【摘  要】：中线总干渠属宽浅式渠道，流量大水深浅。 隧洞设计时既要考虑水流条件， 又要顾及结构受力的合理性，使隧洞断面的高宽比应控制在
1.0～1.5之间，从渠道到隧洞断面型式需要由宽浅式变为窄深式。为此，扼要介绍了这些隧洞的有关设计要点。
【关键词】： 南水北调中线；隧洞；水力设计；水流特性

中图分类号：TV134+TV682.1         文献标识码：B         文章编号：1000-0860（2005）04-0038-03

     　　　　　          Research on hydraulic design and flow characteristics of the tunnels:

 　　　　　　　　　　　　　　　 Mid-route of South-to-North Water Transfer Project 

                                                  HUO Ji-shen

 　      (Hebei Research Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower , Tianjin 300250, china)

Abstract :      The Main channel for the Mid-route of South-to-North  Water Transfer Project  is to be  a wide-shallow channel with 
large  discharge  and shallow water depth. The design of tunnels in the route need to consider not  only the flow conditions but also
the  rationality of of stressing conditions of  the structures concerned, for which the ratios between height and width of the tunnel
profiles have to be controlled between 1.0~1.5, and then the types of tunnel profiles are to be designed with  a transition form from
wide-shallow to narrow-deep.Therefore, the  key  points in the design of the tunnels are briefly introduced herein.
Key words:  Mid-route of South-to-North Water Transfer Project; tunnel; hydraulic design; flow characteristics

1  概  述
    南水北调中线总干渠京石段内共布置有九座隧洞，除了2座有压隧洞位于北京段内以外，其余7座明流隧洞均位于河北省境内。 7座隧洞总长9642m，
其中洞身段长8626m。隧洞在布置上一般分为进口段，洞身段和出口段。 进口段包括：扭坡渐变段,矩形槽渐变段， 闸 室段；出口段包括：闸室段，矩
形槽渐变段和扭坡渐变段。
    总干渠在此段的设计流量为60～135m3/s，加大流量70～160m3/s。 其渠道为宽浅式梯形断面， 渠道内设计水深只有4.3～4.5m，加大流量水深也只
有4.49～4.87m。在布置隧洞时若考虑洞底高程基本在上下游渠底高程的连线上， 就会因流量大而水深小， 使隧洞的宽度很大而高度很小，隧洞的断面
呈宽偏型。这种断面形式的隧洞受力条件差，工程量大。
    总干渠上这7座隧洞所在的区域均为低地应力区，其应力主要受重力控制。在这样的区域布置隧洞，断面高宽比应以1.0～1.5为宜。从渠道到隧洞需
要由宽浅式变为窄深式，隧洞的水力设计和结构布置都有自身的特点。因此,有必要结合工程的实际， 研究隧洞的水力设计和合理的结构布置形式。
2  隧洞水力设计
    隧洞水力设计是在隧洞进出口位置已经确定的基础上进行的。所以， 上下游渠道的断面形式和尺寸、通过各级流量时的水深以及渠底高程和隧洞所
允许的水头损失均已经确定。由于渠道的断面形式和尺寸与隧洞的断面形式和尺寸差别较大，在隧洞进出口处需要布置 连接段。因此，布置隧洞的纵坡
时，要考虑进出口的水头损失。在隧洞总的水头损失已经确定的情况下， 总水头损失减去进出口水头损失所剩余的水头，决定隧洞的纵坡。
    一般情况下，隧洞的洞身段长度常大于进口前渠道水深的20倍，所以水力计算时，对于长洞，在设计流量条件下， 洞中水流按明渠均匀流考虑。隧
的水力计算简图如图1所示。
    在图1中，隧洞的总水头损失值△Z可按下式计算（符号意义见图1）：

    进口的水面降落Z1包括进口的断面收缩和渐变引起的局部水头损失和摩阻以及势能转变为动能的部分。 水流在流经隧洞末端的连接段与渐变段时，
一部分能量消耗于摩阻及断面扩大的损失， 一部分动能恢复为势能而产生水面回升Z3.Z2为通过洞身的沿程水头损失， Z2=i.L，i为洞底纵坡。

                                                          图1  隧洞水力计算
    按设计流量确定隧洞的底宽和纵坡后，只有在通过设计流量时隧洞内才有可能形成均匀流状态。当通小流量时，隧洞进口将产生降水，隧洞出口将产
生壅水；通过大流量时，隧洞进口将产生壅水，出口将产生降水。进出口的水位对洞身内水流影响较大时，洞内形不成均匀流流态。此时，计算隧洞的过
流能力或洞内水深，均匀流公式将不再适用，而应采用非均匀渐变流能量方程， 采用推求水面线的方法计算洞内水深和进出口水面连接。
3  隧洞布置设计
    3.1  隧洞纵坡和断面尺寸确定
    洞身段结构布置设计，就是在所给定的设计流量的水头损失的情况下，确定洞身段的纵坡i 、隧洞断面宽度B和高H。此时，隧洞进口渠道断面形状和
尺寸已经确定，也就是进口渠道末端的底高程▽1、水深h1和v1均为已知值；隧洞出口渠道的断面形状和参数已经确定，即出口渠道的底高程▽4、水深h3
和v3已知。在此情况下，按设计流量时隧洞内形成均匀流的条件确定洞身的断面。
    在均匀流的情况下，洞身各断面的水深、断面的平均流速和流速分布沿程不变， 洞底线、水面线和水力坡线为三条平行直线。为确定洞宽B和洞高H
以及纵坡i，可以初步拟定洞宽B,计算进口段水面降落Z1和出口水面回升Z3，根据式（1）求得洞身段的允许水头损失Z2，隧洞的纵坡由i=Z2/L确定。
    确定了隧洞的纵坡之后， 由公式（1）可知， 不同的洞底宽度Bi将有相应的洞内水深hi与之对应， 再考虑水面以上适当的净空以后就可以确定洞高
Hi，对应设计流量将有无数组洞宽和洞高的组合。此时， 应选择洞身断面的高宽比， 使结构受力最有利和工程量最少。在低地应力区，隧洞断面的高宽
比在1.0～1.5的范围内，可以使结构受力最有利，工程量最省。拟定不同的Bi值，计算相应的Hi，使Hi与Bi之比在1.0～1.5的范围内，并通过工程量比较
选定最优的一组。确定隧洞断面高H时，还要考虑通过加大流量时，水面以上净空应满 足规范的要求。
    对拟定的i、B和H，应进一步复合进口的水面降落和出口的水面回升值，若计算值与初始拟定洞宽所计算值的差异在允许范围之内，则i、B和H值便相
应确定了。否则应改变i、B和H值，重复上述计算，直到满足要求为止。例如当总水头损失大于所给定的水头损失时，应适当减小i值，相应增大B和H；反
之，应适当加大i值，相应减小B和H。一般情况下， 隧洞进出口的水头损失在总水头损失中所占的比例较小，初拟隧洞宽度所引起的进口水面降落和出口
水面回升的误差不会明显，经过上述的适当调整即可求得满足要求的i、B和H值。
    3.2  隧洞底高程的确定
    在求得隧洞纵坡i和洞内水深h1之后，就可以根据进出口渠道的水位和底高程确定洞底高程，隧洞进口底高程按下式确定（符号的意 义见图1）：
                                                         ▽2=▽1+h1-h2-Z1                        （2）
    中线工程渠道的水深小，按上述原则确定的隧洞断面洞内水深较渠道水深大。因此， 计算所得隧洞进口底高程▽2要低于进口渠道的底高程▽1， 隧
洞需要降低底高程。隧洞进口底高程确定以后，出口底高程可根据纵坡和洞长计算。隧洞降低底高程以后，出口底高程低于出口渠道的底高程，在出口需
要布置反坡连接段。
4  计算实例
    4.1 基本资料
    选择吴庄隧洞，对其进行水力设计和断面计算。其设计流量为125m3/s，加大流量为150m3/s。隧洞上下游总干渠均为梯形断面，隧洞上游进口渐变段
起点断面水力要素为： 渠底宽19.5m，底高程62.78m，边坡系数2.5，渠道纵坡1/25000，设计水位67.275m，设计水深4.5m；加大水位67.867m，加大水深
5.092m。隧洞下游出口渐变段终点断面水力要素为：渠底宽19.5m，底高程62.327m，边坡系数2.5，渠道纵坡1/25000， 设计水位66.827m， 设计水深4.5
m；加大水位67.390m，加大水深5.063m。隧洞分配水头为0.448m。
    根据吴庄隧洞处的地形地质条件进行洞线选择和布置，确定采用双洞线，两条洞轴线之间的距离为28.4m。隧洞全长2373m。其中进口段包括直线扭曲
面渐变段，矩形槽渐变段，进口检修闸室段，共长65.5m。洞身段包括进出口各布置的5m长涵洞段，共长2217m。隧洞出口段包括出口检修闸室段，矩形槽
渐变段，直线扭曲面渐变段，共长90.5m。
    岩面下13m。灌浆参数：灌浆压力为1.0MPa～1.2Mpa;灌浆浓度采用6个水灰比比级，5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1，开灌水灰比为5:1。
    4.2  隧洞纵坡和断面尺寸的确定
    依据所分配的水头，初步拟定单洞宽7.8m后，计算进口水面降落为0.12m，出口水面回升值为0.052m，进出口水头损失为0.068m，则根据式（1），洞
身可允许有0.38m的水头损失。设计流量情况下洞身段为均匀流，能头坡降线与隧洞底坡平行，水头损失为沿程水头损失。 因此，隧洞纵坡为洞身段的水
头损失与洞身段长度之比， 可得i=1/5834。根据均匀流公式计算， 当通过设计流量时， 洞内水深为5.08m，经复合总水头损失满足要求。在考虑通过加
大流量时水面以上有一定的净空高度,选定圆拱直墙形隧洞断面的断面高度为8.15m，洞身断面的高宽比为1.04。
    4.3  洞底高程的确定
    隧洞断面和纵坡确定之后，根据隧洞进口收缩段起始端的水深、水位和渠底高程，以及进口段的水面降落值0.12m，根据式（2）计算隧洞进口底高程
为▽2=62.775+4.5-5.08-0.12=62.08m。隧洞进口底高程需要比进口渠道底高程降低0.7m。
    4.4  加大水面线推求
    按设计流量确定隧洞的底宽和纵坡后，只有在通过设计流量时隧洞内为均匀流。通过加大流量时，隧洞进口将产生壅水，出口将产生降水。进出口水
位对洞身内水流产生影响，洞内产生非均匀渐变流。采用非均匀渐变流能量方程， 通过推求水面线的方法计算加大流量时的洞内水深。
    吴庄隧洞加大流量时出口水位为67.390m，以此断面作为控制断面，自下游向上游推求水面线。计算结果：进口收缩段起始端加大水位为67.867m，水
深5.092m，进口段的水面降落0.143m；洞内平均水深5.64m，洞身段水头损失为0.400m；出口水面降落0.065m， 总水头损失0.478m。
5  结  语
    中线工程总干渠属宽浅式渠道，流量大水深小。与其连接的隧洞从受力的角度出发，断面的高宽比应控制在1.0～1.5之间，应布置为高窄形的断面。
因此，从渠道到隧洞断面型式需要由宽浅式变为窄深式，水力设计和结构布置都有其自身的特点。按此进行隧洞布置，隧洞需要降低底高程，以增大洞内
水深。洞底高程降低以后，在设计流量情况下洞内为均匀流，可按均匀流公式计算过流能力和确定隧洞断面。
    由于隧洞底宽小于上下游连接渠道的底宽，通过加大流量时隧洞进口将产生壅水，出口将产生降水；通过小流量时，隧洞进口产生降水，隧洞出口产
生壅水。洞身段的水流受进出口水位的影响，产生非均匀渐变流，水力计算应采用恒定非均匀流渐变流能量方程，通过推求水面线的方式计算洞内水深和
进出口水面的连接。
参考文献：
[1]  SL279-2002，水工隧洞设计规范 [S].
[2]  天津大学水力学及水文学教研室.水力学[M].人民教育出版社,1982.
[3]  华东水利学院.水工设计手册(第一卷)[M].北京:水利电力出版社,1983.

作者简介：霍继申（1956-）男，汉，河北邢台人，副总工程师