导流隧洞设计大纲范本

FCD71030

FCD

水利水电工程初步设计阶段

导流隧洞设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1998年6月

1

工程初步设计阶段

导流隧洞设计大纲

主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员:

勘测设计研究院

年 月

2

目 次

1. 引 言 ............................................................... 4 2. 设计依据文件和规范 ................................................... 4 3. 基本资料 ............................................................. 5 4. 设计原则、设计任务及基本假定 .......................................... 8 5. 导流隧洞布置及断面体形设计 ............................................ 9 6. 水力设计 ............................................................. 11 7. 隧洞结构设计 ......................................................... 13 8. 隧洞进出口明渠及洞脸开挖边坡稳定分析 ................................. 17 9. 封堵闸门结构设计 ..................................................... 18 10. 导流隧洞施工设计 ..................................................... 18 11. 专题研究及模型试验 ................................................... 19 12. 工程量计算 ........................................................... 20 13. 设计成果 ............................................................. 20 附录A 导流隧洞泄流计算 21 附表 25

3

1 引言

工程位于 ，是以 为主， 等综合利用的水利水电枢纽工程。枢纽建筑物由组成，最大坝高 m，正常蓄水位 m，总库容 ³10m，电站总装机容量 MW，保证出力 MW，年发电量 ³10kW²h，灌溉面积 ³10km，通航 t级船队(舶)。坝址处多年平均流量为 m/s，河谷为 形，谷底宽为 m，河谷形状系数 ，左右岸岸坡平均坡度为 度，两岸及河床岩性为

总工期为 年。

本工程预可行性研究报告于 年 月审查通过，选定坝址为 ，采用隧洞导流，

3

8

4

283

2 设计依据文件及规范

2.1 有关本工程文件

(1) 工程预可行性研究报告；

(2) 工程预可行性研究报告审批文件；

(3)可行性研究设计即原初步设计任务书及项目设计大纲； (4)有关的专题报告。

2.2

设计时应遵照的有关主要规范有(不限于)：

(1)DL5021—93 水利水电工程初步设计报告编制规程； (2)SDJ12—

78 SDJ217—87

(3)SDJ338—89 水利水电工程施工组织设计规范； (4)SD134—84 水工隧洞设计规范(试行)； (5)GBJ86—85 锚杆喷射混凝土支护技术规范；

(6)SDJ57—85 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范；

(7)SL74-95

水利水电工程钢闸门设计规范；

DL/T5039-95

(8)SDJ212—83 水工建筑物地下开挖工程施工技术规范； (9)SL/T191-96 DL/T5057-1996

(10)SDJ207—82 水工混凝土施工规范； (11) 其它有关的设计规范。

2.3

(1)水力计算手册，武汉水利电力学院水力学教研室编，水利出版社，1980年 (2)水工隧洞和调压室，潘家铮主编，水利电力出版社，

1990(3)水工隧洞的设计理论和计算，汪胡桢编，水利电力出版社，

1977(4)地下工程喷锚支护原理和设计，王建宇编，中国铁道出版社，

19801983年

4

水工混凝土结构设计规范；

水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(试行)及其补充规定；

(5)地下工程围岩稳定分析，于学馥、郑颖人、刘怀恒、方正昌编，煤炭工业出版社，

(6)水利水电工程地下建筑物设计手册，水利水电规划设计总院等编，

1993(7)水利水电施工组织设计手册，水利电力出版社，1990年

3基本资料

3.1

本阶段选定的坝址为 ，坝线为

3.2

本工程为 等工程，永久建筑物为 级建筑物，临时建筑物为 级建筑。

3.3

3

根据导流方式设计大纲，本工程采用围堰挡(全年或非汛期

) 洪水、隧洞导流的导流方式。导流隧洞设计洪水重现期为 a，相应设计流量 m/s。 3.4

(1)坝址不同时段不同重现期洪水流量

表1 坝址不同时段洪水重现期——流量关系表 单位：m3/s

(2)坝址历史实测逐月最大、最小及平均流量与逐月不同重现期流量

表2 坝址逐月流量特征表 单位：m3/s

5

(3)(4)

(5)

坝址水位——3.5

多年平均年输沙量 万t／

a多年平均含沙量 kg／m

实测最大含沙量 kg／m

悬移质平均粒经 mm3.6

(1)

33

表3 坝址气温与水温表 单位：℃

(2)

表4坝址降雨量、蒸发量及湿度表

年最大降雨量 mm，最大降雨强度 mm／d，平均降雨天数 d。 (3)

表5 坝址风速表 单位：m／s

风向为 ，吹程 km(4)

6

坝址冰冻期为 月 日至 月 日，平均结冰厚度 m；流冰期为 月 日至 月 日，持续时间 d3.7 3.7.1

(2)

的工程地质描述与围岩稳定性评价表)

(4)有关地应力特性指标

岩体内垂直地应力为 MPa，水平地应力为 MPa，最大主应力为 MPa，方向为 ；最大剪切应力为 MPa，方向为

(1:1000～1:2000)；

(1:1000～1:2000)；

(1:1000～1:2000)；

(1)坝址区(包括导流隧洞)

(3)导流隧洞沿程工程地质纵剖面(包含隧洞沿程岩性、围岩类别、地质构造特性及详细

(5)导流隧洞沿程围岩物理力学特性

(7)3.7.2

(1)(2)(3)(4)3.7.3 本工程3.8

(1)(2)(3)3.9

(1)

(2)采用水泥的产地、品种及标号。

7

(3)掺合料、外加剂的品种、性质及指标。 (4)采用的新材料的性质及指标。 3.10

3.11 其它有关的资料

(1)(2)(3)

(5)

(6)

(7)在梯级电站中，上游已建电站对削减导流流量及枯水期调峰时增泄流量的有关资

(8)临时或永久跨导流隧洞进、出口明渠的交通要求。

4 设计原则、设计任务及基本假定

4.1 求。

(2)设计前应深入现场踏勘，选择洞线，详细了解并掌握地形地貌、工程地质、水文地

质资料，并充分分析研究有关的设计资料。

(3)

导流隧洞布置应与水工枢纽布置综合考虑，并满足施工导截流要求。

(4)

导流隧洞设计应做到因地制宜，技术先进，隧洞沿程地质条件及水力学条件良好，施工方便，进度快，经济合理，安全可靠，确保质量。

(5)应积极推广使用国内外先进的设计经验，并不断总结提高。

4.2 设计任务

(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)4.3

(1)导流隧洞设计除执行本《大纲》外，还应符合有关的规程、规范、标准的规定和要

8

(1)(2)

(3)导流隧洞型式采用(有压式或无压式) 。

5 导流隧洞布置及断面体形设计

5.1

(1)导流隧洞布置应与电站枢纽总布置相协调，尽量与永久泄洪或引水建筑物结合，对沿线建筑物及周围环境影响较小。

(2)(3)(4)5.2

9

5.3

5.3.1 隧洞断面体形及尺寸设计原则

(1)满足地形、地质、地应力等要求，便于施工。

(2)满足导流、截流泄量要求，具有较强的超泄能力，并使导、截流工程综合费用最低。 (3)断面体形应与水流流态相协调，保证水流顺畅，断面尺寸应满足水力学有关要求。 (4)满足通航、过木、排冰等要求。 5.3.2 隧洞纵断面及底坡设计

5.3.3

本工程宜采用 5.3.4

10

本工程隧洞进口体形宜采用 ，进口建筑物结构型式采用

，出口消能型式采用 。

6 水力设计

6.1 6.1.1

11

(1)导流隧洞泄流能力计算。 (2)设计流量下，无压隧洞水面线计算(3)(4)(5)(6)6.1.2

(1)(3)6.2 6.2.1

(2)局部水头损失系数及糙率按本范本附表A1、附表A2

(1)(2)6.2.2

(2)

6.2.3

(1)弯道水流计算

(2)

12

6.2.6

7 隧洞结构设计

7.1

(1)(2)

(3)

(4)7.2 7.2.1

(1)导流隧洞施(2)(3)7.2.3

7.3 7.3.1

(1)导墙(或边墙)(2)

13

7.3.2

表7 荷载及其组合表

7.3.3

(1)结构自重，钢筋混凝土容重γ＝ kN/m(2)水压力，水容重γ0＝ kN/m。

3

(3)渗透压力，渗透压力折减系数β＝ 。 (4)土压力，土料容重γ2＝ kN/m。 7.3.4

(1)

3

3

(2)

14

7.4 7.4.1

(1)(2)7.4.2

表8荷载及其组合

7.4.3

(1)(2)(3)

γ＝ kN/mβ＝

15

3

3

γ0＝ kN/m

(4)风压力，根据规范规定的全国最大风压力分布图选择风压力值，对于选择的值尚应乘振动系数1.5和空气动力系数1.4(6)

(5)浪压力，计算风速 m/s，吹程 km(7)金属结构重量，包括闸

7.4.4

(1)

(2)

7.5

隧洞衬砌结构计算 7.5.1

表9荷载及其组合

7.5.2

(1)

γ＝ kN/m

3

(2)山岩压力，对于Ⅰ类围岩可不计围岩的松动压力，对Ⅱ、Ⅲ类围岩，按下式计算：

q＝(0.1～0.2)γ1B γ1——为岩石容重，γ1＝ kN/m；

B——为隧洞的开挖宽度，m；

q——为均匀分布的垂直围岩松动压力，kN/m

B2fk

2

3

对于Ⅳ、Ⅴ类围岩按松动介质平衡理论计算山岩压力，其计算公式：

q=γ1

式中： fk——

3

(3)内水压力，根据水力计算得到的洞内水面线或压坡线计算内水压力，水的容重γ。 ＝ kN/m(5)7.5.3

(4)外水压力，外水压力折减系数可参考SD134—84

16

7.6

导流隧洞封堵结构设计 7.6.1

(1)

本工程封堵体位置宜设置在 。

本工程堵头型式采用 7.6.2

8 隧洞进、出口明渠及洞脸开挖边坡稳定分析及处理设计

8.1 边坡稳定分析计算

本设计采用 8.2

本工程采用 措施进行边坡加固处理。

17

9 封堵闸门结构设计

9.1

(1)(2)9.2 9.2.1

9.2.2 荷载及其组合

9.3

3

(1)水压力计算，水的容重γ

0＝ kN／m，设计及校核条件下闸门挡水水头分别为 m3

(2)泥沙压力计算，泥沙浮容重γ＝kN/m，泥沙内摩擦角φ＝ 9.4

9.5

10 导流隧洞施工设计

10.1 施工方法、施工布置、施工进度设计

18

本工程隧洞开挖方法应采用 ，出碴方式采用 ，混凝土衬砌作业顺序采用 ，衬砌方式采用

10.2

本工程隧洞进口挡水围堰采用，出口围堰采用，围堰设计洪水标准采用。 10.3

11 专题研究及模型试验

11.1 专题研究(必要时)

(1)工程地质及水文地质条件较差或高地应力区的大跨度隧洞围岩稳定分析专题研究。 (2)当隧洞进、出口边坡较高，地质条件较差时，宜进行隧洞洞脸边坡稳定分析及锚固处理设计研究。

(3)大流量、高流速隧洞的水力学模型试验及专题研究。

(4)当有过木、通航、排冰要求时，应进行专门的模型试验及专题研究。 (5)当与永久建筑物结合时，应进行专门的水力学模型试验及专题研究。 11.2 模型试验

初步设计阶段，对推荐的导流隧洞布置方案应进行水工模型试验。

19

12 工程量计算

12.2

初步设计阶段各项工程量计算的阶段系数参见表11

表11 工程量计算的阶段系数表

13 设计成果

13.1

(1)(2)(3)(4)(5)(6)13.2 设

(1)(2)(3)

13.3 工程量汇总表

20

附录A 导流隧洞泄流计算

A1

A1.1 对i＜ik的缓坡隧洞(i为底坡，ik为临界坡

)

Ｈ／a＜1.2 为无压流 Ｋ2m＞Ｈ／a≥1.2 Ｈ／a≥Ｋ2m

(1)

K2m

12glV2l=1+(1+∑ξ+2)-i

2aCRga

式中：∑ξ——为自进口上游渐变流断面到隧洞出口断面间的局部能量损失系数之和；

Ｃ—— l——Ｒ—— i—— a——

2

V2V

——出口断面佛汝德数的平方，当出口断面周边为大气时，由试验得1.62；gaga

当出口断面上游有底板时，认为界限状态下的出口断面水深为临界水深hk，

即

A1.2

i＞i

k

V2

a ＝1。

ga

Ｈ／a＜1.2

1.2≤Ｈ／a＜1.5 为半有压流 Ｈ／a≥1.5

A2 A2.1

(1)当底坡为缓坡而趋于平坡，长短洞的界限长度为lk＝(5～12)H，当洞长l＞lk为长洞；l＜lk为短洞。

(2)当底坡接近临界底坡ik时，lk＝1.3(5～12)H。

(3)当底坡为陡坡(i＞ik)，泄流能力不受洞长影响，按短洞工作考虑。 A2.2

短洞泄流能力不受洞长影响，进口水流为宽顶堰流，按宽顶堰流公式计算泄流量。

Q=mσsb2gH0hk——为临界水深；

ωk——为相应于hk时的过水断面面积；

21

(2)

b——为矩形隧洞过水断面的宽度，当过水断面为非矩形时，b＝ωk/hk；

σs——为淹没系数，当下游水位较高，已淹没进口的收缩断面，使该处的水深h′

c

＞0.75H0时，为淹没出流，σs值与比值h′c/H0有关，当h′c＜0.75H0时，

为自由出流，σs＝1，当淹没时，h′c可近似的以下游水位减去进口底板高程而得；

h′c——为进口断面处的水深；

H0 ——为以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头；

m ——为流量系数，决定进口翼墙的型式、上游水库或渠道的过水断面面积与隧

洞过水断面面积之比，一般取m＝0.32～0.36，若进口翼墙较平顺，断面缩窄较小，应取较大的m值，反之应取较小的m值，见附表A3。

A2.3

对于长洞，一般需要由下游向上游推算水面曲线，以求得进口断面处的水深h′c，以h′

c

/H。在有关图表查出σs，再用式(2)

A3 A3.1

(1)对自由出流缓坡(i＜ik)隧洞，洞长l＜lkm时，为半有压短洞，l＞lkm时，为半有压长洞。

lkm＝li＋ls＋l。 (3)

l。＝1.3a，li＝1.4a，ls可由推算c1型水面曲线决定，其中收缩水深hc可由下式计算：

hc/a＝0.037H/a＋0.573μ＋0.182 (4)

μ——为流量系数，按附表A4取值。

(2)对自由出流，陡坡隧洞，正常水深ho＞a，l＜lks时，为半有压短洞，l＞lks时，为半有压长洞。

lks＝li＋ls＋lo (5)

li＝1.4a，lo＝0～0.5a，ls可用分段求和法由推算c2型水面曲线决定，hc仍按式(4)计算。 A3.2

(1)对半有压短洞，不论是缓坡或是陡坡，均可用下式进行泄流计算。

Q=μω2g(H-ηa)

式中： ω——为隧洞断面面积；

μ和ε

(6)

——分别为流量系数和洞口水流收缩系数，可由附表A4查取。

(2)对于缓坡半有压长洞，其出口明流段的长度lo很小，可按有压的自由出流，采用式(7)进行计算。

(3)对陡坡半有压长洞，由于发生有害的不稳定流态，难以进行水力计算，在设计中应予避免。

22

A4 有压流隧洞泄流计算

Q=μω2g(T0-hp)式中：μ——为流量系数，按下式计算：

μ=

2glωω

+∑ξi()2+∑2i()2

ωiCiRiωi

式中：ω——为隧洞出口断面面积；

ξi——为某一局部能量损失系数，与之相应的流速所在的断面为ωi(指根号内第二项中的ω

i

1

)；

li——为隧洞某一段的长度，与之相应的断面面积、水力半径和舍齐系数分别为ω

i

(指根号内第三项中的ωi)、Ｒi、Ｃi；

V2

T0——为上游水面与隧洞出口底板高程差Ｔ及上游行近流速水头之和，一般可

ga

认为To≈T；

hp——为隧洞出口断面水流的平均单位势能，hp＝0.5a＋P/γ；当淹没出流时，hp

等于下游水深hs a——为出口断面洞高；

γγ一般小于0.5a

A5 进口段设置有压短管(深式有压短管进口)

对于进口段设置有压短管的无压隧洞，其底坡i一般应大于ik，水流由有压短管泄出，以后为高速明流，当下游水位不影响隧洞的泄流能力(水跃位于收缩断面的下游)时，其泄流量可按有压短管出流公式进行计算：

Q=μ2g(H-hc)

H——

b——

(9)

e——为闸孔高度(或开启高度)

hc——为闸孔后的收缩水深，hc＝εe

ε——为有压短管出口的工作闸门或闸孔垂直收缩系数，当有压短管的顶部有倾斜压板且工作闸门全开时，按附表A5取值；当有压短管的顶部无倾斜压板时，按附表A6、附表A7取值；

μ——为有压短

εμ=ϕε=

2gl+∑ξi(c)2+2a(c)2

ωiCaRaωa

φ——为流速系数，一般约为0.97

23

ωc——为收缩断面面积，ωc＝εBe

ξi——为自进口上游渐变流断面至有压短管出流后的收缩断面之间的任一局

部能量损失系数；

ωi——为与ξ

i la——为有

ωa、Ｒa、Ｃa——分别为有压短管的平均过水断面面积及相应的水力半径及舍齐系数。

当有压短管的顶部没有倾斜压板，工作闸门全开时，μ值可由附表5查取。

24

附表A

附表A1 隧洞局部水头损失系数

25

附表A3 平底宽顶堰流量系数

26

附表A3(c) 圆弧形翼墙进口的平底宽顶堰流量系数

附表A3(d) 斜角形翼墙进口的平底宽顶堰流量系数

附表A4 流量系数及水流收缩系数

27

附表A7 弧形闸门水流收缩系数

28

29