水利水电工程 技术设计阶段竖井设计大纲范本.docx
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水利水电工程技术设计阶段竖井设计大纲范本
工程技术设计阶段
竖井设计大纲
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
目次
1.引言4
2.设计依据文件和规范4
3.基本资料4
4竖井结构设计7
5.喷锚支护设计15
6.竖井内部交通、排水防潮等设计18
7.基础处理18
8.技术专题研究18
9.工程量计算18
10.应提供的设计成果18
附录A竖井侧向山岩压力19
附录B井颈基底承压力计算特征数表21
附录C竖井壁座计算公式23
附录D竖井与隧洞联接形式25
1引言
1.1工程概况
工程位于,是以为主,兼有等综合利用的水利水电枢纽工程。
电站总装机容量MW,年发电量kW·h。
电站为厂房,厂房高m,宽m,长m。
本工程初步设计报告于年月审查通过。
提示:
按竖井内有无水情况可分为干井和湿井两大类;
(1)干井:
主要包括交通运输井、电缆井、通风竖井、施工竖井等;
(2)湿井:
主要包括压力水道竖井、调压井、竖井式溢洪道、闸门井等;
本大纲仅适用于干井设计,不涉及湿井设计。
1.2水电站竖井分类
2设计依据文件和规范
2.1有关本工程的文件
(1)工程初步设计报告;
(2)工程初步设计审批文件;
(3)工程技术设计任务书。
2.2主要设计规范
(1)SD335-89水电站厂房设计规范(试行);
(2)SDJ20-78水工钢筋混凝土结构设计规范(试行);
(3)SDJ10-78水工建筑物抗震设计规范(试行);
(4)SD134-84水工隧洞设计规范;
(5)GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范;
(6)SDJ212-83水工建筑物地下开挖工程施工技术规范;
(7)SL47-94水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范;
(8)SDJ207-82水工混凝土施工规范。
3基本资料
3.1工程等别与建筑物级别
(1)工程等别:
等;
(2)建筑物级别:
级。
3.2地震烈度
(1)基本地震烈度:
度;
(2)设计地震烈度:
度。
3.3洪水标准
(1)竖井进口处设计洪水重现期:
a;
(2)竖井进口处校核洪水重现期:
a。
3.4水位和流量
水位和流量见表1。
表1水位和流量表
指标
项目
单位
设计洪水
校核洪水
流量(Q)
m3/s
水位(Z)
m
3.5气象
(1)月平均气温,见表2。
表2月平均气温表单位:
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
平均气温
(2)绝对最高气温:
℃;
绝对最低气温:
℃。
(3)多年平均最大风速:
m/s;
风的吹程:
km。
(4)冻土厚度:
m。
3.6水文地质
(1)地下水位:
m;
(2)渗透系数:
m/s;
(3)井筒内涌水量:
m3/s;
(4)地下水有无侵蚀性:
。
3.7工程地质
(1)地形图(1/200~1/500);
(2)地质剖面图及柱状图;
(3)围岩物理力学特性指标见表3。
表3围岩物理力学特性指标
岩层
岩性
岩、土厚度,m
容重
kN/m3
承载能力
MPa
内摩擦角(°)
凝聚力MPa
坚固
系数
抗压
强度
MPa
抗拉
强度
MPa
弹性
抗力
kN/m2
弹性
模量
MPa
泊桑比
围岩
分类
第一层
第二层
…
注:
1.按竖井自上而下穿过地层的顺序逐层填写;
2.各项指标根据实际情况增减。
3.8竖井设计参数
(1)井筒中心座标:
xm;
ym;
(2)竖井井口标高:
m;
(3)竖井井底标高:
m;
(4)竖井深度:
m;
(5)竖井内允许最大风速:
m/s;
(6)竖井内交通允许最大运行速度:
m/s。
3.9材料特性及安全系数
3.9.1混凝土
(1)混凝土标号:
。
(2)混凝土容重:
kN/m3;
钢筋混凝土容重:
kN/m3。
(3)混凝土弹性模量,见表4。
表4混凝土弹性模量
混凝土标号
弹性模量,MPa
混凝土泊桑比:
。
(4)混凝土设计强度,见表5。
表5混凝土设计强度指标单位:
MPa
混凝土标号
轴心抗压
弯曲抗压
抗拉
抗裂
3.9.2钢筋
(1)钢筋弹性模量,见表6。
表6钢筋弹性模量单位:
MPa
钢筋种类
弹性模量
钢筋泊桑比:
。
(2)钢筋的设计强度,见表7。
表7钢筋设计强度单位:
MPa
钢筋种类
设计强度
受拉钢筋
受压钢筋
3.9.3安全系数
(1)强度安全系数,见表8。
表8强度安全系数
结构
受力特征
荷载组合
基本
特殊
混凝土
按抗压强度计算的受压构件、局部承压
按抗拉强度计算的受压、受弯、受拉构件
钢筋混凝土
轴心受压、偏心受压构件、局部承压
轴心受拉、受弯、偏心受拉构件
(2)钢筋混凝土结构构件抗裂安全系数,见表9。
表9抗裂安全系数
序号
受力特征
建筑物级别
1
轴心受拉、小偏心受拉构件
2
受弯、偏心受压、大偏心受拉构件
(3)钢筋混凝土结构构件允许最大裂缝宽度mm。
(4)钢筋混凝土衬砌最小配筋率,见表10。
表10钢筋混凝土最小配筋率
序号
钢筋受力情况
混凝土标号
≤200
250~400
500~600
1
轴心受压构件全部受压钢筋
2
偏心受压、偏心受拉构件受压钢筋
3
受弯构件、偏心受压、偏心受拉构件中的受拉钢筋
4竖井结构设计
提示:
(1)竖井尽量布置在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地方,竖井进口山体稳定,无滑坡体;
(2)竖井尽量避免穿过流沙、含水层、断层破碎带,对地下水应予以重视;
(3)竖井进口不应设在可能被洪水淹没处,要注意防洪问题;
(4)竖井布置要综合考虑施工条件、对外交通、竖井通风等具体情况;
(5)为增加井壁与岩层的结合力,使衬砌自重传给岩层,可在竖井衬砌上设置壁座。
4.1布置原则
4.2竖井衬砌型式和衬砌材料
提示:
竖井衬砌材料主要有:
(1)混凝土;
(2)钢筋混凝土;
(3)预制混凝土砖;
(4)浆砌石等。
本工程主要考虑混凝土和钢筋混凝土两种材料。
4.2.1衬砌材料
提示:
(1)混凝土衬砌;
(2)钢筋混凝土衬砌;
(3)喷锚支护;
(4)组合衬砌;
(5)不衬砌。
4.2.2衬砌型式
本工程竖井采用衬砌。
4.3竖井断面形式及尺寸选定
4.3.1断面形式选择
提示:
(1)圆形断面:
井壁受力均匀,节省材料,通风阻力小,通风费用省,断面利用率较低,适用于山岩压力较大、地质条件复杂的岩层;
(2)矩形断面:
对设备布置有利,衬砌受力条件较差,一般适用于山岩压力较小地段;
(3)椭圆形:
目前椭圆形断面采用较少。
竖井断面形式应根据用途、工程地质及水文地质条件、支护及衬砌材料等因素选择。
本工程竖井采用断面。
提示:
(1)根据施工需要、运行要求、结合交通运输设备、管线路布置和安全间隙等需要的面积确定;
(2)通过竖井的最大风速不超过规范要求;
(3)根据工程经验,采用工程类比方法初步确定断面尺寸。
4.3.2断面尺寸确定
4.4计算原则及基本假定
提示:
(1)圆筒与底板刚接;
(2)圆筒与底板铰接,铰接不易施工,工程中应用很少;
(3)圆筒与底板用伸缩缝脱开。
4.4.1圆筒与底板连接方式
4.4.2筒壁按平面圆筒计算(不考虑底板与筒壁的整体作用)
(1)竖井衬砌内力计算常取水平截条,忽略衬砌自重和山岩压力;
提示:
考虑筒壁与底板整体作用:
(1)底板与筒壁刚接;
(2)在各高程上直井衬砌外半径一致,在每一段圆筒中断面不变;
(3)直井、底板皆属薄壳结构,可用薄壳理论计算;
(4)衬砌与围岩密接,直井衬砌与基岩摩擦力可以维持衬砌自重,故认为筒底垂直变位为零;
(5)底板受到井壁传来的对称径向力所引起的变形与井壁挠曲变形相比很小,可忽略,即底板无水平变位;
(6)围岩弹性抗力与变形关系采用文克尔假定。
(2)当计算荷载确定后,衬砌内力计算与平洞计算方法无异。
4.5荷载及荷载组合
4.5.1设计荷载
(1)侧向山岩压力A1
提示:
侧向山岩压力(地压)计算可参考:
(1)《建井工程手册》第三卷第十一篇第二章;
(2)《地下工程》1979年第5期及1982年第12期中有关文章。
侧向山岩压力(地压)的计算见附录A。
提示:
利用冻土方法施工的竖井,采用混凝土、钢筋混凝土衬砌时有冻胀力。
冻胀力一般按实测资料选取,可参考下表选用。
冻胀力值表单位:
MPa
土层名称
砂层、砂砾层
砂土、砂质粘土
粘土、砂质粘土
钙质粘土
冻胀力值
0.5
1.0
1.5~1.8
1.8
(2)冻胀力A2
提示:
(1)计算井壁内力时自重可忽略,计算底板内力时可考虑自重;
(2)自重包括井内永久设备重。
(3)自重A3
(4)井口建筑物对井壁产生的侧压力A4
(5)弹性抗力A5
提示:
一般情况下可以不考虑弹性抗力,仅在底板计算时视具体情况考虑弹性抗力。
(6)灌浆压力A6
提示:
灌浆压力为施工完建时期荷载,灌浆压力分布规律可参考有关资料。
(7)外水压力A7
提示:
外水压力值要考虑地质条件、排水情况而定,并且计算外水压力时,要考虑外水折减系数β,β值参见规范。
提示:
(1)参考杨述仁等编写的《地下水电站厂房设计》;
(2)参考《水工设计手册》第七篇第三十二章第三节;
(3)地震对浅埋部位竖井破坏较严重,对埋深大于60m的竖井段破坏较小;
(4)地震作用的计算主要考虑衬砌自重惯性力和山岩压力增减值;
(5)对于竖井出口地面建筑的抗震计算参见SDJ10-78。
(8)地震力A8
4.5.2荷载组合
(1)基本组合:
A1+A3+A4+A5+A7
(2)特殊组合:
完建A1+A2+A3+A4+A5+A6+A7
地震A1+A3+A4+A5+A7+A8
4.6圆形竖井井壁厚度计算
提示:
选择衬砌厚度是竖井衬砌计算重要内容,一般应根据地质情况、井筒直径、衬砌材料、施工方法进行初选,然后对井壁圆环进行内力计算和稳定验算,使井壁厚度满足要求,一般按下表中公式进行计算。
井壁厚度计算公式表
公式名称
计算公式
符号解释
麦拉公式*
P——计算截面处最大侧压力;
R——竖井内半径;
〔σa〕——允许应力;
;
Ra——混凝土轴心受压设计强度;
K——安全系数;
H——井筒深度;
D——竖井内径;
d——衬砌厚度。
普氏经验公式
普氏半经验公式
*参见《建井工程手册》第三卷。
4.7混凝土衬砌内力计算
4.7.1计算公式
竖井在外压力作用时,可采用麦拉公式计算:
(1)
式中:
σθ——竖井衬砌环向应力;
qb——竖井衬砌所承受的外压力;
a——竖井内半径;
b——竖井外半径;
r——计算点处半径。
由
(1)式即可求出衬砌内缘应力σ0及外缘应力σb:
(2)
(3)
衬砌厚度可按下式计算:
(4)
式中:
d——竖井衬砌厚度;
〔σa〕——混凝土允许压应力;
Ra——混凝土轴心受压设计强度;
K——安全系数。
其余符号意义同上。
提示:
(1)根据式(4)计算竖井衬砌厚度;
(2)根据公式
(2)、公式(3)计算衬砌内外缘应力σ0及σb;
(3)若σ0≤〔σa〕,则衬砌厚度d合适,否则需重新假定厚度d,直到计算满足要求止。
4.7.2计算步骤
4.8钢筋混凝土衬砌内力计算
提示:
(1)可使用水规总院、天津院等主编的《PC-1500程序集》中G-12隧洞衬砌内力及配筋通用程序进行计算;
(2)推荐使用中南院编《钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统(SDCAD)》计算钢筋混凝土衬砌内力。
4.8.1利用计算机软件计算钢筋混凝土衬砌内力
4.8.2井壁及底板衬砌内力计算
提示:
(1)参考潘家铮主编《水工隧洞与调压室》(调压室部分)一书中介绍的方法;
(2)可参考潘家铮主编《调压井衬砌》一书中介绍的计算方法。
(1)计算方法。
提示:
(1)根据工程类比及经验假定衬砌厚度;
(2)分别求出井壁底部、底板端部的定端力矩、剪力、抗挠劲度;
(3)对井壁及底板进行力矩分配;
(4)计算沿井壁的力矩、剪力、环向力之分布;
(5)计算底板力矩、变位、反力分布。
(2)计算步骤。
提示:
(1)利用平面有限元程序分析竖井周边围岩稳定及钢筋混凝土衬砌应力及应变;
(2)根据应力图配置钢筋。
4.8.3应用平面有限元程序计算钢筋混凝土衬砌应力及应变
4.9配筋计算
提示:
(1)按SDJ20-78的要求进行配筋计算;
(2)沿井筒取单位高度,按环向力配置环向受力钢筋;
(3)沿环向取单位宽度,按纵向弯矩配置纵向钢筋,纵向钢筋应有一定数量直达井顶;
(4)在底板中根据切向及径向弯矩配筋,组成钢筋网;
(5)根据规范要求进行抗裂及限裂计算。
4.10竖井井颈设计
提示:
(1)井口围岩多系表层强风化带或为松软土层,侧压力较大,衬砌应加强。
(2)一般在竖井井口设置平台,下端设置壁座,可防止井圈滑脱。
4.10.1竖井井圈锁口
4.10.2井颈型式及尺寸
提示:
井颈型式及尺寸可参考《冶金矿山设计参考资料》下册。
4.10.3井颈承压能力验算
提示:
井颈承压能力验算可参考《冶金矿山设计参考资料》下册。
4.10.4井颈基底承压力计算
4.10.4.1基底承压力计算公式
竖井井颈基底最外边缘的最大和最小承压强度为:
(5)
式中:
ΣP0——通过基底形心的总竖向力;
F0——基底壁座的横截面积;
W0——基底截面模量;
Mh——外荷载及井颈侧向岩土的弹性抗力对基底形心的力矩。
(6)
式中:
a——井颈变形系数,其值为:
Kh——基底弹性固着系数,其值为:
C0——基底岩土竖向基床系数;
Ch——基底岩土侧向基床系数;
h——井颈高度;
I0——基底截面惯性矩;
I——井颈截面惯性矩;
E——井颈所用材料的弹性模量;
bp——井颈截面计算宽度,其值为:
bp=0.9(1+R)
R——井颈截面外径;
H——作用于井颈顶部(地面处)水平外荷载,其值为:
H=ΣH0;
M——作用于井颈顶部的弯矩,其值为:
M=ΣHihi+ΣPiei;
Hi——作用于井颈顶面以上的水平外荷载;
hi——水平荷载距井颈顶面距离;
Pi——作用于井颈顶面以上的竖向荷载;
ei——竖向荷载Pi对竖直轴偏心距;
ah=Aφ/Aφ′——井颈换算深度;
Aφ、A′φ、Bφ、Dφ——与井颈换算深度ah有关的特征数,见4.10.4.2的提示。
提示:
(1)计算井颈几何及物理参数F0、W0、bp、a及ah;
(2)计算外荷载ΣΗ0、ΣP0、ΣM0、H、M及λ;
(3)根据ah值(见附录B)查A′φ、A″φ、Bφ、Dφ;
(4)代入公式计算Mh或φ及σmax和σmin。
4.10.4.2计算步骤
提示:
我国竖井施工实践中,已基本上取消壁座,但遇下列情况时仍应考虑设壁座:
(1)井口段;
(2)表土段下部;
(3)地质条件较差的井身段;
(4)竖井与隧洞连接处上部。
4.11壁座设计
4.11.1设计原则
(1)两壁座之间的衬砌自重假定全由壁座支承;
(2)壁座底面应力不超过地基容许压应力与抗剪强度;
(3)壁座间距根据地质条件、施工方法、衬砌结构确定,一般每隔10m~20m沿井壁四周浇筑混凝土壁座;
(4)壁座材料采用混凝土;
(5)按壁座岩层容许压应力和井壁材料的容许应力设计壁座。
提示:
岩石容许抗压强度可参考下表。
岩石容许抗压强度单位:
MPa
岩石种类
容许抗压强度
坚硬致密岩石
1.0~1.5
中硬砂岩及石灰岩
0.5~1.0
砂质页岩
0.3~0.5
致密粘土
0.15~0.3
提示:
竖井壁座设计根据岩层情况常采用下列三种类型。
(1)单锥形:
适用于较坚硬岩层中,位置宜选在岩层强度较高,涌水较小的岩层中;
(2)双锥形:
适用于段高较大,或抗压强度较低岩层中,位置选择同单锥形;
(3)长腿式:
适用于松软、不稳定岩层中。
4.11.2壁座类型及适用范围
4.11.3计算公式,见附录C
4.12竖井与隧洞的联接
提示:
根据竖井平面位置,一般有两种联接形式,见附录D。
(1)侧面联接:
竖井在隧洞一侧,井底与洞底齐平,中间用通道相连;
(2)拱顶联接:
竖井设在顶拱上,竖井中心线与隧洞中心线重合。
4.12.1竖井与隧洞连接形式
提示:
(1)在井筒与车场相接处,围岩压力有所增加,应力比较集中,通常采用衬砌加厚或增设钢筋进行加固。
(2)结构尺寸确定可参考矿山、铁路等有关设计资料。
4.12.2竖井与井底车场联接(马头门)
5喷锚支护设计
5.1工程类比法设计的基本原则与方法
5.1.1设计方法
提示:
(1)直接设计法:
考虑围岩力学特性、工程条件、竖井尺寸、施工方法等因素,将要设计的竖井与已建成并投入运行的工程进行类比,决定支护类型和支护参数。
(2)间接工程类比法:
根据现行锚喷支护设计规范,按围岩分类及锚喷支护设计参数表决定支护形式和参数。
5.1.2设计基本原则
(1)锚喷支护参数表制定是以已建工程经验和实践为依据,并经综合比较分析确定;
(2)应用工程类比法时,要弄清围岩稳定破坏类型;
(3)最终支护参数确定,要借助于监控设计指导,必要时要进行修正。
5.2锚喷支护型式
提示:
(1)喷混凝土支护;
(2)锚杆支护;
(3)喷混凝土+锚杆支护;
(4)喷混凝土+锚杆+钢筋网支护。
根据工程级别和围岩类别(Ⅰ类围岩)等选定。
当井径小于5.0m,围岩稳定,无碎块脱落时允许“无支护”类型。
5.3工程类比法确定喷锚支护设计参数
提示:
(1)井壁采用锚喷作初期支护时,下表
(1)中支护参数可适当减小,可参考下表
(2);
(2)Ⅲ类围岩中井筒深度超过500m时,下表
(1)中支护参数应予以增大;
(3)设置混凝土圈梁时,间距宜为8m~12m,加固围岩的锚杆应与圈梁连成一体。
表
(1)竖井锚喷支护类型和设计参数
围岩类别
竖井毛径D,m
D<5
5≤D<7
Ⅰ
100mm厚喷射混凝土,必要时,局部设置长1.5m~2.0m的锚杆。
100mm厚喷射混凝土,设置长2.0m~2.5m的锚杆,或150mm厚喷射混凝土。
Ⅱ
100mm~150mm厚喷射混凝土,设置长1.5m~2.0m的锚杆。
100mm~150mm厚钢筋网喷射混凝土,设置长2.0m~2.5m的锚杆,必要时,加设混凝土圈梁。
Ⅲ
150mm~200mm厚钢筋网喷射混凝土,设置长1.5m~2.0m的锚杆,必要时,加设混凝土圈梁。
150mm~200mm厚钢筋网喷射混凝土,设置长2.0m~3.0m的锚杆,必要时,加设混凝土圈梁。
5.3.1间接工程类比法
表
(2)竖井锚喷支护类型及设计参数
围岩类别
支护参数
井筒毛径D<5m
5m≤D<8m
8m≤D<12m
Ⅰ
50mm~80mm厚喷射混凝土与长1.5m~2m的锚杆,或100mm厚喷射混凝土。
80mm~100mm厚喷射混凝土与长2m~2.5m的锚杆,或150m厚喷射混凝土。
100mm~150mm厚喷射混凝土与长2.5m~3m的锚杆,必要时设置钢筋网。
Ⅱ
80mm~100mm厚喷射混凝土与长1.5m~2m的锚杆。
100mm~120mm厚喷射混凝土与长2m~2.5m的锚杆,必要时加设混凝土圈梁。
120mm~150mm厚钢筋网喷射混凝土与长2.5m~3.5m的锚杆,必要时加设混凝土圈梁。
Ⅲ
100mm~150mm厚钢筋网喷射混凝土与长1.5m~2m的锚杆,必要时加设混凝土圈梁。
150mm厚钢筋网喷射混凝土与长2m~3m的锚杆,必要时加设混凝土圈梁。
150mm~200mm厚钢筋网喷射混凝土与长3m~4m的锚杆,必要时加设混凝土圈梁。
5.3.2直接工程类比法
提示:
根据有关工程实例进行类比,决定设计参数。
提示:
喷锚支护设计参考:
(1)《水利水电工程地下建筑物设计手册》第七章第五节;
(2)顾鹏飞等编《水电站厂房设计》第十二章第二节及第四节;
(3)有关规范;
(4)《建井工程手册》第三卷第十一篇第五章第三节及第四节。
5.4喷锚支护理论设计
5.4.1喷混凝土设计
提示:
喷射混凝土支护设计可参考下列资料:
(1)《建井工程手册》第三卷第十一篇第五章表11-5-13及表11-5-14;
(2)《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86-85)第三章第四节及第五节。
5.4.2锚杆设计
提示:
锚杆设计可参考下列资料:
(1)《建井工程手册》第三卷第十一篇第五章表11-5-12;
(2)《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86-85)第三章第三节。
锚杆设计要考虑系统锚杆与局部锚杆两种情况。
5.4.3喷、锚、网联合设计
设计时要分别计算喷混凝土、锚杆、钢筋网提供的支护抗力,然后验算锚喷支护加固围
岩的安全系数。
提示:
(1)利用平面有限元程序分析竖井周边围岩稳定、应力、应变和位移等情况;
(2)根据有限元分析成果,提出合理的锚喷支护参数。
5.5利用平面有限元程序确定支护参数
6竖井内部交通、排水防潮等设计
6.1竖井内部交通
6.1.1电梯
(1)根据竖井高度、电梯每站运行高度、运行间隔、运行速度等进行电梯选型;
(2)电梯运行速度不超过允许速度;
(3)根据厂家提供的电梯资料进行布置。
6.1
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