某一水利樞紐的隧洞設(shè)計計算案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u5259某一水利樞紐的隧洞設(shè)計計算案例綜述 1197001.1隧洞布置 1186091.1.1隧洞斷面形式 140301.1.2隧洞條數(shù) 1205321.1.3隧洞的布置 2165561.2隧洞尺寸設(shè)計 3168091.2.1初擬斷面尺寸 3204061.2.2隧洞泄流能力計算 366461.2.3隧洞尺寸比選 7101601.3隧洞進(jìn)出口設(shè)計 871661.1.1隧洞進(jìn)口設(shè)計 8322091.1.2隧洞出口設(shè)計 957791.4隧洞襯砌及氣蝕破壞防護(hù)措施 101.1隧洞布置1.1.1隧洞斷面形式參照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2016），隧洞斷面形式與尺寸要根據(jù)隧洞的工作狀態(tài)進(jìn)行選擇，在隧洞導(dǎo)流時有明流、壓力流兩種流態(tài)。隨著泄流流量的變化，隧洞明、壓交替的狀態(tài)不可避免?？紤]到施工后期導(dǎo)流度汛的需求，本次設(shè)計按壓力流進(jìn)行設(shè)計，并選取圓形隧洞斷面。為盡量避免明、壓流交替的不利流態(tài)，且宋河枯水期流量較小，本次設(shè)計將進(jìn)口高程設(shè)置在枯水位以下，并留出一定水頭，進(jìn)口高程在枯水位以下2m處。1.1.2隧洞條數(shù)根據(jù)1.4可知，壩區(qū)巖石質(zhì)地堅硬，抗壓強(qiáng)度較高，地質(zhì)條件可以承受大斷面隧洞的開挖，且根據(jù)目前施工機(jī)械的發(fā)展水平可以實現(xiàn)半徑10m的隧洞開發(fā)，但最終選用單條隧洞還是雙條隧洞布置，還需對隧洞進(jìn)行挖方量計算進(jìn)行比較。根據(jù)下文對隧洞斷面的計算，最終選擇半徑10m的單條隧洞與半徑7m的雙條隧洞進(jìn)行開挖方量比較，隧洞開挖方量通過隧洞面積乘以隧洞長度進(jìn)行簡化計算。由于壩址右岸存在一深槽，左岸穩(wěn)定性較好，因此選取兩條隧洞布置時，也要將兩條隧洞同時設(shè)置在左岸，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，兩條隧洞在同一岸布置時，隧洞之間距離要大于等于三倍的洞寬ADDINNE.Ref.{60A1F25A-5259-4268-A49F-11653A32C9B6}[3]，即21m，本次初擬兩隧洞布置時，隧洞間距離選取25m，兩隧洞導(dǎo)流方案開挖方比較如下表1.1所示。表1.1隧洞開挖量計算表隧洞條數(shù)洞涇(m)單條隧洞面積(m2)隧洞總長度(m)開挖方總量(m3)110314.16565.94177795.2927151.941190.14183207.48根據(jù)上表所得，選擇單條隧洞布置開挖方量較小，且可以通過單條隧洞周長乘以隧洞總長度的方式來粗算隧洞襯砌總面積，兩種隧洞布置方案襯砌總面積如下表1.2計算所得。表1.2隧洞襯砌總面積計算表隧洞條數(shù)洞涇(m)單條隧洞周長(m2)隧洞總長度(m)隧洞襯砌總面積(m2)11062.83565.9435559.062741.981190.1452344.99單條隧洞布置襯砌長度明顯小于雙條隧洞布置的襯砌長度，綜上所述，采用一條隧洞布置的導(dǎo)流方案。1.1.3隧洞的布置根據(jù)上節(jié)可知本次采取一條隧洞的布置方案，并將其布置在左岸。根據(jù)水工隧洞的設(shè)計規(guī)范，隧洞在平面布置時最好選用直線布置，有壓隧洞在轉(zhuǎn)彎時采取曲線布置，彎轉(zhuǎn)半徑應(yīng)大于等于三倍洞寬，且不能出現(xiàn)超過60°的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)彎的前后段都應(yīng)有直線部分與之相連，長度要超過五倍的洞寬。根據(jù)下文隧洞尺寸設(shè)計中可知，選取導(dǎo)流隧洞寬為20m。在本次設(shè)計中，彎曲半徑選取為100m，轉(zhuǎn)角為35°。隧洞的詳細(xì)布置如下圖1.1所示，隧洞全長為565.94m。圖1.1廉江水利樞紐平面布置圖1.2隧洞尺寸設(shè)計1.2.1初擬斷面尺寸根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，導(dǎo)流隧洞的單位面積過水能力在6～20m/s之間，初步擬定洞內(nèi)流速為18m3/(s·m2)，且由表1.3得，20年一遇頻率洪水最大流量Q5%=5130m3/s，初步設(shè)計流態(tài)為有壓流，并進(jìn)行水力計算：（1.1）（1.2）通過公式1.2計算可得R=9.52m，考慮到隧洞施工和襯砌的需要，適當(dāng)加大隧洞斷面過流面積，因此將半徑R取為10m。之后分別選取與初擬半徑10m相近的兩個備選方案8m和12m進(jìn)行比選，共同進(jìn)行水力計算。1.2.2隧洞泄流能力計算在本設(shè)計中，地質(zhì)條件較好，但隧洞斷面較大，為盡量減小糙率，初步選用隧洞水道表面為噴射混凝土。根據(jù)規(guī)范可知，水泥噴漿或者噴射混凝土，一般糙率為0.024～0.030ADDINNE.Ref.{86483B45-9E34-4416-935F-2343EFFAB8AB}[3]，本設(shè)計選取糙率n=0.025。當(dāng)隧洞內(nèi)全線充滿水流時，隧洞為有壓流狀態(tài)，水力半徑R=S/χ=10m，謝才系數(shù)：（1.3）臨界流量的計算：半有壓流的下泄流量Qpc可根據(jù)下式計算：（1.4）式中：τpc——半有壓流的下限臨界壅高比，本導(dǎo)流隧洞設(shè)計為圓形進(jìn)口，并且擁有翼墻，因此τpc=1.10；μ——流量系數(shù)，由進(jìn)口型式選定，根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計手冊》（第一卷）中表2-5-32進(jìn)行選擇，取μ=0.670；ε——進(jìn)口豎向抽縮系數(shù)，參照《水利水電施工組織設(shè)計手冊》（第一卷）中表2-5-32進(jìn)行選擇，取ε=0.740；Ad——隧洞橫斷面面積，Ad=314.16m2；d——洞徑，d=20m。通過計算可得Qpc=2500.45m3/s。上游臨界壅高比τFc，也是有壓流與半有壓流的分界可通過下式計算：（1.5）式中：HFc——形成有壓流時，隧洞進(jìn)口底檻以上的水面深度；隧洞內(nèi)水流工作狀態(tài)會被坡度等因素影響，在近似計算時常采用經(jīng)驗值τFc=1.5ADDINNE.Ref.{33D19608-8094-4D72-AB0C-47299FBF9772}[1]進(jìn)行計算，其臨界流量可通過有壓流公式近似計算如下所示：（1.6）式中：i——底坡坡度，i=2.5‰；L——隧洞全線長度，L=565.94mλ——沿程水頭損失系數(shù)，由公式1.3可知C=58.71，根據(jù)公式進(jìn)行計算可得λ=0.0227?！痞啤獮榫植繐p失系數(shù)，參照《水利水電施工組織設(shè)計手冊》（第一卷）中表2-5-20進(jìn)行選取。在進(jìn)水口，為減少局部水頭損失可采用喇叭形進(jìn)口，ζ1=0.1；在閘門槽處，ζ一般為0.05~0.20，本設(shè)計取ζ2=0.1；在出水口處，下游被擋水圍堰截斷，水流由隧洞直接匯入河中，可近似流入明渠進(jìn)行計算，設(shè)計洪水位時隧洞內(nèi)最大流速按16.5m/s進(jìn)行計算，而宋河內(nèi)最大流速為7m/s，經(jīng)過下式計算可得，因此，∑ζ=0.1+0.1+0.33=0.53。η——有壓流出口的水頭比，可根據(jù)下表1.1進(jìn)行選取，本工程中選取η=0.7。表1.1有壓流出口η值泄流狀態(tài)η大氣射流0.50出口有頂托，側(cè)墻不約束0.70出口有頂托，側(cè)墻有約束0.85則由上式1.6計算可得：QFc=3935.50m3/s綜上所述，當(dāng)上游來水流量小于2500.45m3/s時，洞內(nèi)流態(tài)為明流；當(dāng)上游流量大于3935.50m3/s時，隧洞內(nèi)為有壓流；當(dāng)上游流量在2500.45m3/s與3935.50m3/s之間時，隧洞內(nèi)流態(tài)為半有壓流。導(dǎo)流隧洞的自由泄流能力可以按照下式進(jìn)行計算：（1.7）圓形斷面臨界水深按照王中正等ADDINNE.Ref.{E612CC07-6E51-4F61-B5CD-15F09DDA96A2}[4]的近似計算公式進(jìn)行計算：（1.8）（1.9）式中：σ——淹沒系數(shù)，本次設(shè)計取σ=1.0ADDINNE.Ref.{34A8905C-476D-44B0-A831-BF0AEE48A912}[3]；m——流量系數(shù)，一般為0.32~0.36，本設(shè)計中m取為0.34?！R界水深的平均過水寬度，可由圓形斷面臨界水深公式1.8、1.9，并進(jìn)一步通過Excel進(jìn)行試算可得。表1.2自由出流泄流能力計算表水位(m)上游水頭H0(m)臨界水深hk(m)平均過水寬度Bk(m)泄流流量q(m3/s)41821.406.9029.3742042.799.53114.7742264.1711.38251.7442485.5212.78435.39426106.8411.88660.64428128.1214.74922.41430149.3615.421215.594321610.5615.941535.184341811.7216.321876.284362012.8216.592234.08437.4521.4511.5916.732500.45當(dāng)超過水位437.45m時，上游水頭為21.45m，，與選用的1.1值誤差較小，符合要求。此時隧洞內(nèi)將由明流轉(zhuǎn)變成半有壓流，隧洞半有壓流泄流能力可根據(jù)下式進(jìn)行計算：（1.10）式中：μ——流量系數(shù)，由進(jìn)口型式選定，根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計手冊》（第一卷）中表2-5-32進(jìn)行選擇，取μ=0.670；ε——進(jìn)口豎向抽縮系數(shù)，參照《水利水電施工組織設(shè)計手冊》（第一卷）中表2-5-32進(jìn)行選擇，取ε=0.740。表1.2半有壓泄流能力計算表水位(m)上游水頭H0(m)泄流流量q(m3/s)438222635.72440242946.82442263228.08444283486.73446303727.47448323951.57448.6432.643935.50由于有壓泄流能力要大于半有壓流，因此當(dāng)水頭為32m時，根據(jù)半有壓流公式計算出的泄流能力要小于根據(jù)有壓流公式計算出的泄流量。此時，水頭為1.6倍洞徑，與所取經(jīng)驗值1.5相近，數(shù)據(jù)較為合理。根據(jù)表1.6的壩址水位流量表，當(dāng)泄流流量達(dá)到半有壓流下泄流量的最大值3935.50m3/s時，下游水位為425.43m，而隧洞出口洞頂高程為434.59m，大于下游水位，可近似按照自由出流條件下的有壓流進(jìn)行計算，計算公式如下：（1.11）表1.3有壓泄流能力計算表水位(m)上游水頭H0(m)泄流流量q(m3/s)448324167.30450344376.69452364576.50454384767.95456404952.00458425129.45458.1242.185130.00由計算所得，當(dāng)泄流流量達(dá)到設(shè)計洪水量5130m3/s，上游水頭為42.18m。初估圍堰高度為上游水頭再加0.5m的超高值，為42.68m。1.2.3隧洞尺寸比選（一）隧洞半徑8m隧洞泄流能力計算與上文中隧洞半徑為10m的隧洞相同，通過計算可得，隧洞半徑為8m量Qpc=1431.34m3/s，QFc=2490.43m3/s。當(dāng)上游來水流量能夠達(dá)到設(shè)計洪水流量5130m3/s時，上游水頭為86.48m，在這么高水頭的工況下運(yùn)行，洞內(nèi)水流流速過快，對隧洞的穩(wěn)定性不利，因此不采取該導(dǎo)流隧洞方案。（二）隧洞半徑12m通過計算隧洞泄流能力可得，當(dāng)隧洞半徑為12m時半有壓流下限流量Qpc=3944.32m3/s，半有壓流上限流量QFc=5717.22m3/s。當(dāng)上游來水量能夠達(dá)到設(shè)計洪水流量5130m3/s時，仍然是半有壓流流態(tài)，此時上游水頭為26.61m。由于隧洞在最大洪水流量時仍然是半有壓流流態(tài)，不利于隧洞的穩(wěn)定，而且沒有將隧洞的泄流能力全部利用。通過比較可以說明，隧洞半徑為10m泄流能力已經(jīng)能夠滿足要求，沒有再開挖更大半徑隧洞的必要，且根據(jù)設(shè)計規(guī)范可得，一般選用小隧洞高圍堰更為經(jīng)濟(jì)。因此最終選擇半徑為10m的導(dǎo)流隧洞。1.3隧洞進(jìn)出口設(shè)計1.1.1隧洞進(jìn)口設(shè)計隧洞的進(jìn)口建筑物主要有5種：豎井式、塔式、岸塔式、斜坡式、組合式等ADDINNE.Ref.{3C97981B-7594-4943-8987-CD6974FC8698}[5]，由1.4.1可知，壩區(qū)地處地震波及區(qū)，地震局基本烈度為7級。壩區(qū)春季多風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)18m/s，不適合采用塔式進(jìn)水口。該工程巖石地質(zhì)條件比較堅硬，滿足開挖豎井的條件，且豎井式進(jìn)口結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性較好。因此該工程采用豎井式進(jìn)水口，并在豎井附近設(shè)置啟閉閘門，便于后期隧洞的封堵。隧洞進(jìn)口處設(shè)置一漸變段，長度為3倍洞寬左右，能夠提高隧洞的進(jìn)水能力，本次設(shè)計選用四分之一的橢圓線，如下式所示：（1.12）式中：a可表示為為橢圓的半長軸、b可表示為橢圓的半短軸。可根據(jù)下表1.1進(jìn)行選取。表1.1橢圓長短軸比值推薦表a/h0.88~1.41.4~2.12.1~2.422.42~1.0a/b2.02.51.01.5本設(shè)計選取a/h=1.0，a/b=2.0，h=D=20m，a=20m，b為10m。隧洞進(jìn)口由喇叭口段逐漸縮小為圓形，漸變段設(shè)計為1.5倍洞涇，即30m。隧洞喇叭形進(jìn)口如下圖1.1所示。圖1.1隧洞喇叭口形狀示意圖圖1.2閘后漸變段剖面示意圖根據(jù)設(shè)計資料2