周 峰

(東寧縣水務(wù)局，黑龍江東寧157200)

隧洞是在巖層中開(kāi)鑿而成的，其主要功用除灌溉、泄洪及發(fā)電引水外，還可以用供水、排沙、放空水庫(kù)以及施工導(dǎo)流等。遂洞一般由進(jìn)口段、洞身段和出口段3部分組成。進(jìn)口段包括控制建筑物、進(jìn)水口、漸變段及閘室等，洞身段主要的輸水通道;出口段主要包括漸變段、消能設(shè)施。

1 水工遂洞的類型

水工遂洞按其擔(dān)負(fù)的任務(wù)不同，可以分為泄水隧洞和放水隧洞兩類。放水隧洞主要用來(lái)從水庫(kù)放出用水部門所需水量(如發(fā)電、供水、灌溉等);泄水隧油主要用來(lái)配合其它泄水建筑物宣泄部分洪水、放空水庫(kù)及排沙等。有壓隧洞運(yùn)行時(shí)，洞身全斷面均被水流所充滿，內(nèi)壁受一定的內(nèi)水壓力。無(wú)壓隧洞運(yùn)行時(shí)，水流沒(méi)有充滿全斷面，而保持一定的凈空，具有自由水面。一般說(shuō)來(lái)，根據(jù)需要，隧洞可以設(shè)計(jì)成有壓的，也可以設(shè)計(jì)成無(wú)壓的。有的工程還將主閘門布置在洞身內(nèi)某個(gè)部位，工作時(shí)門前為有壓的，門后為無(wú)壓的。不管何種類型的隧洞，在高流速狀態(tài)(流速＞16 m/s)下，嚴(yán)禁隧洞的同一段內(nèi)出現(xiàn)時(shí)而有壓、時(shí)而無(wú)壓的明、滿流交替的工作狀態(tài)，以避免造成有害的振動(dòng)與空蝕。

2 水工隧洞的工作特點(diǎn)

水工隧洞的結(jié)構(gòu)特性及工作條件，決定了它有以下兩方面的工作特點(diǎn)。

2.1 深式過(guò)水建筑物的特點(diǎn)

蓄水樞紐中的隧洞，其進(jìn)口通常位于水下較深處。它的適用性較強(qiáng)，可在不同高程處泄(放)水，可用以放空水庫(kù)，還可以根據(jù)洪水。但與開(kāi)敞式溢洪道相比，其超泄能力較小，故通常只作為輔助泄洪設(shè)施。隧洞內(nèi)的水流往往處于高速狀態(tài)，若進(jìn)口處的邊界形式、門槽、漸變段的形式以及洞身的體型等布置設(shè)計(jì)不當(dāng)或初砌表面不平整等，在高速水流的作用下，將會(huì)引起洞身的振動(dòng)、空蝕等現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意選擇好洞身的體型、各部分的邊壁輪廓造型，使過(guò)水面盡量做得平順光滑，并采取通氣等必要措施，以防止振動(dòng)、空蝕等破壞現(xiàn)象的發(fā)生。有壓隧洞往往承受著較大的內(nèi)水壓力，如果襯砌漏水，高壓滲入巖石縫隙，將大大減小山巖的穩(wěn)定性，危及隧洞的安全。因此，必須保證襯砌有足夠的強(qiáng)度和抗?jié)B性。隧洞出口水流不僅流速高。單寬流量也較大，下泄水流在同口處還有較大的沖刷能力，必須采取適當(dāng)?shù)南芊罌_措施。

2.2 地下建筑物的特點(diǎn)

在巖層中開(kāi)挖隧洞，改變了巖層原有的平衡狀態(tài)，引起洞孔附近應(yīng)力重分布，產(chǎn)生變形，特別是軟弱的巖層部位和進(jìn)出口附近可能會(huì)發(fā)生崩坍。因此，隧洞中常常需要臨時(shí)性支護(hù)和永久性襯砌，以保證其安全。支護(hù)和襯砌的型式及結(jié)構(gòu)要求，很大程度上取決于巖層的性質(zhì)，所以應(yīng)重視做好隧洞的工程地質(zhì)勘探工作，使隧洞盡量避開(kāi)軟弱巖層和不利的地質(zhì)構(gòu)造。與地面建筑物相比，隧洞的斷面尺寸小，施工場(chǎng)地狹窄，施工作業(yè)干擾較大，難度亦較大。隧洞的洞身除了受較大的山巖壓力等荷載外，還受較大的外水壓力。此外在運(yùn)行中需加固維修，是比較困難的，因此在設(shè)計(jì)隧洞時(shí)，必須周密考慮各種運(yùn)用條件，確定適當(dāng)?shù)臄嗝娉叽?，并保證圍巖有足夠的厚度，襯砌有足夠的厚度和強(qiáng)度。

3 水工隧洞的線路選擇

隧洞的線路選擇是隧洞設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，它直接關(guān)系到施工期限、工程造價(jià)及工程的運(yùn)行可靠性。影響隧洞路線選擇的因素很多，諸如地形、地質(zhì)條件、施工條件等等。因此，我們必須根據(jù)隧洞的用途，綜合考慮地形、地質(zhì)、施工、樞紐總體布置及對(duì)周圍環(huán)境的影響等各種因素，通過(guò)可能方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較加以選擇定。

隧洞的線路選擇主要應(yīng)考慮以下幾方面的因素:

3.1 地質(zhì)條件

隧洞線路應(yīng)選在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體完整穩(wěn)定、巖石堅(jiān)硬的地區(qū)。盡量避開(kāi)不利的地質(zhì)構(gòu)造，如向斜構(gòu)造、斷層構(gòu)造及其它嚴(yán)重的構(gòu)造破碎帶。同時(shí)也應(yīng)盡量避開(kāi)山巖石壓力大、地下水位高、、巖溶發(fā)育、滲水嚴(yán)重、有承壓水和可能坍滑的不穩(wěn)定地段，以減小隧洞襯砌上的荷載和便于施工。當(dāng)洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要軟弱相交時(shí)，應(yīng)盡量具有較大的夾角。在整體塊狀結(jié)構(gòu)的巖層中，其夾角應(yīng)≥30°，在層狀巖體中，一般≥45°。進(jìn)出口附近，除了必須有較好的地質(zhì)條件外，還必須保證有足夠的巖層厚度。當(dāng)隧洞沿水平或傾斜巖層走向布置時(shí)，應(yīng)使洞身位于厚層堅(jiān)硬均質(zhì)的巖層中。當(dāng)洞身穿切不同巖性的巖層時(shí)，應(yīng)使洞頂置于較硬的巖層中，洞底位于相對(duì)較軟的巖層中。

3.2 地形條件

隧洞的線路在平面上應(yīng)盡可能短而直，以減少工程費(fèi)用和水頭損失。如由于地質(zhì)、施工及樞紐布置等條件的限制需要拐彎時(shí)，其彎半徑≥5倍的隧洞洞徑(或洞寬)，且轉(zhuǎn)角≤60°。彎道的首尾部分應(yīng)以直線連接，其長(zhǎng)度也≥5倍的洞徑(洞寬)。

此外，還應(yīng)重視隧洞的線路選擇還應(yīng)慎重考慮施工出碴通道和施工場(chǎng)地布置等條件。尤其對(duì)于較長(zhǎng)的隧洞，應(yīng)有適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)可設(shè)置豎井、斜井或平洞，以便進(jìn)料、出碴和通風(fēng)，增加開(kāi)挖工作面，改善工作條件，提高施工進(jìn)度。此外，隧洞的線路選擇還應(yīng)滿足樞紐總體布置的要求和運(yùn)行的要求，避免其在施工和運(yùn)行中與樞紐中其它建筑物相互干擾。

4 水工隧洞的工程布置

隧洞的工程布置主要包括進(jìn)、出口縱剖面的布置及閘站的布置?？偟囊笫潜仨殱M足過(guò)水能力、選定的水流狀態(tài)和運(yùn)用的要求，并盡量降低工程造價(jià)。

在建造隧洞時(shí)，應(yīng)盡量做到一洞多用。如施工導(dǎo)流隧洞在樞紐竣工之后改作灌溉、發(fā)電引水或泄洪、放空水庫(kù)之用。有的工程還采用灌溉與泄洪或灌溉與發(fā)電相結(jié)合的布置形式。當(dāng)然，由于不同用途的洞對(duì)進(jìn)出口有不同的要求，一洞多用有時(shí)會(huì)在布置上出現(xiàn)象某些矛盾，但可以通過(guò)工程措施加以解決。例如導(dǎo)流與引水相結(jié)合的隧洞，施工導(dǎo)流時(shí)的進(jìn)口較低，可待樞紐竣工后，將施工導(dǎo)流用的進(jìn)口堵塞起來(lái)，而另設(shè)立位置較高的進(jìn)口引水、并用斜洞將進(jìn)水口與主洞連接起來(lái)，工程上稱之為“龍?zhí)ь^”的型式。這種一洞多用的布置，不僅節(jié)省了工程造價(jià)是，而且也便宜于管理。

隧洞的進(jìn)口高程應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際運(yùn)用要求加以確定。用于發(fā)電引水的隧洞，其進(jìn)口頂部的高程應(yīng)在水庫(kù)最低工作水位以下0.5～1.0 m，以免吸入空氣;底部最少應(yīng)高出水庫(kù)淤沙高程1.0 m以上，以防止粗顆粒泥沙帶入洞內(nèi)，磨損洞壁和水輪機(jī)。灌溉隧洞的進(jìn)口，應(yīng)保證水庫(kù)為最低工作水位時(shí)，能引入設(shè)計(jì)流量。

一般在不影響隧洞使用要求的情況下，盡量將洞的設(shè)置高程提高，以縮短洞身的長(zhǎng)度，減少小主閘門的作用水頭和洞向的內(nèi)水壓力，降低造價(jià)。

隧洞的縱坡，應(yīng)在總體布置中經(jīng)綜合比較，加以確定。有壓隧洞的縱坡主要是從施工排水和放空隧洞進(jìn)行檢修的角度考慮的。一般取i=1/200～1/1 000。當(dāng)洞身較短時(shí)，也可做成水平的，但不應(yīng)做成倒坡。無(wú)壓隧洞的縱坡應(yīng)根據(jù)水力計(jì)算加以確定，多采用陡坡。連接在渠道上的無(wú)壓隧洞，其縱坡常大于渠道的縱坡，以防止洞內(nèi)泥沙淤積。

隧洞中需要布置工作閘門、檢修閘以及事故閘。工作閘門應(yīng)能在動(dòng)水中啟閉，以控制孔口開(kāi)度和調(diào)節(jié)流量。檢修閘門要求以在動(dòng)水中關(guān)閉，靜水中開(kāi)啟。事故部門要求能在動(dòng)水中關(guān)閉。

工作閘門布置在進(jìn)口的隧洞，一般為無(wú)壓的。為了保證門后洞內(nèi)有穩(wěn)定的無(wú)壓流態(tài)，門后洞頂應(yīng)高出洞內(nèi)水面一定高度，并向門后充分通氣。閘門設(shè)在進(jìn)口隧洞處，也可能是有壓的，但在啟閉過(guò)程中洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明滿流過(guò)渡的流態(tài)，水流情況較復(fù)雜，可能會(huì)引起振動(dòng)或空蝕，洞內(nèi)流速較大的大中型隧洞應(yīng)避免采用這種布置方式。

工作閘門布置在出口的隧洞，全洞為無(wú)壓。這種布置通常由于地形、地質(zhì)或樞紐總體布上的某些條件限制所導(dǎo)致的。如因地形、地質(zhì)上的原因隧洞線路需轉(zhuǎn)彎，閘門室設(shè)置在彎段后的直線上。

［1］胡榮輝，張五祿.水工建筑物［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1993.