緊水灘引調水工程隧洞斷面型式設計比選

鐘德恩

（云和縣水利發展有限公司，浙江 云和 323600）

1 工程概況

緊水灘引調水工程是浮云溪流域綜合治理的一個子項目，位于浙江省麗水市云和縣，在原有緊水灘水庫的基礎上新建輸水隧洞及其配套措施，主要任務是充分利用緊水灘水庫的水資源，解決云和縣城備用水源問題，同時改善云和縣城水環境、修復水生態，形成一源一備水資源配置格局。工程優質用水供水范圍為云和縣縣城，生態環境用水供水范圍為浮云溪干流云和縣城段和木路溪、黃溪（浮云溪的一級支流）干流縣城段。云和縣城城區供水主要由霧溪水庫提供，梅壟水庫作為應急水源，本次規劃將緊水灘水庫作為云和縣城城區備用水源，因此，徑流計算主要包括緊水灘水庫徑流計算和霧溪水庫、梅壟水庫徑流計算。工程基準年為2017 年，近期水平年采用2020 年，遠期水平年采用2030 年。

（1）生態流量引水需求

浮云溪生態流量2.23 m3/s，黃溪生態流量0.35 m3/s、木路溪生態流量0.30 m3/s。本次設計考慮，在對浮云溪、黃溪、木路溪進行生態補水時，若按逐日計算，逐日補水，操作復雜，對緊水灘水庫調度不利，故考慮逐月調節，當月平均流量不足生態流量時，進行補水，補水時段為早上八點至晚上八點。

經長系列資料調算，浮云溪多年平均需引水0.66 m3/s，按引水時段早上八點至晚上八點計算，多年平均引水量1332 萬m3；黃溪多年平均需引水0.10 m3/s，按引水時段早上八點至晚上八點計算，多年平均引水量158 萬m3；木路溪多年平均需引水0.09 m3/s，按引水時段早上八點至晚上八點計算，多年平均引水量 140 萬 m3。

輸水隧洞規模計算時，按生態流量確定，浮云溪2.23 m3/s，黃溪0.35 m3/s，木路溪 0.30 m3/s。

（2）城鄉生活及工業用水引水需求

2030 年，城鄉生活及工業用水日平均需水量為3.75 萬m3/d。

綜上，緊水灘水庫引調水工程輸水規模共2.88 m3/s，浮云溪生態流量2.23m3/s，多年平均引水量1332萬m3；黃溪生態流量0.35m3/s，多年平均引水量158 萬m3，木路溪生態流量0.30m3/s，多年平均引水量140 萬m3。合計從緊水灘水庫年引水量1630 萬m3。

考慮梅壟水庫現狀作為備用水源，供水設備和條件難以滿足。在木路溪預留供水管，為實現工程的優化使用，考慮當霧溪水庫、梅壟水庫不能供水時，從緊水灘水庫引水，供給城區全部用水3.75 萬m3/d，引水流量為0.434 m3/s。

2 隧洞斷面型式選擇

根據《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）5.2 條，有壓隧洞宜采用圓形斷面。當圍巖穩定性較好，內、外水壓力不大時，可采用便于施工的其他斷面形狀。

緊水灘引調水工程采用有壓輸水，從水力學最優斷面來說，圓形斷面是最優的隧洞斷面形式。但在地質條件優良，內水壓力不大的情況下，為了鉆爆法施工的方便，有壓隧洞也有采用城門洞形或馬蹄形。本工程隧洞內水壓力較小，從施工進度考慮城門洞形或馬蹄形斷面對洞內臨時支護、洞內運輸等均具有優勢。因此，本階段輸水隧洞設計選擇圓形斷面、城門洞形斷面和馬蹄形斷面3 種斷面形式、以Ⅲ類、Ⅳ類圍巖區域為代表，進行比較，為方便比較，此次設計三種斷面形式采用相同的過流面積，同樣條件下的尺寸分別為：圓形斷面襯砌后洞徑3.3 m，城門洞型襯砌后尺寸為3.2 m×2.8 m（高×寬），平底圓洞襯砌后洞徑3.2 m。

2.1 圓形斷面（方案一）

（1）隧洞規模

根據本工程輸水系統水力設計條件，通過長系列逐日仿真分析技術經濟比較法，確定本工程輸水隧洞洞徑規模。設計流量為2.88 m3/s，確定圓形斷面隧洞襯砌后直徑為3.3 m。

（2）斷面結構

圓形斷面方案襯砌后洞徑3.3 m，Ⅲ類圍巖隧洞采用系統砂漿錨桿（L=2.0 m，排距1.0 m）、掛網噴C20 混凝土（厚10 cm）進行支護；Ⅳ類圍巖采用系統漿錨桿（L=2.5 m，間排距1.0 m）、掛網噴C20 混凝土（厚10 cm），I14 鋼拱架及C20F50W6 混凝土襯砌進行支護，襯砌厚度為0.4 m；局部區域頂拱范圍內采用砂漿錨桿超前支護。Ⅲ類、Ⅳ類圍巖圓形隧洞斷面見圖1、圖2。

圖1 Ⅲ類圍巖圓形隧洞斷面圖（尺寸單位：cm）

圖2 Ⅳ類圍巖圓形隧洞斷面（尺寸單位：cm）

2.2 城門洞形斷面（方案二）

（1）隧洞規模

根據本工程輸水系統水力設計條件，通過長系列還日仿真分析技術經濟比較法確定本工程輸水隧洞洞徑規模。設計流量為2.88 m3/s，確定城門洞形斷面隊隧洞襯砌后尺寸為3.2 m×2.8 m（高×寬）。

（2）斷面結構

城門洞形斷面方案襯砌后尺寸為3.2 m×2.8 m（高×寬），Ⅲ類圍巖隧洞采用系統砂漿錨桿（L=2.0 m，排距1.0 m）、掛網噴C20 混凝土（厚10 cm）進行支護；Ⅳ類圍巖采用系統漿錨桿（L=2.5 m，間排距 1.0 m）、掛網噴 C20 混凝土（厚 10 cm），I14鋼拱架及C20F50W6 鐘混凝土襯砌進行支護，襯砌厚度為0.4 m；局部區域頂拱范圍內采用砂漿錨桿超前支護。主洞Ⅲ類/Ⅳ類圍巖襯砌斷面見圖3、圖4。

圖3 主洞Ⅲ類圍巖襯砌斷面圖（尺寸單位：cm）

圖4 主洞Ⅳ類圍巖襯砌斷面圖（尺寸單位：cm）

2.3 平底圓形斷面（方案三）

（1）隧洞規模

根據本工程輸水系統水力設計條件，通過長系列逐日仿真分析技術經濟比較法確定本工程輸水隧洞洞徑規模。設計流量為2.833 m3/s，確定隧洞斷面襯砌后3.2 m。

（2）斷面結構

馬蹄形斷面方案襯砌后直徑3.2 m，Ⅲ類圍巖隧洞采用系統砂漿錨桿（L=2.0 m，排距1.0 m）、掛網噴C20 混凝土（厚10 cm）進行支護；Ⅳ類圍巖采用系統漿錨桿（L=2.5 m，間排距1.0 m）、掛網噴 C20 混凝土（厚 10 cm），I14 鋼拱架及 C20F50W6 鐘混凝土襯砌進行支護，襯砌厚度為0.4 m；局部區域頂拱范圍內采用砂漿錨桿超前支護。Ⅲ類、Ⅳ類圍巖隧洞斷面見圖 5、圖 6。

圖5 Ⅲ類圍巖隧洞斷面圖（尺寸單位：cm）

圖6 Ⅳ類圍巖隧洞斷面圖（尺寸單位：cm）

3 輸水隧洞斷面型式比選

（1）可比性投資

本階段設計以Ⅳ類圍巖為典型，計算圓形斷面、城門洞形和平底圓形斷面單公里工程量及投資，見表1。

表1 Ⅳ類圍巖襯砌段（1km）各方案可比工程量投資比較表

（2）施工條件分析

從施工條件角度分析，城門洞形斷面對于施工洞內運輸、出量最為有利，馬蹄形斷面底部設為平底，洞內運輸出渣較為方便，圓形斷面施工條件相對較差，不利于洞內運輸出渣，并會由此帶來一定的工期影響。

（3）綜合比較

圓形、城門洞形和馬蹄形3 種斷面形式綜合比較表見表2。

表2 隧洞斷面形式綜合比選表

由表2 可知，圓形斷面雖然水力條件及結構受力條件最好，但施工較為不便，在施工期隧洞運輸出渣條件較差，施工工期會因此受到較大的影響。馬蹄形斷面受力條件較圓形斷面略差，但施工條件優于圓形斷面、城門洞形斷面施工最為方便，施工期出渣運輸條件最好。城門洞形斷面施工及運渣條件中等，且投資相對較省，因此最終確定為城門洞形斷面形式。

4 結論

綜上所述，緊水灘引調水工程隧洞斷面型式的確定，應從工程的總體角度入手，綜合考量多方面的因素設計確保后續施工的合理性、運行的安全性。工程能夠低成本且快速的推進，同時達到預期的工程運行效果。