輸水隧洞洞型綜合比選

劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

輸水隧洞洞型綜合比選

劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

新疆某長距離輸水隧洞工程分布有長距離連續(xù)軟巖洞段，該段采用復合式襯砌結(jié)構，現(xiàn)從過流能力、結(jié)構受力和施工條件等方面對該軟巖洞段擬定的兩種馬蹄型斷面洞型進行比較，經(jīng)過分析選取綜合方面更優(yōu)的洞型。

輸水隧洞；水力學；有限元；洞型比選

新疆某長距離輸水隧洞工程采用TBM與鉆爆法相結(jié)合的施工方法，其中鉆爆法施工段總長46.2km，分布有連續(xù)的軟巖洞段，長度26.6km，采用錨噴支護加二次襯砌的復合式襯砌結(jié)構，馬蹄型斷面。由于軟巖洞段長度較長，故擬定馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型兩種斷面，從過流能力、結(jié)構受力和施工條件等方面進行洞型比較。

馬蹄型斷面比選分為兩種標準型式：頂拱內(nèi)緣半徑R1，側(cè)拱及底拱內(nèi)緣半徑R2=2R1為Ⅰ型，側(cè)拱及底拱內(nèi)緣半徑R2=3R1為Ⅱ型。在相同流量比降糙率和R1的情況下，擬定軟巖洞段馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型的斷面尺寸，如圖1。

圖1 馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型橫斷面

1 過流能力

比選段隧洞設計流量13m3/s，縱坡1/5000，為保證隧洞無壓輸水，根據(jù)SL279—2016《水工隧洞設計規(guī)范》的要求，“恒定流情況下，當通氣條件良好時，洞內(nèi)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0.4m”。比選段隧洞均為復合式襯砌結(jié)構，縱坡保持不變，根據(jù)傳統(tǒng)水力學理論可知，由于隧洞距離長且沿程條件不變，當隧洞水流為明流時將形成均勻流，可按明渠均勻流理論計算隧洞過流能力，其計算公式：

馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型兩種斷面的過流能力計算結(jié)果如表1。

表1 Ⅰ型和Ⅱ型馬蹄型斷面過流能力

由表1計算結(jié)果可知，馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型的斷面在凈寬、凈高相同的情況下，過流能力均滿足設計要求，從凈空率來看，Ⅱ型過流能力略優(yōu)于Ⅰ型。

2 結(jié)構受力

比選段隧洞主要經(jīng)過侏羅系、白堊系、新近系、第四系地層，地質(zhì)條件復雜，為Ⅳ、Ⅴ類圍巖。現(xiàn)對馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型斷面，選取Ⅴ類圍巖作為典型斷面，采用Abaqus軟件有限元計算方法分析兩種斷面的圍巖變形、襯砌應力，并進行配筋計算。

隧洞建模采用底層—結(jié)構計算模型，采用摩爾庫倫材料模型模擬比選段圍巖的彈塑性，支護襯砌采用彈性材料建模，利用Abaqus軟件中單元生死功能，通過控制荷載釋放系數(shù)，模擬隧洞開挖施工過程，以反映隧洞開挖前后圍巖的變化，進而研究支護襯砌的受力情況。材料參數(shù)如表2。

表2 材料特性參數(shù)

馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型斷面圍巖變形、襯砌應力及配筋結(jié)果分別如圖2～圖4、表3。

圖2 斷面圍巖變形圖

圖3 斷面襯砌第一主應力云圖

圖4 斷面襯砌第三主應力云圖

表3 斷面應力、應變及配筋結(jié)果

馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型的斷面圍巖變形計算結(jié)果顯示，兩斷面型式的圍巖最大變形處均發(fā)生在邊墻位置，差異不明顯，塑性區(qū)半徑也很接近。從應力圖可以看出，兩斷面最大拉應力均集中在底拱處，最大壓應力均集中在拱腳處。從受力方面看，馬蹄型Ⅱ型斷面略大，但配筋結(jié)果一致。

3 施工

軟巖洞段施工方案選用無軌運輸方案，馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型的斷面鋪平后的行車凈寬及凈高比較如表4。

表4 斷面施工比較 單位：m

馬蹄型Ⅱ型斷面底弧曲率半徑較大，襯砌后底寬也略寬于Ⅰ型斷面，可為工程施工及工程運營提供相對較好的交通運輸條件。

4 投資比較

對馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型的斷面型式從開挖量、襯砌量、鋼筋量的工程量及投資進行比較，如表5。

表5 斷面工程量及投資比較（每米）

由表5看出，馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型斷面費用相差較小，基本相同。

5 結(jié)語

通過對馬蹄型Ⅰ、Ⅱ型斷面從過流能力、結(jié)構受力、施工、投資4個方面進行比較，可以看出馬蹄型Ⅰ型結(jié)構受力較好，Ⅱ型斷面施工條件較好，過流能力及投資方面差異不明顯。但考慮到比選段軟巖洞段隧洞洞徑較小，Ⅱ型斷面更有利于隧洞施工，提高施工效率，故推薦選取底弧曲率較小的馬蹄型Ⅱ型斷面型式。

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（責任編輯：尹健婷）

A comprehensive comparison of water conveyance tunnels with different cavity forms

LIU Hai-bo
（Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resource and Hydropower，Urumqi 830000，China）

This study is based on the construction of a long-distance water conveyance tunnel project which comprises a long and continuous segment with soft rock.The segment is designed using a composite lining structure.The study compares two types of cavity forms with U-shaped section，from the aspects of discharge capacity，structural force，and execution conditions.This study is aimed at selecting the most optimized cavity form for the real construction work.

water conveyance tunnels；hydraulics；finite element；comparison of different cavity forms

TV672+.1

B

1672-9900（2017）01-0069-03

2017-01-10

劉海波（1988-），男（漢族），新疆烏魯木齊人，助理工程師，主要從事水利工程設計工作，（Tel）18599002496。