白家村長距離馬蹄形輸水隧洞設計

趙庚賢

摘 要：西部山區(qū)引水工程輸水距離長，地形復雜，確保隧洞水流順暢顯得尤為重要。本文以寧夏白家村長距離無壓輸水隧洞為例，對隧洞進行了斷面設計和水面銜接分析，校核了隧洞過流能力及洞身凈空要求，可為相關設計提供一定的參考。

關鍵詞：無壓隧洞;水面銜接;水面線

中圖分類號：TV732+.3 ?文獻標識碼：A

Abstract：The water diversion project in the western mountainous area has the characteristics of long distance of water conveyance and complicated topography，so it is particularly important to ensure the smooth flow of tunnel water.Taking Baijiacun long-distance unconfined water conveyance tunnel in Ningxia as an example，this paper carries out cross-section design and water surface connection analysis of the tunnel，checks the capacity of the tunnel and the requirement of clearance of the tunnel body，which can provide some reference for relevant design.

Key words：pressure free tunnel;water interface;water surface line

引水隧洞是水利水電樞紐工程中的重要建筑物之一，在巖體或土層中開挖而成，其長度遠大于其斷面尺寸。[3]國內(nèi)常用洞身斷面有圓形、方形、蛋形、城門洞形或馬蹄形等。西部山區(qū)引水工程輸水距離長，地形復雜，平均比降大。因此，做好消能防沖等水面銜接設計，確保隧洞水流順暢顯得尤為重要。本文以白家村隧洞為例，對隧洞進行斷面設計，水面銜接分析。

1 工程概況

從六盤山東麓雨量較多、水量相對較豐沛的涇河源流區(qū)引水，為干旱缺水的寧夏中南部地區(qū)即固原市的原州區(qū)和彭陽縣、西吉縣以及中衛(wèi)市海原縣共計113.53萬城鎮(zhèn)居民生活和農(nóng)村人畜飲水安全提供水源保證，是寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程的建設任務。白家村隧洞是此建設任務中水源工程輸水線路的關鍵建筑物之一。

2 隧洞地質(zhì)條件

白家村隧洞圍巖主要為白堊系泥巖夾泥灰?guī)r，巖石強度較低為軟巖、極軟巖，易軟化、崩解和風化，物理風化作用較為強烈，圍巖條件總體較差。洞長5211m，其中Ⅴ類圍巖長度555m，約占總長的10.65%;Ⅳ類為主圍巖長度4656m，約占總長的89.35%。圍巖重度23KN/m3，彈抗系數(shù)200.0MN/m3。隧洞發(fā)育破碎帶4處，斷層帶2處。隧洞埋深為15～316m，平均埋深為120m，埋深較大。地下水位埋深1.88～20.8m，洞頂以上地下水位高度約10.0～115m，總體上隨地形變化。外水壓力折減系數(shù)大部分段落在0.2～0.4，個別段落在0.3～0.9。

3 隧洞斷面設計

隧洞斷面采用馬蹄型斷面，底拱弦長1.80m，側(cè)拱半徑3505m，圓心角21.77°;頂拱半徑1.15m，圓心角180°;最大凈高245m，最大凈寬2.30m。設計水深1.48m。隧洞比降為i=1/2750，隧洞進口處的水位為1902.919m，出口處水位為1901024m。白家村隧洞標準斷面見左圖。

4 隧洞進口與管道聯(lián)接

隧洞進口接上段管道出口，管道為一排布置，采用鋼管，管徑DN2000，管中心線高程1900.32m。為使有壓管道出管水流與無壓隧洞內(nèi)水流平順連接，在上游管道出口與隧洞進口之間設消力池、漸變連接段銜接。

消力池為矩形斷面，出水管道呈水平布置，池底比管底低05m，池凈寬3.0m，長11.2m，其中水平段長8.7m，1∶1坡度連接段長2.5m。消力池頂板與隧洞拱頂一致，以此確定池凈高5.0m。

漸變連接段總長10m，其中前段為長3.0m水平直段，底寬3.0m，凈高2.5m;后段為長7.0m漸變段，底寬由3.0m漸變?yōu)?8m，底板與隧洞進口同高，頂板與隧洞拱頂一致，凈高2.45m。

為保證隧洞為無壓輸水狀態(tài)，在隧洞進口消力池前端設DN200PVC溢流管，管中心高程為1903.12m（消力池內(nèi)設計水位以上21cm）。

在隧洞進口消力池段設進人孔，漸變段頂板上設置DN300的鋼管作為通氣補氣孔。

5 隧洞出口與管道聯(lián)接

無壓隧洞出口接下段有壓管道進口，管道為一排布置，采用DN2000鋼管聯(lián)接，管中心線高程1894.47m。為使無壓隧洞水流與下游有壓管道內(nèi)水流平順連接，在隧洞出口與下游管道進口之間漸變連接段、消力池銜接。

漸變連接段總長10m，其中前段為長7.0m漸變段，底寬由1.8m漸變?yōu)?.0m，底板與隧洞出口同高，頂板與隧洞拱頂一致，凈高2.45m;后段為長3.0m水平直段，底寬3.0m，凈高2.5m。

消力池深度按照確保管道在最小流量（0.5m3/s）下下游管道仍為有壓淹沒出流進行布置。消力池為矩形斷面，出水管道呈水平布置，池底比管底低0.3m，池凈寬3.0m，池長19.2m，其中1：2坡度連接段長12.5m，水平段長6.7m。下游管道進口最低水位按淹沒管頂不小于2.0m控制，最高水位以上至頂板的凈空高度按不小于0.5m控制，經(jīng)計算消力池內(nèi)管道進口最小流量時對應最低水位下淹沒管頂3.99m，滿足下游管道為有壓淹沒出流要求，頂板與隧洞拱頂一致，以此確定池凈高8.75m。

6 隧洞水力計算

6.1 水力要素計算

7 結語

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程自2016年10月正式通水以來，原州區(qū)、彭陽縣、西吉縣、海原縣4縣區(qū)，44個鄉(xiāng)鎮(zhèn)603個行政村113.53萬城鄉(xiāng)居民飲水安全問題得到根本解決。從白家村隧洞的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隧洞各項運行指標符合預期，可見隧洞水力設計非常合理，對后續(xù)類似項目有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]SL279-2016，水工隧洞設計規(guī)范[S].

[2]李煒.水力學計算手冊（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]楊淘，陳新，岳克棟，等.引水式小水電站隧洞設計方案優(yōu)選系統(tǒng)及應用[J].水電能源科學，2013，31（10）：109-112，155.

[4]洪開榮.我國隧道及地下工程近兩年的發(fā)展及展望[J].隧道建設，2017，37（2）：123.