中国水利水电第五工程局有限公司成都610066
摘要：在乌干达卡鲁玛尾水隧设置的8#、9#、10#三条反坡施工支洞开挖施工中，由于当地年降雨量极为充沛，为了解决雨水倒灌进洞的问题，采取了缩小洞口明挖开口范围、自上而下分层排水、支洞口设置集水井的的设计方法，从而避免了洞外地表水进入洞内，节省了大量地表水进入洞内的抽排费用，应用结果表明：这一排水设计完全满足丰水地区反坡隧洞开挖排水需要，可以为同类工程提供可供借鉴的经验。
关键词：排水设计；集水井；反坡隧洞；丰水地区
1引言
随着水电工程事业的不断发展，各种设计类型的隧洞层出不穷，在隧洞施工中会遇到各种各样的施工问题，如何用最简单、最经济的方法解决遇到的实际问题，是施工企业降低施工成本的关键。乌干达卡鲁玛尾水隧洞项目三条施工支洞均为反坡隧洞，所处地区为丰水地区，雨量极为充沛，根据招标水文资料，年平均降雨量1335mm，且集中在雨季，雨势迅猛，如何避免大量雨水倒灌入洞，就成了项目部要解决的首要问题，这是尾水隧洞能否顺利进行开挖的关键之一。
2工程概况
卡鲁玛水电站尾水隧洞工程位于乌干达境内的卡尔扬东哥地区卡鲁玛村，距离乌干达首都坎帕拉270km。尾水隧洞共两条：1#尾水洞长8703.465m、2#尾水洞长8608.092m，开挖断面呈平底马蹄形，开挖洞径宽13.7～14.8m，高13.45～14.8m，隧洞总投资5.9亿美元，是目前世界上规模最大的尾水隧洞工程。
尾水隧洞包括8#支洞、9#支洞、10#支洞三个作业面。根据设计，8#支洞洞长1048m，洞内的坡度为9%；9#支洞洞长619.6m，洞内的坡度为10.42%；10#支洞洞长365.32m，洞内的坡度为11.58%。三条支洞坡度较大且洞口设计为漏斗形如图1所示，如果洞外大量汇水流入支洞或主洞，将大量增加抽排水费用。
3排水设计基本思路
乌干达卡鲁玛项目雨季长、雨量丰沛且瞬时雨量较大。由于三条支洞洞口均设计为漏斗形，造成施工区域汇水全部流向支洞口而倒灌进洞内。为了解决地表水倒灌进洞问题，主要采取了以下设计思路：
（1）修改洞口设计方案，减小洞口明挖量、缩小开口范围，从而减少汇水面积。
（2）采用从地表自上而下分级设置排水沟，分层排水，以各层排水沟自流排水为主，水泵抽排为辅。
（3）在支洞口设置集水井，将不能自流引排的地表水汇入集水井内，抽排至自流引排的排水沟内。
图1：8#支洞口设计平面图
4排水方案设计
本文以卡鲁玛尾水隧洞8#施工支洞为例进行介绍，9#、10#基本相同。
4.1减少汇水面积
按照设计提供的初始支洞洞口开挖图，漏斗区域开挖面积较大。项目技术人员经过与设计沟通，改变了边坡支护形式，将洞口区域漏斗面积由于原来的10571m2缩减到7887m2，减少了汇水面积，从而减少暴雨瞬时涌入支洞内的水量，节省施工排水成本。
4.2马道及排水沟设计
4.2.1马道设计
由于整个支洞进口漏斗区域为7.61%反坡洞口，因此马道在高程上的设置应略高于地表面，这样可以将排水沟保持一定的坡度，确保汇聚在排水沟内的汇水以自流的方式引排至施工区域外。
4.2.2排水沟设计
（1）地表截水沟设计
此道截水沟设置在距离洞口开挖开口线以外5m的位置，其主要的目的是防止漏斗区域以外的雨水流入漏斗区域内。为了更好的收集雨水，地表截水沟两侧的区域设置成倾向于截水沟的缓坡，便于雨水流入地表截水沟内。截水沟采用浆砌石进行砌筑，可以防止截水沟内水流流速过快，渗透边坡、冲刷基础、掏空边坡，从而影响结构的稳定。同时为了便于汇集在截水沟内的雨水自流出施工区域，将截水沟底坡设置成1.5%的缓坡。
（2）马道排水沟设计
漏斗区域边坡马道排水沟的设置，其主要的目的是收集马道以上以及边坡开口以下区域的汇水，该部分区域的降雨通过边坡流入设置在马道上的排水沟内，流入排水沟的汇水通过自流的方式，从排水沟末端排出施工区域外，排水沟底坡设置成1.5%的缓坡，利于汇水的自流。
4.3集排水装置设计
4.3.1设置目的
排水装置设置在支洞洞口，以收集在洞口区域马道以下雨水，同时在该集排水装置内配备大流量、低扬程的潜水泵抽排汇集在装置内的汇水，潜水泵须满足瞬时雨量最大时的排水需求，即可保证外部汇水不流入洞内的要求。同时，为保证交通，集排水装置的顶部设计支撑能够满足自卸汽车、混凝土罐车等重型设备通行的要求。
4.3.2基本结构设计
（1）内部长、宽、深设计
集排水装置尺寸采用净长度为928cm、净宽度为200cm、净深度为200cm。边墙混凝土厚30cm，底板混凝土厚为20cm。集排水装置设计容量为37.12m3
（2）基本材料
洞口集排水装置设计结构（如图3所示）。主要包括混凝土边墙及底板、顶部支撑（由工字钢及钢筋组成）、爬梯、工字钢立柱等部分。
（3）承载力验算
1、混凝土边墙及底板
集排水装置的边墙及底板主要采用C25钢筋混凝土结构防止集排水装置内汇水渗透，造成对周围土体软化，从而影响周围土体的稳定性。其该结构可以承受较大的周围土体的侧向压力以及上部重型施工设备通过土体传递给混凝土侧壁的侧向压力。
边墙侧混凝土厚度按照单位宽度简支梁（最不利形式）进行设计考虑，外侧的侧向土压力按照均布荷载进行设计计算，侧向土压力按照集排水装置边墙底部最大侧向力进行考虑。土的饱和容重按照20KN/m3考虑，同时考虑上部荷载给土体增加的侧向压力按照5KN/m3。集排水装置的设计最大深度为2m，经计算单位宽度侧向混凝土墙所受均布荷载为：γh=25×2=50KN/m（如下图所示）根据简支梁弯矩计算公式可求得梁的跨中最大弯矩为M=1/8ql2=58KN/m。根据水工钢筋混凝土结构学[1]可知，梁的截面为0.3×1.0m，钢筋保护层厚度取5cm，经计算混凝土边墙采用Φ12@200的配筋，即能满足集排水装置整体的强度要求。
混凝土底板功能是防止汇水从集排水装置渗漏，因此底板设计厚度20cm即能满足防渗要求。
图3集排水装置设计结构图
2、顶部支撑
顶部支撑主要用于承受进出重型机械设备，同时保证雨水可以流入到集排水装置内。支撑装置支撑最大的设备重量为自卸汽车运输石渣时的重量，设备及石渣总重量约为40t，考虑自卸汽车拉渣时重心偏后，故支撑装置承受的荷载按照30t。水平支撑装置I16工字钢，工字钢上部荷载按集中荷载进行考虑，单根工字钢上可能承受的最大集中荷载取15t（98KN/m），根据材料力[3]学可知，工字钢所承受最大的弯矩为24.5KN▪m。经查I16工字钢规格表，求得工字钢承受最大弯曲正应力为174N/mm2＜205N/mm2满足要求。竖向单根工字钢上承受的最大集中荷载取15t（147KN），单根工字钢按照压杆稳定计算，单根工字钢所承受最大的压力为460KN。经查I16工字钢规格表，求得工字钢实际承受压力为147KN＜460KN满足要求。
4.4集水井内水泵选择
8#施工支洞的马道排水沟以下汇水面积为2791m2，每小时最大降雨量19mm，由此可知汇水体积为53m3/h，同时洞内向洞外排水的排水管流量按照25m3/h考虑。因此，该装置内的水泵适合选择低扬程、大流量的潜水泵进行集排水装置的排水。水泵选择250QJ（R）125-32，考虑到水泵工作时的有效效率按照76%考虑（即每小时最大排水量为125×76%=95m3/h），即53+25=78m3＜95m3，因此该集排水装置设计容量及水泵的选型能满足汇水不流入洞内的施工要求。
5使用情况
在乌干达卡鲁玛地区3月-11月份雨量充沛且雨量较大的情况下，该排水设计在8#支洞、9#支洞、10#支洞口的排水施工中相继投入使用，应用效果良好，完全满足了当地雨季的施工排水要求。
6经济效益分析
在乌干达卡鲁玛尾水隧洞8#支洞、9#支洞、10#支洞洞口区域排水，通过采用该排水设计，成功起到了将雨季洞外汇水阻止在洞外的拦截作用，这样可以避免洞外汇水流入洞内而增加的排水费用，同时确保洞内不被雨水倒灌而影响施工。
截止预计支洞封堵时间为2018年7月31日，采用该排水设计，三个作业面共节省排水费用为34.83万美元，见表1。
6.2间接经济效益
通过采用该排水设计，有效避免了各作业面受暴雨倒灌入洞内，保证洞内人员、设备、财产免受侵袭及施工造成影响，从而使各支洞及主洞内施工作业能够顺利进行，确保了整个尾水隧洞施工按期竣工。
7结束语
在乌干达卡鲁玛水电站8#支洞、9#支洞、10#支洞及尾水隧洞主洞的工程施工中，通过项目技术人员的努力，优化了丰雨地区反坡隧洞洞口排水设计，很好的解决了洞外雨水倒灌入洞内的问题，通过采用该排水设计，减少了因雨水倒灌而增加的排水费用，同时保障了洞内人员、设备、财产安全，保证施工的顺利进行，该设计也在实际应用中取得了较好的经济效益，对洞内施工起到很好的促进作用。
参考文献：
[1]河海大学，大连理工大学等.水工钢筋混凝土结构学.北京：中国水利水电出版社，1996。
[2]刘鸿文，材料力学I.北京：高等教育出版社，2004
作者简介：
张健鹏（1984-），男，吉林长春人，工程师，2008年毕业于长春工程学院，本科学历，现为中国水利水电第五工程局有限公司乌干达卡鲁玛水电站尾水隧洞项目部工程部主任，长期从事施工技术工作。
杨玉银（1968-），男，河北遵化人，教授级高级工程师，高级爆破工程师，中国爆破行业协会专家、四川省工程爆破协会专家委员会委员，公司第三届地下工程专业技术带头人，长期从事地下工程及土石方明挖施工爆破技术、安全管理工作，（E-mail）752153592@qq.com。