基于EPANET的桐梓隧道反坡排水设计和分析

彭 琛, 刘远明

(贵州大学土木工程学院，贵阳 550025)

为保证长大隧道反坡段施工安全及实现施工工期可控，设计高效合理的排水系统是解决问题的关键之一。目前，中国大量学者对此进行了一系列研究，张旭辉[1]系统阐述了反坡排水参数的计算方法，并以此为依据对特长大断面隧道排水设备进行选型。陈光吉等[2]通过ANSYS分析了隧道涌水情况，根据涌水数据确定了排水方案。刘海荣[3]采用双联拱式固定泵站及双系统供电设施，成功排除了隧道涌水。董健[4]指出常规排水技术只对水泵工作能力提出要求，忽略了其经济合理性，并提出利用超前钻探技术和动态监测涌水量对现有排水方案进行优化。

上述研究成果对隧道反坡排水有重要意义，但仍存在一定局限性。一是现有对于抽水设备和管材的选型均是查表计算和基于工程设计经验，在水力计算时忽略了弯折、出入口等地方的水头损失；二是没有考虑管材内壁粗糙程度和有压管网中水流影响，计算成果不满足节点流量平衡方程和能量平衡方程，管道实际流速与设计流速不符；三是不能确定排水系统管道压力分布，容易造成安全系数过高浪费资源，或压力过大使管网不安全，严重时甚至对施工带来不利影响。排水系统管网水力计算是排水设计的依据，也是对不同工况进行模拟分析的基础[5]，因此，急需开展对隧道反坡排水管道水力计算的研究。

现以桐梓隧道为研究对象，通过EPANET程序对桐梓隧道正洞及4#斜井施工中反坡排水系统进行水力计算和设备选型，并与常规计算结果进行对比，分析误差主要来源，为长大隧道反坡排水水力计算提供参考。

1 桐梓隧道排水设计

1.1 工程概况

桐梓隧道位于贵州省桐梓县境内，为分离式三车道特长隧道，隧道左幅长10 497 m，右幅长10 487 m，隧道正洞纵坡坡度为1.75%。为加快工期实现提前揭煤和运营后通风计，增设4#斜井，桐梓隧道4#斜井与主洞交叉桩号为YK43+820，斜井起止桩号为K0+000～K0+410，全长410 m，综合纵坡为9.18%。4#斜井全段及从4#斜井转正洞由大里程向小里程YK43+820～YK42+030段长1 790 m为反坡施工，需设计反坡排水系统。

隧址区属长江流域赤水河水系桐梓河支流，地下水丰富且斜井区地表水发育，4#斜井右侧10～50 m有一季节性流水溪沟，测时流量为50～150 L/s，场区多年平均降水量1 037.3 mm，年最大降雨量1 374 mm，最大日降雨量173.3 mm，年平均蒸发量1 119.5 mm。桐梓隧道为越岭隧道，结合区域水文地质资料进行综合分析，隧道区地下水主要接受大气降水补给，地表水大部分以坡面流形式自然排泄，少部分沿基岩节理裂隙、岩层层面、溶蚀孔洞等下渗赋存，形成隧道开挖的涌水水源。现采用大气降水入渗法对隧道涌水量进行预测得到正洞YK42+030～YK43+820段最大涌水量为23 956 m3/d，4#号斜井最大涌水量27 294 m3/d。反坡施工段YK43+140掌子面涌水现场如图1所示。

图1 反坡施工段掌子面涌水现场Fig.1 Water gushing site of face in reverse slope construction section

1.2 反坡排水原则

基于已有隧道反坡排水施工技术经验，结合桐梓隧道工程实际，确定排水设计原则。

(1)隧道排水主要为围岩渗水、掌子面开挖的地下涌水和施工用水，水质成分不仅含有泥沙、岩屑还有喷射混凝土的回弹物，因此设备选型除了满足抽排的水量外还需考虑排水成分中的杂质[6-7]。

(2)桐梓隧道工期紧，24 h不间断作业，泵站抽水设备使用寿命长。

(3)集水井(泵站)抽排能力应按最大涌水量设计，还应配有备用设备，逐级接力排水的泵站水泵排水能力要按照自下而上递增的原则选配[8]。

(4)重视生态环境保护，坚持“限量排放、堵排结合”的原则，且抽排水管路设备应一次布局到位。

1.3 反坡排水设计方案

桐梓隧道正洞及4#斜井反坡排水主要分为两个阶段，第一阶段为斜井施工段的反坡排水，第二阶段为斜井进正洞后的反坡排水。基于以上原则和实际工况，第一阶段4#斜井排水为在掌子面附近设临时集水坑，将地下水及施工用水一次抽排至洞口的1号集水坑沉淀池，后排至洞外，当斜井施工将至斜井井底时，临时集水井抽水至1号集水坑距离最远，排水量最大。第二阶段斜井转正洞后的排水为在斜井井底(正洞交汇处桩号YK43+820)设立大型井底水仓，除收集斜井渗水外还承担正洞段接力排水，正洞段拟分析集水坑逐级接力与长距离管道配合小型集水坑两种反坡排水方式，所有集水井容量均按10 min最大涌水量来设计尺寸，排水量见表1，泵站设计如图2所示。

表1 集水坑尺寸及排水量Table 1 Sump size and discharge

2 反坡排水建模

EPANET是一个可以执行有压管网水力计算和进行不同类型配水分析的软件，分析对象包括由节点、管道、水泵、水池等构成的组件，具有管网平差、运行模拟、水质分析等功能，因其界面友好，清晰直观，功能强大而被广泛应用[9-11]。在EPANET中，通过迭代计算满足节点流量连续方程和管道能量平衡方程，管道系统水头损失常采用国家现行规范推荐的海曾-威廉公式，其优点在于它的粗糙系数是无量纲的，减少了不同类别管材之间的换算误差[12-13]。

桐梓隧道正洞及4#斜井两个阶段反坡排水段水力模型根据正洞的排水方式不同分为逐级接力排水模型(模型一)和长距离管道配合小型集水坑直接排水至井底水仓模型(模型二)。模型一如图3所示设有第一阶段斜井临时集水坑排水泵站和第二阶段正洞及斜井4级泵站、斜井1号集水井、洞外沉淀池。沿程共67个节点(包括水池)，每个泵站系统节点由小至大依次编号，节点的标高对应所处位置的隧道设计高程。其中为保证集水坑内水均能排至下一级泵站，集水坑的节点标高在原基础上减去集水坑的开挖深度，且上一个泵站系统末端节点标高与下一级泵站集水坑标高一致，保证了节点连续性。管段共设60根(包括水泵所在管段)，两节点间距即管段长对应隧道区间长度。模型二如图4所示，共设56个节点(包括水池)，54根管段(包括水泵所在管段)，与模型一不同的是在正洞设置泵站4-1号、2-1号长距离管道排水泵，高程设置及编号与模型一相同。

图3 逐级接力排水模型及节点编号Fig.3 Step by step relay drainage model and node number

图4 长距离管道直接排水模型及节点编号Fig.4 Direct drainage model and node number of long distance pipeline

3 仿真模拟分析

为在EPANET中实现反坡排水，在各级泵站系统末端节点输入排水量，通过控制管道流速及节点水压力和单位水头损失对水泵进行选型及组合。参考《室外排水设计规范》GB 50014—2006[14]中5.4.4条水泵出水管流速宜为0.8～2.5 m/s，由该规范中4.2.8条知，当最小设计流速达到0.8 m/s时，污水厂压力输泥管道设计流速可满足97%～90%的污泥含水率，桐梓隧道围岩渗水及施工用水中的泥沙含量是可以认为在此范围之内。节点水压力从管材承压能力和克服高程考虑，管材选用钢管，末端节点水压力大于0即可排出水，但应设置富余量，为避免末端水压力过大且经济合理，将水压控制在0～0.1 MPa，水泵型号和管径对应所在排水管道的末端节点号。逐级接力排水泵站系统末端节点需水量及水泵型号与组合见表2。由于模型二中两阶段斜井排水量及排水方式与模型一致，故只列出正洞段长距离管道直接排水系统排水量及水泵参数见表3。

表2 逐级接力排水选用设备参数Table 2 Selected equipment parameters of step-by-step relay drainage

表3 正洞长距离管道直接排水选用设备参数Table 3 Selection of equipment parameters for direct drainage of long-distance pipeline in main tunnel

根据以上设计原则和参数，运行程序，选取不同泵站不同型号水泵及管道的计算结果，得到正洞逐级接力排水系统管道水压力分布，如图5所示。因两阶段斜井排水系统管道压力相同，绘制正洞长距离管道直接排水系统管道水压力分布，如图6所示。

图5 逐级接力排水系统管道压力Fig.5 Pipeline pressure of cascade relay drainage system

图6 长距离管道直接排水系统管道压力Fig.6 Long distance pipeline direct drainage system pipeline pressure

根据排水系统管道节点水压力分布可知，第一阶段4#斜井排水系统临时泵站管道最大水压力为0.455 MPa，最小水压力(末端节点水压力)为0.018 MPa，第二阶段斜井转正洞模型一逐级接力排水管道最大水压力为0.515 MPa，末端节点最大水压力为0.102 MPa，末端节点最小水压力为0.027 MPa；模型二长距离管道直接排水管道最大水压力为0.637 MPa，末端节点最大水压力为0.105 MPa，末端节点最小水压力为0.052 MPa。

因此，按照以上设备布置，两个排水阶段的压力值均可以保证系统管网安全，远低于管材极限承压，且能克服泵站高程差及沿程管网阻力和局部水头损失，可以顺利将水排至上一级泵站。

除了满足压力要求，设备选型和泵站设置是否经济合理还需考虑系统管道流速和水头损失，根据计算结果，得出两个排水阶段各个泵站系统管道的水流参数见表4。

表4 泵站系统水流参数表Table 4 Water flow parameters of pumping station system

由表4可知，整个反坡排水系统管道流速最小为1.59 m/s，最大为2.36 m/s，均在参考规范的设计流速范围之内，而排水管道的经济流速一般在0.8～2.5 m/s，从经济角度分析选设备型也较合理。此外，逐级接力反坡排水的方式总水头损失为154.3 m，长距离管道直接排水方式总水头损失为139.5 m，说明长距离管道排水水头损失较少，且具有泵站级数少，开挖集水坑容积小的优点，但是所选用的水泵功率较大，布置的管道较长，因此在隧道坡度和现场施工满足要求的条件下，正洞段优先选取长距离管道配合小型集水井的反坡排水方式。

4 与常规计算对比分析

按常规计算方法，桐梓隧道4#斜井反坡排水的水泵和管径选型如下所述。

(1)水泵扬程计算公式为

H=Z+hw+hf

(1)

式(1)中：H为水泵扬程，m；Z为水泵出入口高程差，m；hw为沿程水头损失，m；hf为局部水头损失，m。

(2)为满足排水流量和扬程，在4#斜井井底配置流量300 m3/h、扬程60 m、功率75 kW的水泵8台，抽水设备并联工作，抽水能力达57 600 m3/d。

(3)参考文献[15]中第11.1条，钢管和铸铁管水力计算公式，设计选择DN300管道，输送能力600 m3/h，流速为2.28 m/s，水力坡降1 000i=26。

基于以上参数建立EPANET水力模型进行核算，斜井节点压力和管道流速如图7所示。

图7 斜井压力和管道流速分布Fig.7 Distribution of inclined well pressure and pipeline velocity

根据图7的斜井压力和管道流速分布，对两种计算结果对比分析如下：

(1)斜井排水系统管网最大水压力为0.758 MPa，末端节点水头压力0.325 MPa，虽然达不到管材极限承压，但是末端水头压力过高，斜井及正洞反坡段最大涌水量为51 250 m3/d，水泵配置抽水能力较最大涌水量增加11%，设计过于保守。

(2)单位水头损失为0.056 kPa，较舍维列夫公式水力计算表增加53.5%，原因是传统计算方法忽略了局部水头损失hf，EPANET模型水池节点采用隧道实际高程，而水头损失求解是否准确不影响实际高程，相比估算扬程更为精确。

(3)管道实际流速为1.41 m/s，较查表设计流速2.24 m/s误差达38%，实际流速远低于设计流速，而EPANET考虑了由紊流造成的局部损失，通过赋予管道一个局部损失系数来计算，说明未考虑这部分水头损失对实际流速有一定的影响。

5 结论

通过EPANET仿真试验分析，得到以下结论。

(1)以桐梓隧道为依托，采用EPANET构建隧道反坡排水模型，对逐级接力和长距离管道配合小型集水坑两种常见反坡排水方式进行分析，求得两种模型压力分布和水流参数，从降低水损和水泵配置上考虑正洞应采用长距离管道直接抽排至井底水仓的排水方式。

(2)对比常规计算结果，EPANET求解水头损失更加精确，对设备选型采用实际高程，不受计算误差影响，且可以求出出水端口的压力值。而常规计算忽略局部水头损失占水损总数50%左右，误差过大。

(3)由于常规方法求得水力参数太少，导致设计仅考虑满足流量要求，忽视了排水设备选型及组合的经济性。

(4)目前，在中国隧道反坡排水设计中，尚未看到有相关文献进行平差计算，因此，本文可为隧道反坡排水设计提供可参考的水力计算，并对设计过程中水泵组合的优化、管路的布置等提供借鉴。