黄土塬区隧洞工程的选线分析及设计优化

黄土塬区隧洞工程的选线分析及设计优化摘要：隧洞的选线及设计优化是隧洞建设的关键,它关系到隧洞的造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等到方面。因此，应该在勘测工作的基础上拟定不同方案，考虑各种因素，进行技术比较后选定。本文通过具体工程设计实例分析，分析不同地质、地形条件对隧洞选线及细部设计的影响，供大家参考。关键词：土质隧洞；选线；设计1前言桃曲坡水库灌区属资源性缺水地区，灌区相对水源不足，灌区因其特殊的地形条件限制，分为塬上灌区和塬下灌区两部分。塬上灌区由桃曲坡水库高洞放水，经高干渠系输水灌溉；塬下灌区由桃曲坡水库低洞放水入沮河河道流入岔口枢纽后，经东、西干渠和民联干渠引水灌溉。然而从水库至岔口间15.3km的天然河道输水损失多年平均约448万m3，水的利用系数仅为0.68。南支与岔口连通工程的实施一方面可调整供水方向、减少河道输水损失、提高灌溉保证率，另一方面可适应市场需求，满足小流量、长历时供水、合理利用水资源。南支与岔口连通工程位于富平县梅家坪镇，西起桃曲坡水库灌区高干南支渠7+556.1处，东至岔口引水枢纽，全长3.157km，总落差71.60m。工程位于鄂尔多斯台地向斜南缘，渭河以北黄土残塬地基之上，该区地震烈度为ⅶ度，地震动峰值加速度为a=0.1g,地震动反应谱特征周期tg=0.4s,工程位于断裂活动较弱区域，属ⅱ类较稳定区。地形地貌以残塬沟壑为主，分布着第四系黄土，黄土厚度达80～100m,地质结构简单。地基土属中～高压缩性土，具中等透水性，土的稠度为坚硬至可塑状态。地基土为自重湿陷性黄土，黄土层的湿陷下界为17.10～23.50m，湿陷等级为ⅱ～ⅳ级。工程处于渭北黄土塬区，属半干旱地区，年降水量少，水文地质条件简单，地下水主要是埋藏于第四纪地层中的潜水。地下水埋深在100m以下，地下水对工程的影响不大，不会浸蚀砼。且该地区最大冻结深度0.6m，且冻结期间地下水位低于冻深的最小距离远大于2m，故地基不存在冻胀问题。2、方案论证南支与岔口连通工程的建设目的是为实现冬春灌期间向塬下灌区补水及小流量适时供水，满足灌区用水需求，促使灌区产业结构调整，同时解决高干渠退水问题。因此，该工程从平面位置上要求线路最短、满足自流输水、与已有建筑物干扰最小。经现场踏勘，选择南支渠与210国道相交处作为该工程起点，向东西方向延伸83.64m，然后折向东北后沿石川河右岸塬边布置，末端投入岔口枢纽右岸，线路全长3.156km，总落差71.60m（连通工程起点至末点），具备自流输水条件。平面线路折点编号依次为g1～g6，初设选线时曾进行了不同方案比较，如果按南支渠210国道前东西方向渠道走向直接延伸，虽然线路仅为1.4km，但交汇处位于岔口枢纽下游，只能实现与西干渠连通，需穿越米家堡村，地形陡峭，陡坡布置难度大，而且，需另外修建约1km的退水渠方能退水入石川河，因此，此方案不尽合理。另外，如果将g4、g5、g6等3个折点北移，虽然可以减少渠道长度80m，但要和铁路交叉1次，且地形破碎，偏离岔口枢纽较远，东西干渠引水条件不好。综合以上比较，选定的渠道平面走向基本靠近岔口枢纽，从铁路桥涵两桥墩中间通过，明显优于以上方案。该工程剖面布置方案结合地形条件，将其布置成明渠方案和明涵与隧洞结合方案。现分述如下：（1）明渠方案：线路全长3.156km，上段0+000～0+105纵向设计比降为1/2000，横断面形式按全断面现浇砼弧底梯形设计，弧段半径1.5m，内边坡1：1，渠深1.6m；中段0+105～2+860纵向设计比降为1/2000，横断面形式与上段相同，弧段半径1.2m，内边坡1：1，渠深2.3m，最大挖深16.96m，根据需要，渠堤以上8m设一宽1.5m的戗台，标准断面以上开挖边坡按1：0.5设计，该段渠道开口宽度5.6～25.8m。下段2+860～3+050布置成3级陡坡，落差分别是：p1=9.8m、p2=21.92m、p3=27.55m。此方案需新建渠道长3.156km，建筑物12座，其中：分水闸1座，公路桥1座，生产桥3座，人行桥2座，陡坡4座，汇流口1座。（2）明涵与隧洞结合方案：依据确定的线路平面走向，为减少永久占地，进口采用跌井；中间0+105—3+030间因挖方深度较大布置成隧洞，全长2925m，断面形式采用城门洞型，断面尺寸2.0×2.0m，顶拱半径1.0m，净高2.0m，衬砌厚度0.3m。为减少对隧洞的冲刷，在隧洞进口0+105与2+660桩号各设一陡坡斜洞，坡比1：6，跌差30m；隧洞设计比降为1/500，布置各类建筑物2座，其中：分水闸1座，汇流口1座。（3）方案比较：综上所述，明渠方案虽然施工简单，但由于渠道挖深大，土方开挖量高达33.5万m3，几乎是隧洞方案的7.5倍，永久占地比隧洞方案多110亩，仅土地赔偿费就高达284万元，末端三级陡坡落差较大，消能工要求高，容易造成下游河道砌石护坡的冲涮，工程运行的安全性较难控制,工程估算总投资1348.3万元；明涵与隧洞结合方案相对明渠方案虽然施工难度大，但由于节省土地，总投资比明渠方案约低135万元。而且，洞内流速明显大于渠道流速，避免了经常性清淤给运行带来的不便。综合以上因素，从节省投资、便于管理、减少占地等角度出发，该工程结合地形条件，采用明涵与隧洞结合方案。3、设计优化3.1、隧洞平面布置水工隧洞的平面布置应尽量按直线布置，以缩短洞长、节省投资。由于本工程为塬边地段的土洞，所以布置时应尽量向塬内布置，保证洞线离塬边沟壑水平距离不小于120m，避免产生偏压，防止水流冲刷塬边土体影响洞身稳定；受地形限制隧洞出口位于塬边，地形破碎，拟采用修筑170m平洞深入塬内土体，确保出口段的2#陡坡和隧洞的稳定安全。根据实际地形和进出口建筑物布置情况，确定本次隧洞布置为：隧洞起点0+105到g3控制点为直线，由g3点向东偏转至g4点，再由g4点向南偏转至隧洞出口3+030桩号，隧洞总长度2925m。由1#陡坡、平洞段、2#陡坡、3#陡坡段等3部分组成；其中：1#陡坡进口桩号为0+105，陡坡末端桩号为0+285，消力池出口桩号为0+305；平洞段桩号分别为0+305—2+660和2+860—3+030，全长2525m；2#陡坡进口桩号为2+660，陡坡末端桩号为2+840，消力池出口桩号为2+860。受地形限制，隧洞洞线共需布置水平弯道2处，保证水流平顺，弯道半径取6倍的洞宽，即12m。3.2平洞设计3.2.1横断面设计由于本工程的隧洞为土洞，根据《水工隧洞设计规范》（sl279-2002）中的规定土洞宜采用无压隧洞，所以本隧洞按无压隧洞设计。虽然《水工隧洞设计规范》（sl279-2002）第8节“土洞的支护与衬砌”中规定，土洞横断面形式宜采用圆形或马蹄形，应避免采用矩形或圆拱直墙型。但考虑到工程所在地的黄土直立性较好、地下水位深度大于100m，加之本隧洞设计流量为4.0m3/s，校核流量为5.0m3/s，流量不大、断面尺寸较小，并参考《公路隧洞设计规范》（jtj026-1990）和《铁路隧洞设计规范》(tb10003-1999)的有关条文规定，为了便于施工，拟定隧洞断面为城门洞型。3.2.2横断面尺寸规范规定非圆形断面隧洞的横断面最小尺寸为：高度不小于1.8m，宽度不小于1.5m；在低流速无压隧洞，洞内俞幅不小于15%，高度不小于40cm。按照《灌溉与排水工程设计规范》（gb50288-1999）的规定，灌溉隧洞的断面应按加大或校核流量设计，所以本断面按校核流量5m3/s进行设计，以拟定的纵坡1/500、2.0×2.0m城门洞型断面进行水力计算，经计算校核水深hmax=1.31m，校核流速vmax=1.91m/s，洞内俞幅为27%，满足规范要求；故确定断面尺寸为：底宽2.0m，直墙高度为1.0m，圆拱半径为1.0m。3.2.3纵断面设计隧洞的纵坡，应根据运用要求、上下游衔接、施工和检修等原因综合分析比较以后确定。无压隧洞的纵坡应大于临界坡度。为了便于施工期的运输及检修时排除积水，有轨运输的底坡一般为千分之三到千分之五，但不应大于千分之十；无轨运输的坡度为千分之三到千分之十五，最大不宜超过千分之二十。由于本工程为无压灌溉输水隧洞，隧洞坡度直接影响隧洞的过流能力，并为了施工方便，便于运输，综合考虑本隧洞设计坡比为1/500。3.2.4施工支洞对于长隧洞，选择洞线时，还应注意利用地形、地质条件，布置一些施工支洞、斜洞、坚井、以便增加工作面，有利于改善施工条件，加快施工进度。本工程隧洞均为土质隧洞，由于断面尺寸较小，机械施工难度较大，建议采用人工边挖边衬的施工方法。为缩短工期、方便施工、节省投资，除进出口外，拟在洞身右侧1+570处及2+500处各设施工平洞2条，共计6个工作面，确保施工进度要求。4、运行南支与岔口连通工程自2009年12月16日完工验收投入运行以来，减少了水库至岔口间15.3km的天然河道输水损失，使水的利用系数由目前的河道利用系数0.68提高到0.81（高干、南支渠系利用系数各提高到0.95），多年平均节水约448万m3。同时，也解决了高干渠的退水问题。从而改变了低干的河道输水模式，变低干系统集中大流量短历时供水为小流量适时适量供水。促使灌区产业结构进一步的调整，目前农村产业结构已发生了较大变化，原来单一的以粮食作物为主的耕作方式，已演变成粮食作物种植面积逐渐减少、经济作物果类、蔬菜种植面积逐步增加，用水趋势呈现小流量、长历时的新变化。5、总结心得隧洞的选线及设计优化是隧洞建设的关键,它关系到隧洞的造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等到方面。因此，应该在勘测工作的基础上拟定不同方案，考虑各种因素，进行技术比较后选定。参考文献《水工隧洞设计规范》（sl279-2002）《灌溉与排水工程设计规范》（gb50288-1999）《公路隧洞设计规范》（jtj026-1990）《铁路隧洞设计规范》(tb10003-1999)