延安市南沟门水库北线供水工程输水隧洞设计浅析

延安市南沟门水库北线供水工程输水隧洞设计浅析
摘要：对南沟门水库北线供水工程主要水工建筑物输水隧洞设计要点进行总结，对其他相似工程的设计有一定的借鉴作用。

关键词：南沟门水库；输水隧洞；方案设计
1.工程概况
南沟门水库北线供水工程是向延安煤油气资源综合利用项目以及华能延安电
厂输送原水的长距离调水工程，其水源为南沟门水库可利用水源，工程为Ⅲ等中
型输水工程，设计最大年供水能力3210万m3。

输水线路主要由输水隧洞组成，
隧洞总长25.96km，其中压力洞段长5.6km，明流洞长20km。

工程设加压泵站两座，一级加压泵站设计流量1.44m3/s，二级加压泵站设计流量1.38m3/s。

2.输水隧洞的工程地质条件
隧洞的洞室围岩主要由T3砂岩夹泥岩组成，地下水一般高于洞顶设计高程。

隧洞穿越围岩形式主要有局部不稳定的Ⅲ类、不稳定的Ⅳ类、极不稳定的Ⅴ类三种。

隧洞长25.962km，其中穿Ⅲ类围岩段长22.132km，占总长的89%，穿Ⅳ类
围岩段长2.195km，占总长的9%，穿Ⅴ类围岩段长0.108km，占总长的2%。

3.隧洞设计
3.1隧洞布置原则
①综合考虑工程区地形、地质、水力条件、施工、沿线建筑物衔接以及本工
程布置及对周围环境的影响等因素，通过技术经济比较选定。

②隧洞洞线应选择线路短、沿线地质构造简单、岩体完整稳定、上覆岩层厚
度适中、水文地质条件有利及施工方便的地区。

③洞线遇沟谷时，合理选择跨沟位置，对跨沟建筑物的基础及洞脸边坡应加
强工程措施。

④隧洞纵坡应满足不淤流速的要求，还要满足沿程取水设施布置要求。

⑤长距离隧洞应设置施工支洞，支洞的数目及长度应根据隧洞沿线地形地质
条件、施工方法、对外交通情况分析确定。

⑥布置隧洞应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行
期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。

3.2隧洞布置
结合上述隧洞布置原则，经多次现场查勘，拟定隧洞沿北洛河右岸布置，避
开铁路、高速路以及与洛河交叉等干扰，同时平面布置时考虑支洞位置、支洞长度、施工临时道路、检修维护、管理运行方便等，确定了隧洞洞线。

洞底高程布
置时考虑尽量减少扬程，节省能耗；考虑施工难易度，避开不利地层土石分界线、地下水位等因素。

设计输水隧洞从前至后共分5段，其中第1段输水压力隧洞总长2.539km，
沿线布置2座施工支洞；第2段输水无压隧洞总长9.988km，沿线布置4座施工
支洞；第3段隧洞总长3.045km，沿线布置1座施工支洞；第4段隧洞总长
4.270km，沿线布置1座施工支洞；第5段隧洞总长4.565km，沿线布置2座施工支洞。

隧洞洞室一般埋深100～180m，最大埋深170m，最小埋深8m。

3.3隧洞纵、横断面设计
隧洞设计流量较小，在充分考虑水头损失的前提下结合施工断面，确定第1
段隧洞有压洞段比降为1/326，第2段隧洞比降为1/2000，第3段隧洞有压洞段
比降为1/168，第4段、第5段隧洞比降为1/1800，糙率采用0.014。

压力洞采用
马蹄型断面设计，衬砌后顶拱半径R=1500m，宽度、高度最大净距均为3m。

明
流洞采用圆拱直墙型断面，洞身断面净宽2.5m，洞净高3.0m，直墙段高2.3m
（含0.1m厚C25砼垫层），拱顶高0.7m，矢跨比为0.28。

3.4隧洞水力计算
（1）有压洞段水力计算
根据《室外给水设计规范》(GB50013)，压力洞采用以下计算公式：
i=v2/(C2×R)
式中：i—管道单位长度的水头损失（水力坡降）；
v—管路平均流速（m/s）按0.6～1.5m/s控制；
C—流速系数；
R—水力半径（m）。

通过上述公式计算可得：第1段压力洞末端出水池设计水位852.406m，第3
段压力洞末端出水池设计水位901.915m。

（2）明流洞段水力计算
明流洞段过流能力计算采用明渠均匀流公式：
式中：A——过流面积，m2；
i——纵向比降，二级加压站前取i=1/2000，二级加压站后取i=1/1800；
n——糙率，n=0.014；
R——水力半径，m；
C——谢才系数。

通过以上公式计算可得：二级加压站前明流洞段水深0.64m，流速0.9m/s，
净空比59.0%；二级加压站后明流洞段水深0.53m，流速0.868m/s，净空比66.4%。

3.5隧洞横断面衬砌结构计算
（1）计算说明
根据SL279《水工隧洞设计规范》推荐的计算方法，采用结构力学方法进行
洞身衬砌结构计算。

计算采用的程序是“水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统SDCAD4.0水利版”，采用边值法计算。

（2）计算工况及荷载组合
运行期：围岩压力+衬砌自重+弹性抗力+内水压力
检修期：围岩压力+衬砌自重+弹性抗力+外水压力
施工期：围岩压力+衬砌自重+弹性抗力+外水压力+灌浆压力
3.6隧洞支护设计
（1）有压隧洞段主洞衬砌设计（断面尺寸3.0m×3.0m）
①Ⅲ类围岩段采用初次锚喷支护及二次衬砌，具体为：顶拱布设Φ18砂浆锚杆，长2.0m，入岩1.8m；顶拱及边墙喷C20混凝土厚8cm；顶拱及边墙范围挂
钢筋网(Φ8@150mm×150mm)；二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌，厚0.3m，内
层配筋5Φ25，外层配筋5Φ18。

为了避免实施过程中局部岩石破碎，对施工安全
造成威胁，计入20%随机I14a钢拱架支护，榀间距1m。

②Ⅳ类围岩段采用初次锚喷支护及二次衬砌，具体为：顶拱及边墙布设Φ18
砂浆锚杆，长2.0m，入岩1.8m，间、排距1m×1m错开布置；顶拱及边墙范围挂
钢筋网(Φ8@150mm×150mm)；顶拱及边墙喷C20混凝土厚10cm。

I14a钢拱架支护，榀间距1m。

二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌，厚0.35m，内层配筋5Φ28，外层配筋5Φ22。

③Ⅴ类围岩段采用初次锚喷支护及二次衬砌，具体为：顶拱及边墙布设砂浆
锚杆Φ18，长2.0m，入岩1.8m，间、排距1m×1m错开布置；顶拱及边墙范围挂
钢筋网(Φ8@150mm×150mm)；顶拱及边墙喷C20混凝土厚15cm。

I14a钢拱架支护，榀间距1m。

二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌，厚0.40m，内层配筋5Φ28，外层配筋5Φ22。

④回填灌浆设计：顶拱范围内回填灌浆，间排距2.0m×2.0m，入岩0.1m。

⑤固结灌浆设计：Ⅳ类、Ⅴ类围岩岩石洞段全断面布设固结灌浆，灌浆深入
岩石3.0m，间排距2.0m×2.0m，错开布置。

（2）明流隧洞段主洞衬砌设计（断面尺寸2.5m×3.0m）
根据隧洞地质分类及隧洞衬砌结构计算成果，明流隧洞主洞采用初次锚喷支
护及二次衬砌，具体分为以下几类：
①Ⅲ类围岩段采用初次锚喷支护及二次衬砌，具体为：顶拱布设Φ18砂浆锚杆，长2.0m，入岩1.8m；顶拱及边墙喷C20混凝土厚8cm；二次衬砌采用C25
钢筋混凝土衬砌，厚0.3m，内层配筋5Φ25，外层配筋5Φ18。

为了避免实施过程中局部岩石破碎，对施工安全造成威胁，计入20%随机I14a钢拱架支护，榀间距
1m。

②Ⅳ类围岩段采用初次锚喷支护及二次衬砌，具体为：顶拱及边墙布设Φ18
砂浆锚杆，长2.0m，入岩1.8m，间、排距1m×1m错开布置；顶拱及边墙范围挂
钢筋网(Φ8@150mm×150mm)；顶拱及边墙喷C20混凝土厚10cm。

Ⅳ类围岩全断
面采用I14a钢拱架支护，榀间距1m。

二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌，厚
0.30m，内层配筋5Φ25，外层配筋5Φ18。

③Ⅴ类围岩段采用初次锚喷支护及二次衬砌：顶拱及边墙布设砂浆锚杆Φ18，长2.0m，入岩1.8m，间、排距1m×1m错开布置；顶拱及边墙范围挂钢筋网
(Φ8@150mm×150mm)；顶拱及边墙喷C20混凝土厚15cm。

I14a钢拱架支护，榀
间距1m。

二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌，厚0.35m，内层配筋5Φ25，外层
配筋5Φ18。

④回填灌浆设计：隧洞顶拱范围内回填灌浆，间排距2.0m×2.0m，入岩0.1m。

⑤固结灌浆设计：Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段全断面布设固结灌浆，灌浆深入岩石
3.0m，间排距2.0m×2.0m，错开布置。

⑥排水设计：隧洞顶拱范围内回填灌浆孔后期扫孔兼做排水孔，间排距
2.0m×2.0m，孔深
3.0m，错开布置。

4.结束语
延安市南沟门水库北线供水工程输水隧洞为其主要水工建筑物，其特点是洞
线长、穿越地形、地质情况较复杂，该工程已成功试运行。

本文通过对隧洞设计
要点的总结，对其他的相关工程项目有一定的参考借鉴作用。

参考文献
[1]SL279-2002《水工隧洞设计规范》。

作者简介
康勇，1976-，工程师现从事水利水电建筑工程设计。