白家村长距离马蹄形输水隧洞设计

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　　摘 要：西部山区引水工程输水距离长，地形复杂，确保隧洞水流顺畅显得尤为重要。本文以宁夏白家村长距离无压输水隧洞为例，对隧洞进行了断面设计和水面衔接分析，校核了隧洞过流能力及洞身净空要求，可为相关设计提供一定的参考。
　　关键词：无压隧洞;水面衔接;水面线
　　中图分类号：TV732+.3  文献标识码：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
　　 引水隧洞是水利水电枢纽工程中的重要建筑物之一，在岩体或土层中开挖而成，其长度远大于其断面尺寸。[3]国内常用洞身断面有圆形、方形、蛋形、城门洞形或马蹄形等。西部山区引水工程输水距离长，地形复杂，平均比降大。因此，做好消能防沖等水面衔接设计，确保隧洞水流顺畅显得尤为重要。本文以白家村隧洞为例，对隧洞进行断面设计，水面衔接分析。
　　1 工程概况
　　从六盘山东麓雨量较多、水量相对较丰沛的泾河源流区引水，为干旱缺水的宁夏中南部地区即固原市的原州区和彭阳县、西吉县以及中卫市海原县共计113.53万城镇居民生活和农村人畜饮水安全提供水源保证，是宁夏中南部城乡饮水安全水源工程的建设任务。白家村隧洞是此建设任务中水源工程输水线路的关键建筑物之一。
　　2 隧洞地质条件
　　白家村隧洞围岩主要为白垩系泥岩夹泥灰岩，岩石强度较低为软岩、极软岩，易软化、崩解和风化，物理风化作用较为强烈，围岩条件总体较差。洞长5211m，其中Ⅴ类围岩长度555m，约占总长的10.65%;Ⅳ类为主围岩长度4656m，约占总长的89.35%。围岩重度23KN/m3，弹抗系数200.0MN/m3。隧洞发育破碎带4处，断层带2处。隧洞埋深为15～316m，平均埋深为120m，埋深较大。地下水位埋深1.88～20.8m，洞顶以上地下水位高度约10.0～115m，总体上随地形变化。外水压力折减系数大部分段落在0.2～0.4，个别段落在0.3～0.9。
　　3 隧洞断面设计
　　 隧洞断面采用马蹄型断面，底拱弦长1.80m，侧拱半径3505m，圆心角21.77°;顶拱半径1.15m，圆心角180°;最大净高245m，最大净宽2.30m。设计水深1.48m。隧洞比降为i=1/2750，隧洞进口处的水位为1902.919m，出口处水位为1901024m。白家村隧洞标准断面见左图。
　　4 隧洞进口与管道联接
　　隧洞进口接上段管道出口，管道为一排布置，采用钢管，管径DN2000，管中心线高程1900.32m。为使有压管道出管水流与无压隧洞内水流平顺连接，在上游管道出口与隧洞进口之间设消力池、渐变连接段衔接。
　　消力池为矩形断面，出水管道呈水平布置，池底比管底低05m，池净宽3.0m，长11.2m，其中水平段长8.7m，1∶1坡度连接段长2.5m。消力池顶板与隧洞拱顶一致，以此确定池净高5.0m。
　　渐变连接段总长10m，其中前段为长3.0m水平直段，底宽3.0m，净高2.5m;后段为长7.0m渐变段，底宽由3.0m渐变为18m，底板与隧洞进口同高，顶板与隧洞拱顶一致，净高2.45m。
　　为保证隧洞为无压输水状态，在隧洞进口消力池前端设DN200PVC溢流管，管中心高程为1903.12m（消力池内设计水位以上21cm）。
　　在隧洞进口消力池段设进人孔，渐变段顶板上设置DN300的钢管作为通气补气孔。
　　5 隧洞出口与管道联接
　　无压隧洞出口接下段有压管道进口，管道为一排布置，采用DN2000钢管联接，管中心线高程1894.47m。为使无压隧洞水流与下游有压管道内水流平顺连接，在隧洞出口与下游管道进口之间渐变连接段、消力池衔接。
　　渐变连接段总长10m，其中前段为长7.0m渐变段，底宽由1.8m渐变为3.0m，底板与隧洞出口同高，顶板与隧洞拱顶一致，净高2.45m;后段为长3.0m水平直段，底宽3.0m，净高2.5m。
　　消力池深度按照确保管道在最小流量（0.5m3/s）下下游管道仍为有压淹没出流进行布置。消力池为矩形断面，出水管道呈水平布置，池底比管底低0.3m，池净宽3.0m，池长19.2m，其中1：2坡度连接段长12.5m，水平段长6.7m。下游管道进口最低水位按淹没管顶不小于2.0m控制，最高水位以上至顶板的净空高度按不小于0.5m控制，经计算消力池内管道进口最小流量时对应最低水位下淹没管顶3.99m，满足下游管道为有压淹没出流要求，顶板与隧洞拱顶一致，以此确定池净高8.75m。
　　6 隧洞水力计算
　　6.1 水力要素计算
　　7 结语
　　宁夏中南部城乡饮水安全水源工程自2016年10月正式通水以来，原州区、彭阳县、西吉县、海原县4县区，44个乡镇603个行政村113.53万城乡居民饮水安全问题得到根本解决。从白家村隧洞的监测数据来看，隧洞各项运行指标符合预期，可见隧洞水力设计非常合理，对后续类似项目有一定的借鉴意义。
　　参考文献：
　　[1]SL279-2016，水工隧洞设计规范[S].
　　[2]李炜.水力学计算手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
　　[3]杨淘，陈新，岳克栋，等.引水式小水电站隧洞设计方案优选系统及应用[J].水电能源科学，2013，31（10）：109-112，155.
　　[4]洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展及展望[J].隧道建设，2017，37（2）：123.
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