导流隧洞设计大纲范本.docx
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导流隧洞设计大纲范本
FCD71030FCD
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
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
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
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×108m3,电站总装机容量MW,保证出力MW,年发电量×108kW·h,灌溉面积×104km2,通航t级船队(舶)。
坝址处多年平均流量为m3/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。
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,总工期为年。
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设计规范
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及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;
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或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或水工混凝土结构设计规范;
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主要参考文献
(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年
(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年
(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,1980年
(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,1983年
(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年
(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坝址及坝线
本阶段选定的坝址为,坝线为。
3.2工程等级及建筑物级别
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。
提示:
若导流洞与永久泄水或引水建筑物全部或部分相结合时,相结合的部分,应按永久建筑物级别设计。
3.3设计洪水标准
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m3/s。
3.4水文
(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
时段
洪水重现期,a
100
50
20
10
5
全年
枯水期
月日~月日
月日~月日
月日~月日
月日~月日
(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
项目
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
历年最大流量
历年最小流量
多年平均流量
历史最大平均流量
各月最
大流量
经验频
率流量
100a
50a
20a
10a
5a
(3)典型年洪水过程线;
(4)导流隧洞进、出口位置水位流量关系曲线;
(5)坝址水位——库容曲线。
3.5泥沙
多年平均年输沙量万t/a;
多年平均含沙量kg/m3;
实测最大含沙量kg/m3;
悬移质平均粒经mm。
3.6气象
(1)坝址气温和水温
表3坝址气温与水温表单位:
℃
项目
月份
全年
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均气温
月平均最高气温
月平均最低气温
绝对最高气温
绝对最低气温
月平均水温
(2)降雨量、蒸发量及湿度
表4坝址降雨量、蒸发量及湿度表
项目
月份
全年
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均降雨量,mm
平均蒸发量,mm
平均相对湿度,%
年最大降雨量mm,最大降雨强度mm/d,平均降雨天数d。
(3)风速
表5坝址风速表单位:
m/s
项目
月份
全年
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均风速
平均最大风速
极大风速
风向为,吹程km。
(4)冰
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d。
3.7地形及地质资料
3.7.1地形及工程地质
(1)坝址区(包括导流隧洞)地形图(1:
1000~1:
2000);
(2)坝址区及导流隧洞沿程工程地质平面图(1:
1000~1:
2000);
(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的工程地质描述与围岩稳定性评价表)及地质横剖面图(1:
1000~1:
2000);
(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。
提示:
应力条件应考虑自重应力场及自重+构造应力场两种情况。
(5)导流隧洞沿程围岩物理力学特性
表6导流隧洞沿程围岩物理力学特性表
围岩类别
极限抗
压强度
MPa
容许
承压
Mpa
容重
kN/m3
弹性
模量
MPa
变形
模量
Mpa
泊
桑
比
坚固
系数
弹抗
系数
KPa/m
摩擦系数
岩/岩
断层(大裂隙)面
干
湿
抗剪
f
抗剪断
f
c
MPa
f′
c′
MPa
(6)导流隧洞进、出口洞脸和明渠边坡工程地质描述及稳定性评价与建议的开挖边坡值。
提示:
主要说明进出口洞脸及明渠边坡岩性,风化程度,覆盖层厚度,断层、裂隙发育程度及走向、倾向、倾角,岩体完整性,山崩、危崖及不稳定岩体、滑坡等情况,并对边坡进行稳定性评价,针对不同岩性及风化完整程度分别给出合适的开挖边坡值。
(7)喀斯特岩溶洞特性。
3.7.2水文地质
(1)导流隧洞沿程水文地质特性。
(2)地下水的分层、埋深及水源补给和水的化学性质。
(3)透水岩体或岩基的分布、厚度,承压水的可能分布高程及岩体的渗透系数。
(4)河床冲淤变迁资料。
3.7.3本工程地震基本烈度为度,设计烈度为度。
3.8水工建筑物设计资料
(1)枢纽总平面布置图。
(2)各主要建筑物和坝段剖面图及主要工程量。
(3)各主要泄水建筑物的泄量曲线及运用要求。
3.9建筑材料
(1)砂石骨料的产地、储量和物理力学性质及碱骨料反应试验成果。
(2)采用水泥的产地、品种及标号。
(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导流规划及其技术指标
提示:
包括各导流时段的档、泄水建筑物及导截流标准和流量。
3.11其它有关的资料
(1)导流工程施工进度安排与要求。
(2)国内外水工隧洞的施工水平资料。
(3)坝址上、下游供水要求。
(4)施工期通航资料。
提示:
施工期通航的船运量,通航季节,船舶及筏运吨位、尺寸、吃水深度,船及木筏编队型式数量及运行情况,行船允许流速、坡降等。
(5)施工期过渔、过木的要求。
(6)坝址区及导流隧洞沿程现有交通状况。
(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料。
(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设计原则
(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)导流隧洞及进、出口建筑物布置与断面体形设计。
(2)水力设计。
(3)结构及稳定设计。
(4)导流隧洞进、出口明渠及下游消能防冲工程设计。
(5)封堵闸门结构设计。
(6)导流隧洞施工设计。
(7)工程量计算。
4.3基本假定
(1)导流隧洞由进口明渠、进水塔、洞身段及出口明渠与消能段组成。
(2)导流隧洞设计包括隧洞施工期、运行期、封堵期三种情况。
(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导流隧洞布置的基本原则
(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)隧洞沿程地质条件及水力学条件良好,工程量较少。
(3)满足施工导截流要求、与主体工程结合的部分应满足永久运用要求。
(4)满足施工期通航、过木及冬季排冰的要求。
5.2导流隧洞布置
5.2.1洞线选择
提示:
洞线选择关系到围岩的整体稳定、工程造价、施工工期和运行安全等问题,是导流隧洞设计的关键,必须充分掌握基本资料,进行必要的水力计算,并根据地形、地质、水力学、施工、运行、沿线建筑物、枢纽总布置以及对周围环境的影响等因素综合考虑,通过可能方案的技术经济比较选定。
(1)在满足枢纽总布置要求的条件下,洞线应选在沿线地质构造简单,岩体完整稳定,岩石坚硬,上覆岩层厚度大,水文地质条件好,施工方便的地区。
洞线与岩层、构造断裂面及主要软弱带应具有较大的夹角,对整体块状结构岩体,其夹角一般不应小于30°,对于层状岩体,特别是层间结合疏松的高倾角薄岩层,其夹角一般不应小于45°。
(2)在高地应力区,洞线应与最大水平主应力方向一致或尽量减少其夹角。
(3)相邻两隧洞间岩体厚度一般不应小于二倍洞径(或洞宽),岩体较好时,并辅以合理的施工措施,可酌情放宽到不小于一倍洞径(或洞宽)。
(4)洞线在平面上应尽可能布置成直线,如果必须采用曲线时,弯曲半径不宜小于5倍的洞径(或洞宽),转角不应大于60°。
5.2.2导流隧洞进、出口布置
提示:
(1)进、出口布置应根据枢纽总布置,上、下游围堰位置,地形地质条件,使水流顺畅,进流均匀,出流平稳,与下游水流良好衔接,并有利于防淤、防沙、防冰、防木、防冲及防污等。
满足过水流量及设置闸门的要求;进、出口应选在地质构造简单,风化覆盖层较浅的地区,尽量避开不良地质构造、山崩、危崖、滑坡等地区,并应尽可能避免高边坡的开挖,当无法避免时,应仔细分析开挖后边坡的稳定性,并注意分析研究加固处理措施。
(2)隧洞进、出口高程应根据水流流态,截流要求,减小导截流工程量及过木、通航、排冰对进出口水流衔接的要求等方面综合考虑选择确定;进口高程一般应在枯水位或以下,出口高程不应使隧洞产生淹没出流或产生大的跌落。
5.2.3施工支洞布置
提示:
对于较长导流隧洞,应考虑设置施工支洞,支洞的数目及长度应根据沿线地形、地质条件、施工方法、对外交通情况、并有利于均衡各段隧洞的工程量及工期的要求等分析决定。
施工支洞的位置亦是主洞洞线布置的主要考虑因素之一。
5.3导流隧洞断面体形及尺寸设计
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
提示:
(1)导流隧洞纵断面一般为坡度较小的直斜式断面,若洞身段必须设置竖曲线或陡坡时,应结合水力条件及施工方法一起考虑;对于无压隧洞,竖曲线半径一般不应小于5倍的洞径(或洞宽),有压隧洞可适当降低要求,陡坡的坡度30°~60°为宜。
(2)隧洞纵坡应与地形地貌、进出口高程,水流流态,施工要求综合考虑,一般为3‰~15‰;对于有压导流隧洞可采用较小底坡,对无压导流隧洞应采用较大底坡,以产生急流水流流态为好。
5.3.3隧洞横断面体形设计
提示:
(1)常见的隧洞断面体形有圆型、马蹄型、城门型和矩型。
对有压隧洞多采用圆型断面,若洞径和内外水压力不大,也可采用便于施工的其它断面型式;无压隧洞多采用圆拱直墙式断面,顶拱圆心角一般在90°~180°,断面宽高比一般为1.0~1.5,尚应与地应力条件相适应,若水平地应力大于垂直地应力时,可采用“矮胖型”断面,若垂直地应力大于水平地应力时,可采用“瘦高型”断面;对地质条件较差,侧压力较大的围岩,应采用马蹄形断面;矩型断面是为了适应孔口闸门的要求而采用,多出现在隧洞进、出口段。
(2)对于较长隧洞,可采用多种断面型式或衬砌型式,不同断面之间应设置渐变段,为保证洞内水流平顺,渐变段的边界曲线应采用平缓曲线过渡,并应便于施工;渐变段长度应适中,太短水头损失大,太长施工麻烦,一般取1.5~2.0倍洞径;有压隧洞渐变段的圆锥角以采用6°~10°为宜,高流速无压隧洞渐变段的体形应通过试验确定。
本工程宜采用断面。
5.3.4隧洞横断面尺寸设计
提示:
(1)导流隧洞的横断面尺寸,应根据导流流量,结合进口高程,围堰高程,施工要求,截流要求,漂木、排冰、航运要求,结构条件,下闸封堵条件,与永久建筑物结合布置时应考虑永久要求等因素,通过技术经济比较决定。
(2)对低流速的无压隧洞,若通气条件良好,在恒定流条件下,洞内水面线以上空间不宜小于隧洞断面面积的15%,其高度不应小于40cm,对较长的隧洞和不衬砌或喷锚衬砌的隧洞,上述数值应适当增加;高流速无压隧洞的横断面尺寸应经过试验确定,顶拱夹角应选较小角度,并应考虑掺气的影响,在掺气水面线以上的空间,一般为横断面面积的15%~25%,当采用圆拱直墙式断面时,水面线不应超出直墙范围,当水流有冲击波时,应尽量将冲击波波峰限制在直墙范围内。
经过论证有通航或过木要求的隧洞,过水断面尺寸和水面线以上空间,弯曲半径和转角,应按有关规范规定决定。
5.3.5隧洞进、出口体形及尺寸设计
提示:
(1)隧洞进口按进流方式分为开敞式和深水式两种。
深水式进口按其后接洞内流态可分为深式长管进口(后接有压隧洞)和深式短管进口(后接无压隧洞)两类。
开敞式进口的布置必须圆滑平顺,避免在进口前产生漩涡和回流;常用的结构型式为平面上呈弧型、迎水面直立的弧形直立墙式和自上游起由斜卧渐变为直立的扭曲墙式,直立墙的弧线曲率半径不宜过小,扭曲墙式的顺水向长度不应小于闸前最大水深的两倍。
对于深水长管进口,应采用顶部和两侧三向收缩具有椭圆曲线的型式;孔口宽高比一般为1.5左右,侧墙椭圆曲线的短半轴应大于五分之一的孔口宽度。
对于深式短管进口,闸门前一般要始终保持收缩体形,段内压力分布应尽量达到沿程平滑递减,不允许出现负压,且应满足过水能力要求。
(2)隧洞进口建筑物常用的结构型式有岸塔式、竖井式、塔式、斜坡式及闸孔式几种,根据地形地质条件,经技术经济比较选择采用。
闸门井尺寸应满足闸门吊装要求;启闭机室底板高程应根据导流隧洞下闸蓄水时下闸及启闭机撤退时间要求确定,并应留有一定的安全余度;对于峡谷河床,当满足启闭机械撤退要求的启闭机安装高程很高,导致进口建筑物工程量较大时,根据技术经济比较,可不考虑启闭机械撤退,仅考虑下闸时间确定其安装高程。
(3)对于有压隧洞出口洞段应采用收缩体形,收缩率应为80%~90%;出口消能建筑物常见的有平面扩散、消力坎、消力池、综合消力池、辅助综合消能工、面流消能及消力戽消能等型式,一般最常采用的为消力池(坎)、综合消力池、辅助综合消能工等型式,设计时根据工程实际情况选择采用,必要时通过水力学试验验证其布置及结构体形设计。
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设计内容及基本假定
6.1.1设计内容
(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及有压隧洞压坡线计算。
(3)设计流量下,无压隧洞掺气水深及弯道水流计算。
(4)通航、过木、排冰水力计算。
(5)消能防冲水力设计。
(6)下闸封堵的水力计算。
6.1.2基本假定
(1)计算泄流能力应采用分级流量计算其泄量关系。
(2)局部水头损失系数及糙率按本范本附表A1、附表A2取值。
(3)其它计算参数按有关规程、规范及手册确定。
6.2水力计算
6.2.1泄流能力计算
(1)有压隧洞泄流能力计算。
(2)无压隧洞泄流能力计算。
提示:
计算方法及公式均参见本范本附录A。
6.2.2无压隧洞水面线及有压隧洞压坡线计算
(1)水面线计算
提示:
对于无压隧洞水面线计算,需先判断水面线类型,然后采用分段求和法计算,计算公式为:
式中:
Esu——为流段上游断面比能,m;
Esd——为流段下游断面比能,m;
I——为隧洞底坡;
J——流段平均水力坡度,
Ku,Kd——分别表示流段上、下游断面的特征流量,根据均匀流公式计算;
△S——为流段长度。
(2)压坡线计算
提示:
先逐项求出局部水头损失,并逐段算出沿程水头损失,
然后以出口断面底板高程为基准面,从进口断面水流具有的总水头T。
开始,由上游至下游逐项逐段将各损失水头累减,得出各断面的总水头,以各断面的总水头减去相应断面的流速水头,便得各断面的测压管水头(Z+P/r),用直线连接各断面的测压管水头线便得到压坡线。
6.2.3无压隧洞弯道水流及掺气水深计算:
(1)弯道水流计算
提示:
弯道水面超高值可按下式计算:
△h=KV2B/gγ中
式中:
K——为超高系数,与谢才系数C有关,取值见附表A8;
V——为断面平均流速,m/s;
B——为水面宽,m;
γ中——为弯道中心半径,m;
△h——为弯道横断面上凹岸与凸岸水位之差,m;
△g——为重力加速度。
(2)掺气水深计算
提示:
掺气水深可按下式计算:
式中:
ha——为掺气后的水深,m;
h、V、R——分别为未掺气水流的水深(m)、流速(m/s)、水力半径,m;
△——为表面的绝对粗糙度,对n=0.014的混凝土,△=0.002m。
上式适用范围:
h>1.2m;0.6m 6.2.4消能防冲水力设计 提示: 根据参考文献《水力学计算手册》,对选定的消能型式进行水力设计计算,计算公式略。 6.2.5通航、过木、排冰水力计算 提示: 按有关规程规范进行计算。 6.2.6下闸封堵的水力计算 提示: 结合下闸流量选择,进行下闸后上游库水位计算。 7隧洞结构设计 7.1隧洞结构设计的主要内容 (1)进、出口明渠结构设计; (2)隧洞进水塔稳定及结构设计; (3)隧洞衬砌结构设计; (4)隧洞封堵结构设计。 7.2基本假定 7.2.1设计工况 (1)导流隧洞施工期; (2)导流隧洞运行期; (3)导流隧洞下闸封堵期。 7.2.2结构设计计算假定 提示: 对有关结构设计内容,根据结构型式及所采用的计算方法、计算模式,提出相应的计算假定。 7.2.3结构设计安全系数 提示: 结构设计安全系数主要包括: (1)稳定安全系数; (2)构件安全系数; (3)边坡稳定安全系数; (4)允许应力值等。 安全系数按有关规范规定取值。 7.3进、出口明渠结构设计 7.3.1设计内容 (1)导墙(或边墙)的稳定及基础应力计算; (2)底板及边衬结构计算。 7.3.2基本荷载及其组合 表7荷载及其组合表 设计
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