正安縣土坪集鎮(zhèn)排洪工程排洪隧洞設計要點分析

張碧

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州遵義 563003）

1 工程概況

正安縣土坪集鎮(zhèn)排洪工程位于正安縣土坪鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)西南面，土坪鎮(zhèn)四面環(huán)山，中間盆地，集鎮(zhèn)洪水主要通過上壩河末端溶洞和戚教溝末端毛沽洞向猛溪河排泄，現(xiàn)狀均不能滿足設防洪水排洪要求，如遇暴雨便排洪不暢，鎮(zhèn)區(qū)被淹時常發(fā)生。根據(jù)統(tǒng)計年鑒的受災情況推算，年均被沖毀的財產達數(shù)百萬元甚至上千萬元，嚴重影響了當?shù)厝藗兊纳a生活。

由于土坪集鎮(zhèn)為正安縣重要集鎮(zhèn)，為推動集鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展，擬于集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)新建工業(yè)園區(qū)，本次防洪標準采用20 年一遇洪水標準，國道G243 防洪標準采用25 年。因此在上壩河的末端新建2055m 排洪隧洞，將鎮(zhèn)區(qū)洪水排入附近猛溪河。建成后集鎮(zhèn)能抵御20 年一遇洪水，達到國家要求和規(guī)定的設防標準，并與城鎮(zhèn)規(guī)劃相協(xié)調，使鎮(zhèn)區(qū)內居民免遭洪澇災害，保障居民的生命財產安全，適應集鎮(zhèn)建設和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 集鎮(zhèn)防洪排洪現(xiàn)狀及治理范圍選擇

根據(jù)現(xiàn)狀調查及分析，土坪集鎮(zhèn)防洪問題主要有以下兩個方面：①上壩河河道斷面小，河道兩岸大部分河段未做防護處理，河段糙率大、底坡緩，河內阻洪建筑物多，行洪能力不足；②上壩河末端落水孔溶洞過流能力不足，毛沽洞上游國道G243 現(xiàn)狀排洪涵洞過流能力不足。

要想一勞永逸地解決集鎮(zhèn)防洪排洪問題，需要從河道治理和新建排洪通道兩個方面下手；①對鎮(zhèn)區(qū)范圍上壩河道需明確河道岸線、河道寬度及河道管理范圍，留足河道行洪斷面；同時，還需采取護岸和護腳治理等工程措施，防止岸坡垮塌，阻礙河道行洪；②新建排洪隧洞減輕溶洞排洪壓力；同時，改造國道G243 排洪涵洞，使其滿足設防要求，將本片區(qū)洪水排入猛溪河。本次先新建排洪通道，后再治理鎮(zhèn)區(qū)河道。

3 集鎮(zhèn)排洪方案選擇

3.1 排洪方向選擇

通過地形圖布置結合現(xiàn)場踏勘，土坪集鎮(zhèn)排洪工程排洪方向有兩個：①東面芙蓉江；②西面猛溪河。集鎮(zhèn)距芙蓉江2.9km，集鎮(zhèn)距猛溪河2.1km；排至芙蓉江需穿越集鎮(zhèn)居民區(qū)密集房屋，征地拆遷費用高，建設不經(jīng)濟，不宜選作排泄起點。在建設費用優(yōu)、征地拆遷少及建筑軸線布置宜短不宜長的原則下，確定土坪集鎮(zhèn)排洪的排洪方向為向猛溪河排泄。

3.2 排洪方案選擇

根據(jù)確定的排洪方向，擬定三個方案對土坪集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)排洪方案進行比選：

方案Ⅰ：新建上壩河末端至毛沽洞排洪渠+毛沽洞擴容。方案Ⅱ：擴建上壩河末端落水孔溶洞。

方案Ⅲ：新建排洪隧洞＋上壩河末端落水孔溶洞共同排泄。三個方案對比見表1。

經(jīng)綜合比選，方案Ⅲ優(yōu)于方案Ⅰ、方案Ⅱ，本工程選擇新建排洪隧洞＋利用上壩河末端落水孔溶洞共同排洪作為土坪集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)洪水排洪方案。

3.3 排洪隧洞軸線選擇

本工程選擇新建排洪隧洞＋利用上壩河末端落水孔溶洞共同排洪，建筑物線路選擇主要是隧洞線路選定。

3.3.1 隧洞進口位置選擇

根據(jù)土坪集鎮(zhèn)地形地貌特點以及上壩河河道的走向分布，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，進口選擇在上壩河末端落水孔溶洞進口旁正南向約70m 處最適宜。該處高程較低，可收集土坪集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)本集雨區(qū)域內的全部洪水，天然河道可順接至隧洞進口，洪水銜接順暢；進口地層巖性為薄至中厚層白云巖、灰?guī)r，掛洞條件較好；該處無房屋征拆問題，只涉及少量占地，總體費用較低；該處距居民區(qū)較遠，隧洞爆破施工影響小。結合河道末端河床高程，確定隧洞進口底板高程為803.00m。

3.3.2 隧洞出口位置選擇

根據(jù)猛溪河河道的走向分布，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，排洪隧洞的出口位置選擇擬定以下兩個方案進行比選：方案Ⅰ：隧洞出口選擇布置于上游新田坎，改建集鎮(zhèn)供水泵站+上游直線排洪隧洞；方案Ⅱ：隧洞出口選擇布置于下游半坡村香樹坪一帶，不改建集鎮(zhèn)供水泵站+排洪隧洞；兩個方案優(yōu)缺點比較見表2。

經(jīng)綜合比選，方案Ⅱ優(yōu)于方案Ⅰ，本工程選擇不改建集鎮(zhèn)供水泵站+排洪隧洞方案。

根據(jù)土坪鎮(zhèn)半坡村香樹坪一帶地貌地形、地質條件，排洪隧洞出口位置宜選擇在猛溪河左岸香樹坪沖溝上游溶洞出水點山坡往公路方向約100m 處。出口地層巖性為灰?guī)r，掛洞條件較好，下接順直的天然河流，出流順暢。依洞線布置宜短直的原則，結合工程地質和水文地質條件、施工、房屋征拆和交通等方面，避開居民區(qū)、巖體崩塌帶和溶洞出水點，并考慮洪水排泄方便快速，最終選定該處為排洪隧洞出口。根據(jù)地形地質條件，結合沿線溶洞發(fā)育分布情況，經(jīng)綜合考慮，隧洞出口底板高程確定為715.00m，隧洞底坡確定為4.3%。

3.3.3 隧洞洞身線路布置選擇

在隧洞的進、出口確定后，沿線分布∈2-3ls、O1t+h 地層，∈2-3ls、O1t+h 地層巖溶強發(fā)育，故綜合隧洞長度及盡量避免隧洞遇到巖溶管道，隧洞考慮沿山脊進行布置。若隧洞軸線布置成直線，隧洞洞線將直接通過Kwd1～Kwd5消坑和洼地群，該段長度約815m，施工難度、開挖和支護工程量較大。為避開消坑和洼地群，并以較大交角穿過土坪斷層，且有利于河道水流匯入隧洞，將隧洞曲線布置。隧洞進口的走向為NE65.11°，隧洞在洞0+067.44 處轉向NE31.53°，隧洞在洞0+652.70 處轉向NE61.14°。

表1 方案選擇對比

表2 隧洞出口選擇比較

4 建筑物選型

在隧洞進出口位置及線路確定后，需進一步確定排洪洞型式，主要是有壓泄水洞與無壓泄水洞比選：①有壓泄水洞方案：a.需深挖隧洞進口保證淹沒，開挖支護工程量大；b.由于上游來水變化大，隧洞將出現(xiàn)有壓和無壓交替，對洞身不利；c.有壓洞出口需設閘控制開度以達到有壓的目的，運行不便；d.有壓洞須全斷面襯砌，混凝土工程量大、鋼筋用量多、投資造價高；②無壓泄水洞方案：a.無壓洞進出口順接不需進口淹沒，開挖支護工程量較小；b.無壓洞出口不設閘控制，運行簡便；c.無壓洞根據(jù)圍巖類別進行區(qū)別襯砌，混凝土工程量小、鋼筋用量少、投資造價低。經(jīng)比選，選定采用無壓泄水洞方式。

5 排洪隧洞設計

5.1 隧洞結構設計

5.1.1 地形地質條件

排洪洞進口為陡坡地形，自然坡度30°～35°，基巖為白云巖，進口邊坡洞臉為逆向坡，兩側為斜向坡。隧洞洞身穿越∈2-3ls 白云巖、灰?guī)r和O1t+h 灰?guī)r，土坪斷層F1與洞線斜交，受斷層切割影響，巖層產狀變化較大，洞線與巖層多小角度斜交；出口地形以斜坡為主，地形坡度20°～30°，洞臉為順向坡，兩側為斜向坡。由于洞身穿越白云巖、灰?guī)r等強巖溶地層，隧洞巖溶及裂隙較發(fā)育，洞身多處于地下水位線附近，應加強對地下水及洞身圍巖的穩(wěn)定監(jiān)測，施工開挖遇巖溶洞穴、突水突泥及掉塊的可能性大，特別是汛期施工，應采取相應的處理措施；同時，洞身被斷層F1切割，為張扭性斷層，斷層面產狀N0～23°E/SE∠60°，由于巖體受斷層切割，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，建議施工期間加強施工地質復核，對不良地質段可采取超前探孔探測，并做好超前支護措施。

5.1.2 隧洞襯砌結構設計

排洪洞長度為2055m，進口底高程為803.00m，設計底坡為0.043，出口底高程為715.00m。開挖斷面尺寸寬為4.5m、高為4.9m（城門洞型）。A 型襯砌斷面（V 類圍巖段）采用40cm 厚C25鋼筋混凝土全斷面襯砌，襯砌后斷面尺寸為3.50m×4.00m；B 型襯砌斷面（Ⅳ類圍巖段）為底板兩側墻三面襯砌，頂拱不襯砌僅噴錨，底板采用40cm 厚C25 鋼筋混凝土襯砌，側墻采用30cm 厚C25 鋼筋混凝土襯砌，B 型襯砌后斷面尺寸為3.90m×4.40m；C 型襯砌斷面（III 類圍巖段）為底板找平襯砌，頂拱、側墻不襯砌不噴錨，底板采用40cm 厚C25 鋼筋混凝土襯砌，C 型襯砌后斷面尺寸為4.50m×4.50m。ABC 三種型式襯砌斷面變換時，采用擴散漸變或收縮漸變過渡處理，保證水流順暢。隧洞內臨時支護按照不同圍巖類型執(zhí)行不同支護措施，進出口巖質邊坡采取坡比為1:0.3的放坡處理，并采用掛網(wǎng)噴C20 混凝土處理。

5.2 設計計算

隧洞計算包括斷面計算、泄流能力計算、水面線計算和襯砌計算等。

5.2.1 斷面設計

根據(jù)調洪成果，新建排洪洞需下泄89.2m3/s，隧洞口對應水位為805.51m。根據(jù)本工程地形和地質條件，初步確定的進、出口高程，經(jīng)試算最終確定該隧洞斷面為城門洞型，各類襯砌型式尺寸不同，成果見表3。

5.2.2 隧洞泄流能力計算

采用明渠均勻流公式：

表3 隧洞斷面成果

式中：Q——設計流量；

n——糙率；

i——設計底坡，0.043；

R——水力半徑；

A——過水斷面。

根據(jù)直墻高度反算三個隧道斷面的泄流能力見表4。

表4 計算結果

三種斷面Q＞89.2m3/s，因此隧洞滿足泄洪能力要求。

5.2.3 隧洞水面線計算

隧洞水面線按能量方程分段求和法計算，公式如下：

根據(jù)上述條件及公式，計算結果見圖1。

圖1 隧洞各斷面水深成果表

隧洞各斷面水面成果滿足規(guī)范要求。

5.2.4 襯砌計算

隧洞襯砌按限裂要求設計，采用理正軟件進行內力計算及配筋計算，計算工況分三種：

工況Ⅰ（基本荷載組合正常運行工況）：圍巖壓力+襯砌重+內水壓+外水壓，裂縫寬度限值0.30mm。

工況Ⅱ（特殊荷載組合檢修工況）：圍巖壓力+襯砌重+最大外水壓（可能出現(xiàn)的），裂縫寬度限值0.30mm。

工況Ⅲ（特殊荷載組合施工工況）：圍巖壓力+灌漿壓力+襯砌重+溫度應力+最大外水壓（可能出現(xiàn)的），裂縫寬度限值0.30mm。

設計參數(shù)：

C25 鋼筋混凝土：γ=25kN/m3，EC=2.80×104N/mm2，fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2，fy=360N/mm2。

Ⅴ類圍巖：f=1、K0＜1～3MPa/cm，取K0=2。

Ⅳ類圍巖：f=2～3、K0=3～5MPa/cm，取f=2.5、K0=4。

Ⅲ類圍巖：f=3～5、K0=8～10MPa/cm，取f=4、K0=9。

外水壓力折減系數(shù)：0.6～0.8。

經(jīng)計算，A 型襯砌截面按水工鋼筋混凝土結構配筋，裂縫計算結果如表5 所示。

表5 計算A 型襯砌段洞身襯砌裂縫成果

由表5 可知，各工況下計算成果滿足規(guī)范要求。

6 結論

排洪隧洞建成后，土坪集鎮(zhèn)能達到20 年一遇的設防標準，并保障國道G243 的通行安全，達到國家規(guī)定和要求的設防標準，并與城鎮(zhèn)規(guī)劃相協(xié)調，可減輕當?shù)厝藗兯芎闉闹Γ涌斓貐^(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，保證社會和諧安定，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。