞后，至加子溝后折向南至黃泥溝，再折向北至石樹(shù)溝。線路上布置有T-1號(hào)隧洞等永久工程及T-1號(hào)支洞和T-2號(hào)支洞臨時(shí)工程。該方案線路折點(diǎn)較多，不順直，但隧洞埋深相對(duì)較淺，施工支洞兩條，施工相對(duì)方便，且包括支洞在內(nèi)的線路長(zhǎng)度較短，因此采用該方案。

4 洞型設(shè)計(jì)

隧洞的橫斷面形狀應(yīng)根據(jù)隧洞的用途、水力學(xué)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、襯砌工作條件、施工方法等因素，通過(guò)技術(shù)分析確定。根據(jù)工程情況，輸水工程按重力流設(shè)計(jì)，輸水隧洞為無(wú)壓隧洞，橫斷面形狀采用城門(mén)洞形，設(shè)計(jì)縱坡1/1 500，設(shè)計(jì)流量為1．3 m3/s。

根據(jù)總體方案，為確保明流無(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、底坡后，可用明渠均勻流理論試算確定隧洞水位、水深、流速、凈空等水利要素，進(jìn)而驗(yàn)證工程布置、斷面形式、尺寸及隧洞縱坡的合理性。

無(wú)壓隧洞過(guò)流能力計(jì)算按明渠均勻流公式計(jì)算。輸水隧洞水深 0．655 m，流速 0．99 m/s。隧洞底寬 2．0 m，直墻高 2．0 m，頂拱半徑 1．25 m，矢高0．50 m，圓心角106°。

5 襯砌設(shè)計(jì)

隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持圍巖穩(wěn)定、滿足運(yùn)行所需要的水力學(xué)條件、滿足防滲要求、防止水流沖刷以及溫度、濕度、大氣等因素對(duì)圍巖的破壞作用。

隧洞襯砌形式應(yīng)綜合考慮斷面形狀和尺寸、運(yùn)行條件及內(nèi)水壓力、圍巖條件、防滲要求、支護(hù)效果、施工方法等因素，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。目前常用的隧洞襯砌形式有擺闊錨噴襯砌、混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。

襯砌厚度參考草峪嶺隧洞等工程，初步定為0．35 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，噴100 mm厚C25混凝土，則開(kāi)挖寬度為2．9 m，開(kāi)挖高度3．3 m。半寬為1．175 m，直墻段高度為2．231 m，半角為56°，半徑為1．425 m。施工期間回填灌漿壓力采用0．35 MPa。隧洞外水壓力Ⅲ類最大為HⅢ=118．62 m，Ⅳ類為HⅣ=81．34 m，Ⅴ類為HⅤ=36．05 m。根據(jù)SL 279-2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范適當(dāng)進(jìn)行折減。

采用《程序集》計(jì)算，通過(guò)分析最不利組合及最危險(xiǎn)斷面，分別對(duì)其配筋和限裂進(jìn)行了計(jì)算分析。考慮Ⅲ，Ⅳ類圍巖巖石堅(jiān)固系數(shù)較高，采用考慮巖石彈性抗力的情況，Ⅴ類采用不考慮巖石彈性抗力的情況。具體荷載組合見(jiàn)表2。

表2 隧洞計(jì)算分析荷載組合

襯砌計(jì)算成果見(jiàn)表3。

6 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

輸水隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類，長(zhǎng)度分別為6 088．5 m，1 701．6 m和1 604．9 m。根據(jù)地質(zhì)評(píng)價(jià)及襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，Ⅲ類圍巖隧洞段，一次支護(hù)采用φ22隨機(jī)錨桿，結(jié)合掛Φ10鋼筋網(wǎng)噴C25混凝土100 mm厚，二次襯砌底板、側(cè)墻及頂拱均采用C25鋼筋混凝土，厚350 mm。Ⅳ，Ⅴ類圍巖隧洞段，一次支護(hù)采用φ22系統(tǒng)錨桿，局部采用Ⅰ12．6工字鋼支撐，結(jié)合掛Φ10鋼筋網(wǎng)噴C25混凝土100 mm厚，二次襯砌底板、側(cè)墻及頂拱均采用C25鋼筋混凝土，厚350 mm。

表3 輸水隧洞圍巖襯砌計(jì)算結(jié)果表

7 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了柏葉口水庫(kù)龍門(mén)供水工程輸水隧洞的設(shè)計(jì)，針對(duì)工程中不同圍巖情況采用不同的支護(hù)方案，保證了供水工程的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，對(duì)今后的工程項(xiàng)目提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

［1］李鈺璽．公路引水隧洞關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．山西建筑，2010，36(9):353-354．