减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法与流程

本发明涉及引调水工程领域，更具体地说是一种减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，主要适用于穿越软岩地段有压输水隧洞洞径设计。

背景技术：

1、引调水隧洞工程面临复杂的地质条件，隧洞施工必须解决好高地应力、软岩大变形、突水涌泥、有毒有害气体等各种问题。由于隧洞属于线性工程，长达几百公里，沿线软硬岩体交替变化，已有工程表明，部分隧洞软岩大变形可达数米，导致其无法满足隧洞引水要求，制约工期，严重影响隧洞社会效益发挥，并造成大量经济浪费，现有的软岩大变形是指可达到几米的软岩变形。

2、目前引调水隧洞工程中，针对软岩大变形常采用的措施包括扩挖，即通过扩大开挖断面弥补软岩大变形；掌子面预处理包括超前灌浆、超前管棚、超前小导管；加强初期支护措施包括喷射混凝土采用早强型、增厚喷射厚度、加大钢拱架刚度、采用长锚杆进行支护；和超前导洞，即提前释放应力等。上述措施在工程中得到了广泛应用，并取得较好效果。但不难发现，以上措施均属于后处理措施，即隧洞已发生变形或将发生变形所采用的措施，其具有一定的滞后性和不可控性，且工程造价较高。

3、因此，提出一种减少软岩大变形的变径式有压输水隧洞设计方法很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法。本发明通过研发一种变径式有压输水隧洞设计方法，克服了现有软岩大变形处理措施具有一定滞后性、不可控性、造价较高的缺点，在保证隧洞压力水头不变的前提下，实现了减少软岩段隧洞变形的目的。

2、本发明的目的是通过如下措施来达到的：减少软岩大变形的变径式输水隧洞设计方法，包括如下步骤：

3、步骤一，确定非变径有压隧洞直径 d0；

4、步骤二，建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型；

5、步骤三，确定有压隧洞软岩段水头增量模型；

6、步骤四，确定有压隧洞硬岩段隧洞直径模型；

7、步骤五，建立有压隧洞变径式组合模型；

8、步骤六，确定变径式组合最优值。

9、在上述技术方案中，在所述步骤一中，根据有压隧洞进出口作用水头 h0，按式（1）计算非变径有压隧洞直径 d0，

10、；（式1）

11、式中： q为有压隧洞设计流量，单位m3/s； g为重力加速度，单位9.8m/s2； μ0为非变径有压隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数； h0为有压隧洞长度进出口作用水头差，单位m。

12、在上述技术方案中，在所述步骤二中，将0.5 d0作为软岩洞段可缩小的最小值，并采用等分法建立有压隧洞软岩段隧洞直径模型，如式（2）所示：

13、；（式2）

14、式中： dr为有压隧洞软岩段直径集合，其包括三个元素 dr1、 dr2和 dr3， dr1、 dr2和 dr3分别代表软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径 d0的90%、70%和50%。

15、在上述技术方案中，在所述步骤三中，基于式（1）和式（2），建立软岩段隧洞水头增量模型，如式（3）所示：

16、 ；（式3）

17、式中： △h为有压隧洞软岩段水头增量的集合，其包括三个元素 △h1， △h2和 △h3， △h1， △h2和 △h3分别代表因软岩段隧洞尺寸缩小至 dr1、 dr2、 dr3导致的隧洞水头损失增加量； h1、 h2和 h3分别代表软岩段直径为 dr1、 dr2、 dr3时对应的隧洞进出口水头差； μr1、 μr2和 μr3分别代表直径为 dr1、 dr2、 dr3时对应的软岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数。

18、在上述技术方案中，在所述步骤四中，

19、基于式（1）和式（3），建立有压隧洞硬岩段隧洞直径模型，如式（4）所示：

20、 ；（式4）

21、式中： dy为有压隧洞硬岩段隧洞洞径的集合，其包括三个元素 dy1、 dy2和 dy3， dy1、 dy2和 dy3分别代表硬岩段隧洞可选择的最小洞径尺寸，单位m； μy1 、μy2 、μy3分别代表直径为 dy1、 dy2、 dy3时对应的硬岩段隧洞沿程阻力+局部阻力的流量系数。

22、在上述技术方案中，在所述步骤五中，

23、基于上述式（1）-式（4）建立有压隧洞变径式组合模型，如式（5）所示：

24、 ；（式5）

25、式中： s为有压隧洞变径式组合的集合，其包括三个元素 s1、 s2和 s3。

26、在上述技术方案中，在所述步骤六中，确定最优变径式组合主要考虑隧洞软岩可能变形量和变径比 e尽可能大，变径比 e主要出于减少局部水头损失和方便施工角度考虑，其中变径比 e为软岩段洞径与硬岩段洞径之比。

27、在上述技术方案中，当有压隧洞软岩段预测变形＞50%时，选择 s3为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径 d0的50%，硬岩段直径不小于 dy3；

28、当有压隧洞软岩段预测变形＞30%且≤50%时，选择 s2为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径 d0的70%，对应硬岩段直径不小于 dy2；

29、当有压隧洞预测变形＞10%且≤30%时，选择 s1为变径式组合最优值，即软岩段直径缩小至非变径有压隧洞直径 d0的90%，对应硬岩段直径不小于 dy1。

30、本发明不仅可以减少有压隧洞软岩的隧洞大变形，同时克服了现有软岩大变形处理措施具有一定滞后性、不可控性、造价较高的缺点，且具有较好的适用性。具体优点如下：

31、（1）相比于非变径有压隧洞软岩段变形量大，本发明通过缩小软岩段洞径方式，可有效减少软岩段隧洞变形量，并通过扩大硬岩段洞径方式，实现隧洞全洞段压力水头不变，保证隧洞全程有压输水。

32、（2）相比于扩挖、掌子面预处理、加强初期支护措施和超前导洞等传统软岩大变控制措施，本发明是从设计原理角度实现了软岩大变形量的降低，既可以减少支护措施，节省工程造价，也可以降低软岩大变形风险，确保隧洞施工工期。

33、（3）本发方法具有较好的适用性，表现为不同洞径均可采用本发明提出的设计方法，同时可也结合具体实际工程，在本发明提出的变径式组合模型基础上，用线性插值方式增加变径式组合，从而选取最适合实际工程的最优变径组合。