和川取水工程輸水線路比選及隧洞襯砌設計

李 霞

(臨汾市水利勘測設計院，山西 臨汾 041000)

輸水工程建設可以改善水資源分布不均勻的現象，改善用水短缺問題[1- 3]。輸水工程建設跨越線路長，合理選擇輸水線路可節省工程投資，提高輸水效率[4- 6]。結合和川輸水工程對輸水線路選取及隧洞襯砌設計進行分析。

和川取水輸水工程位于馬房溝提水泵站上游17.5km處的沁河干流，壩型為混凝土重力壩，總庫容989萬m3。和川取水樞紐壩址下游15.8km處的右岸有一條較大支流李垣河匯入，李垣河流域面積141.5km2，常年有小溪流。和川取水樞紐至張峰水庫區間流域面積2337km2。和川取水輸水工程引水量0.59億m3。

1 輸水線路方案比選

輸水工程進口設進水塔，后接輸水干渠，擬選3個方案進行分析比較，確定經濟合理的輸水線路。

1.1 方案一：隧洞輸水方案

干渠總長9.819km，由于輸水線路通過的地帶屬山區地貌，地形復雜，高差起伏較大，干渠自進水塔出口0+018起向東南1.022km過1#隧洞，設石渠渡槽，穿越下游沁河河道，然后轉向西南過2#隧洞，于樁號7+791處建李垣河渡槽，過李垣河，再轉向西南過3#隧洞，于樁號9+819處與已建成的草峪嶺隧洞進口相連。輸水線路沿途建筑物有1#、2#、3#隧洞、涵洞、石渠渡槽、李垣河渡槽等。

1.2 方案二：邊山明渠輸水方案

干渠總長12.7km，由于輸水線路通過的地帶屬山區地貌，地形復雜，高差起伏較大，干渠自進水塔出口0+018起向東南1.062km過1#隧洞，設石渠渡槽，穿越下游沁河河道，然后沿沁河岸邊設邊山明渠，于樁號9+584—10+719處設隧洞過關圣嶺，10+719—11+219設2#李垣河渡槽，過李垣河，11+219—12+225設邊山明渠，在蘋果園處設3#隧洞，于樁號12+700處與已建成的草峪嶺隧洞進口相連。輸水線路沿途建筑物有1#、2#、3#隧洞、1#、2#渡槽。

1.3 方案三：渡槽明渠輸水方案

線路總長14.215km，跨沁河架設渡槽，在沁河岸邊坡度較緩的一側設明渠，從0+018起向東南1.082km過1#隧洞，然后轉向南跨越下游沁河河道，設石渠渡槽1.400km，在渡槽出口沿沁河左岸設明渠，長1.25km，至灣里設2#渡槽跨越沁河河道，長0.4km，出口接沁河右岸邊山明渠，長1.08km，后設3#渡槽跨越沁河河道至小黃莊，渡槽出口依次為2#隧洞長0.38km、3#隧洞長1.05km，后沿沁河左岸設明渠至東莊轉向西北設4#渡槽跨越沁河河道，經沿沁河右岸1.1km邊山明渠、0.565km 4#隧洞輸水至草峪嶺隧洞。

1.4 輸水線路方案比選

方案比選主要從線路長度、工程量及工程投資、施工條件等方面進行比較[7- 10]。

線路總體布置，方案一線路短而順直，方案二、方案三線路曲折且較長，方案二線路比方案一線路長2.881km，方案三線路比方案一線路長4.39km。

工程投資，三種方案的工程投資見表6—4，從表中可以看出方案一、方案二、方案三的工程投資分別為13340.38萬、14068.65萬、17986.12萬元，方案一最省，方案二次之，方案三最大。

施工條件，方案一以隧洞為主，設有3處支洞，施工條件簡單，施工干擾小；方案二工程以邊山明渠為主，地形高差大，巖體陡峭，開挖量大，施工困難較大。方案三工跨越沁河，渡槽施工相對困難。工程管理，方案一工程管理方便，方案二、三邊山渠道汛期洪水及泥沙匯入渠道，會造成渠道淤積影響過流。

綜上所述，方案一優于方案二、方案三，因此推薦選用方案一隧洞輸水方案。

2 隧洞設計

為節省工程量，縮短線路，沿線布置隧洞3座，總長8389m，設計流量17m3/s，設計縱坡1/1000、1/530、1/520，均為無壓洞，其中1#隧洞樁號0+018—1+040，長1022m，洞軸線方向SE5.52°，進口底高程885.0m，出口底高程883.98m，最大埋深111m。2#隧洞樁號1+897—7+769長5872m，洞軸線方向SW7.80°、11.04°，進口底高程882.57m，出口底高程871.27m，最大埋深132m。3#隧洞樁號8+221—9+716，長1495m，洞軸線方向SW7.98°，進口底高程870.37m，出口底高程867.54m，最大埋深83m。隧洞橫斷面型式采用圓拱直墻式，二次襯砌后凈寬3.4m、3.2m，頂拱為平拱，圓心角121.86°、117.43°，拱矢高1.0m、0.9m，隧洞凈高3.8m、3.5m，為改善底板應力條件，在底板與直墻拐角處設圓角，半徑0.475m。

2.1 斷面襯砌設計

隧洞主要穿過二疊系巖層、三疊系巖層，巖性為砂巖、砂質泥巖、泥巖互層，按洞身巖性劃分為3個巖組，分別屬于3個圍巖類別：

(1)砂巖與砂質泥巖、頁巖、泥巖互層，Ⅲ類；長2756m。

(2)砂質泥巖，砂巖Ⅳ類；長4520m。

(3)進、出口段風化較強烈段，Ⅴ類，長1113m。

1#、2#、3#隧洞按洞身圍巖類別分段長度見表1。

表1 隧洞洞身圍巖類別分段長度表

根據不同類的圍巖采用相應的的襯砌形式，分為A型、B型、C型3種類型，適應于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。類比與本洞類似條件的已建成的臨汾草峪嶺隧洞的支護參數，所得支護參數見表2。

表2 隧洞支護參數表

在設計時，應根據監控量測數據和緊跟開挖面地質詳勘的結果，修正初期支護類型和參數。

2.2 隧洞襯砌結構計算

2.2.1計算參數

根據巖體的完整性及巖石力學室內試驗及參考有關工程試驗資料，分析擬定洞室圍巖物理力學指標見表3—4。

表3 1#洞室圍巖物理力學指標采用值

表4 2#、3#洞室圍巖物理力學指標采用值

2.2.2隧洞襯砌計算

(1)荷載及荷載組合

圍巖壓力采用下式計算：

圖1 2#、3#隧洞典型襯砌斷面

圖2 1#隧洞典型襯砌斷面

垂直方向qv=(0.2～0.3)γrB

(1)

水平方向qh=(0.05～0.10)γrH

(2)

式中，qv、qh—垂直、水平均布圍巖壓力；γr—巖體重度；B、H—隧洞開挖寬度、高度。

圍巖壓力計算值見表5。

表5 山巖壓力計算值

1#洞位于地下水位以上，不考慮外水壓力，2#、3#洞外水壓力值按下式計算。

Pe=βeγwHe

(3)

式中，Pe—作用在襯砌結構外表面的地下水壓力，；βe—外水壓力折減系數，取0.3m；γw—水的重度；He—地下水位線至隧洞中心的作用水頭，m。襯砌自重按容重γ=24kN/m3。

荷載組合計以下3種：

A：襯砌自重+山巖壓力

B：襯砌自重+山巖壓力+內水壓力

C：襯砌自重+山巖壓力+外水壓力

(2)襯砌指標

混凝土力學指標如下：

軸心抗壓強度：C20:fc=10MPa；

C25:fc=12.5MPa。

抗拉強度：C20:ft=1.1MPa；

C25:fc=1.3MPa

彈性模量：C20:E=2.55×104MPa；

C25:E=2.8×104MPa。

(3)計算結果與分析

襯砌內力計算結果見表6。

襯砌邊緣應力應滿足下列要求：

拉應力δ拉≤γft/K

壓應力δ壓≤fc/K

式中，K—安全系數；γ—截面抵抗矩的塑性指數，矩形斷面γ=1.55；計算得C20δ拉≤0.68MPa，δ壓≤6.25MPa；C25δ拉≤0.81MPa，δ壓≤7.81MPa。

由計算結果可知，Ⅲ類圍巖，最大拉應力1.29MPa，Ⅳ類圍巖中計算所得最大拉應力1.33MPa，Ⅴ類圍巖中計算所得最大拉應力1.41MPa，雖然超出了允許拉應力值，但由于沒考慮初期支護按“新奧法”施工，且增加了鋼筋網、錨桿等支護措施所以其支護參數認為還是滿足要求的。

2.3 伸縮止水縫，沉陷止水縫布置

隧洞運行中，洞身內部氣溫變化不大，二次襯砌僅于進、出口各200m范圍內設置環向伸縮止水縫，間距為10m，此外，在地質條件明顯變化處，如較大的斷層破碎帶，不整合接觸帶，軟、硬巖石的接合面等部位的兩端以及斜井主洞交合處，洞門與進出口暗渠接合處，都需設置環向沉陷止水縫，以適應沉陷變位。一般止水沉陷縫均設在C型襯砌中，止水材料采用651型橡膠止水帶。

二次混凝土襯砌中的縱向施工縫，縫的接觸面必須進行鑿毛沖洗處理，因澆注砼襯砌設置的環向施工縫，頂拱和側墻的縫不得錯開，縫面也必須進行鑿毛沖洗處理，后填筑同標號水泥砂漿。

2.4 與施工支洞交叉段的主洞襯砌設計

支洞的布置采用正交雙聯式，以適用大運輸量，且雙向運輸，調車方便的需要。但結構復雜，在與主洞交叉處，為三條洞交叉成三角形，也使得該處不能完全按主洞的支護方式進行。

采用類比設計，以該處最大跨度為基準，查表選取支護參數。考慮到三角地帶巖柱較小，適當加大了支護參數，支洞與主洞交叉支護參數見表6。

表6 支洞與主洞交叉處支護參數表

2.5 預留圍巖變形量設計

在不同巖體，不同埋深條件下，隧洞圍巖的變形量是不同的，在設計隧洞的開挖斷面尺寸時，應預留變形空間。本次取水工程隧洞與已建成的草嶺隧洞相距較近，參照已建成草峪嶺隧洞工程位移資料，初擬設計(開挖)斷面預留圍巖變形量如下：

Ⅲ類圍巖(A型襯砌斷面)每側5cm；

Ⅳ類圍巖(B型襯砌斷面)每側5cm；

Ⅴ類圍巖(C型襯砌斷面)每側10cm。

施工時必須根據施工量測結果和計算分析，及時修正預留圍巖變形量值，以保證隧洞的設計斷面尺寸。

3 結語

以和川輸水工程為例，選取3種輸水線路方案比選，選取隧洞輸水方案具有管理難度低、施工難度、工程投資等多個方面進行分析。通過室內試驗獲取不同等級圍巖力學參數為隧洞襯砌結構設計提供參考。通過復核分析隧洞襯砌結構安全及預留變形量滿足要求，可為類似工程提供參考。