（河南省信阳市水利勘测设计院 信阳 464000）

隧洞是山区渠道常见的输水建筑物，其断面尺寸直接影响工程的经济性和安全性。长距离明流隧洞输水较多选用圆拱直墙式，确定隧洞断面尺寸是一项重要设计内容，受过流、岩性、施工、安全、经济等多因素影响，要综合考虑，反复比较。本文对断面优化设计方法加以分析探讨。

1 常规思路及特点

对隧洞断面的设计，常规分两步，一是求解一定流量下的过流面积，由已知水力要素确定隧洞底宽（B）和水深（h）；二是根据围岩类别、洞跨径大小，确定合适的高宽比，圆拱半径、矢高和净空比随之确定。由于过流计算中B和h 有很多组合，需要反复比较，并结合岩性要求的高宽比经验值，综合检验取值。

该试算计算方法较繁琐，且结果因人而异，主观性强，经济性不易分析。隧洞过流部分和上部净空数理联系不紧密，断面设计参数相对孤立。

2 优化设计

2.1 简化隧洞断面

按是否过流划分，圆拱直墙式输水隧洞断面可分为过流断面和净空两部分。按过流部位细分：有圆拱不过流，直墙段部分过流；圆拱部分过流，直墙段淹没；特例有圆拱部分不过流，直墙部分全断面过流。为优化设计，体现经济和高宽比安全性特点，将断面简化为特例断面进行参数关联分析,见图1。

2.2 断面参数间的关联

在简化隧洞断面的基础上，分析断面各主要参数之间的关系。

2.2.1 引入水力最优断面的过流设计

圆拱直墙式隧洞过流断面为矩形，一定流量下的水力最优断面为宽浅式，过流断面面积最小，底宽是水深的2 倍（b0=2h0），但此种形式在工程应用中出现机率较小，《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）推荐采用实用经济断面，其面积（A）与最优面积（A0）的比值α为1.01～1.04[1]。

隧洞过流断面设计中，引入水力最优断面、实用经济断面计算方法。该方法计算断面宽深比β值仅与α大小有关，和流量、比降、糙率大小无关，矩形过流断面的宽深比β与α之间存在函数关系式[3]，以此求解经济条件下的设计水深（h）和底宽（B），见下式：

式中：Q—流量（m3/s）；

h0—水力最优断面下的水深（m）；

b0—水力最优断面下的底宽（m）；

i—隧洞比降；

n—隧洞过流断面糙率；

β—设计过流断面的宽深比,β=B/h；

B—底宽（βh）（m）；

h—设计水深（m）；

A—过流断面面积（m2）；

α—设计过流断面与水力最优过流断面面积比。

2.2.2 全断面参数关联函数

全洞高宽比β0与α、β和净空比φ的关系，受以下三个条件限定。

图1 典型断面图

（1）A→φ之间关系

式中：φ—净空面积与全断面面积比；

A净空—净空面积（m2）。

（2）β、φ→θ之间关系

式中：θ—拱心角（°）。

（3）β、θ→β0之间关系

式中：β0—隧洞断面高宽比，β0=H/B。

2.2.3 优化结果理论分析

引入水力最优断面方法计算，在面积比α一定的情况下，无论流量、比降、糙率等水力要素如何变化，过流断面的宽深比值有两个解，且是恒定的。同时，如果上部净空与全洞的面积比值φ一定，则整个隧洞的高宽比也是恒定不变的，不受流量等变化影响。

因此，通过工程经验确定φ值和β值，即能保证设计断面的经济和安全指标。

对拱角部位有防水要求的，可根据设计水位，增加0.1～0.2m的安全超高。设计中可在过流断面和净空确定后，结合岩性和洞径适当增减直墙高度，控制水面位置。

3 适宜的参数取值分析

通过对全国不同灌区30个隧洞案例统计分析[3]，寻找隧洞高宽比、净空、设计流量、围岩岩性之间关联性，点绘关系图，见图2、图3。

图2 流量—净空分布图

图3 高宽比—净空分布图

3.1 高宽比

流量小于25m3/s时，过流断面小，施工条件控制，表现出净空大，高宽比在0.8～1 之间。流量大于50m3/s时，过流断面较大，施工条件很易满足，经济性、结构安全是断面设计的主要因素，考虑适当的净空，使断面高宽比在1～1.2之间。中间流量段25～50m3/s时，多因素相互协调，高宽比波动范围相对大，断面高宽比在1～1.4 之间，与规范基本一致。

表1 圆拱直墙输水隧洞设计优化计算表

3.2 净空

明流洞圆拱净空的设置，一是保持无压流，防止满流、压力流出现；二是选用合适的拱形结构，对围岩变形稳定有利。从工程实例统计结果看，净空在15%～25%出现机会较多。结合《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）[4]要求和对工程案例的分析，净空15%、20%、25%应用机会较多，亦可根据高宽比需要调整。

3.3 高宽比与岩性

坚硬、完整、胶结好的Ⅰ、Ⅱ类围岩，高宽比0.81～1.15，平均0.95；风化严重、破碎、互层、软弱的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，高宽比均大于1，最大值1.35（风化片麻岩，过流35 m3/s），平均1.13。总体分析：岩性好，高宽比小，其值在1 附近；岩性差，高宽比大。

4 优化设计计算表及应用

4.1 优化设计计算表

对15%、20%、25%三个不同净空分别计算水力实用经济断面的宽深比、隧洞高宽比、拱圆心角等特征值，取常用的窄深式断面，即得优化设计计算表，见表1。高宽比0.63～1.59，断面圆拱中心角58.56°～175.07°，包容量不小于现行规范给定范围。设计时仅考虑简化部分，对断面构成与优选假设有差异的，如隧洞矩形断面有部分不过流或圆拱部分有过流面积的，可以优选后适当调整，不影响整体的效果。

4.2 优化设计计算应用

选河南省陆浑灌区东一干禹宿谷堆隧洞，设计流量38.8m3/s，坡降1/1500，围岩为砂岩、页岩，四类，现浇混凝土衬砌，糙率0.014。结合计算表1，第1步由流量大小选定净空比，第2步结合岩性、经济性选定隧洞高宽比，再找出过流断面面积比、宽深比，即得出优选断面。

首先从流量判断，选断面净空为20%。围岩为页岩，高宽比选较经济的1.189，则过流断面的面积比为1.02、宽深比1.135、圆拱心角126.589°。然后计算出最优过流面积16.49m2，过流经济断面面积16.82 m2（16.49×1.02），断面水深H=3.849m（（16.82/1.135）0.5），断面底宽B=4.369m（1.135×3.849），圆拱面积4.205 m2，圆拱半径2.445m，矢高1.346m。

5 结语

本方法及应用，利用了水力最优断面，限定过流面积的优选区域，全断面关联紧密，计算结果单一，经济性控制明显。和工程经验结合，计算表中隧洞净空、过流断面大小、全洞高宽比、岩性同时出现，有利于设计人员提前进行综合判定。对于高速水流、紊流及施工条件控制的隧洞，不适用本方法■