圆形隧洞设计

隧洞设计实例一、隧洞的基本任务和基本数据1、隧洞的基本任务泄水隧洞的进口全部淹没在水下，进口高程接近河床高程，其担负的任务如下：(1) 预泄库水，增大水库的调蓄能力。(2) 放空水库以便检修。(3)排放泥沙，减小水库淤积。(4) 施工导流。(5) 配合溢洪道渲泄洪水。2、设计基本数据(1) 洞壁糙率 泄洪洞采用钢筋砼衬砌，n=0.0140.017，考虑到本隧洞施工质量较好，故取较小值 n=0.014。(2) 水利计算成果见表 1。表 1水 位(m) 泄量(m 3/s)死水位 348正常水位 360.52设计洪水位 363.62 90校核洪水位 364.81 110淤沙高程二、隧洞的工程布置1、洞型选择由于段村坝址为石英砂岩，地质条件较好，所以采用圆形有压隧洞，圆形断面的水流条件和受力条件比较好，并且可以充分利用围岩的弹性抗力，从而减小衬砌的工程量，降低施工的难度和造价。同时有压隧洞水流较平顺、稳定，不易产生不利流态。2、洞线位置洞轴线布置在右岸，这样出口水流对段村无影响，进口山势较陡，进流条件好，洞线为直线，较短，工程量小又利于泄洪。3、工程布置泄洪隧洞由进口段、洞身段、出口段三部分组成。(1) 进口型式 由于进口部位山体岩石条件较好，故采用竖井式进口，在岩体中开挖竖井，将闸门放在竖井底部，在井的顶部布置启闭机及操作室、检修平台，竖井式进口结构简单，不受风浪影响，地震影响也较小，比较安全。(2) 进口段 包括进口喇叭口段、闸室段、通气孔、渐变段等。1) 进口喇叭口段 为了与孔口的水流型态相适应，使水流平顺，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时尽量减少局部水头损失，提高泄流能力，在隧洞进口首部，其形状应与孔口锐缘出流流线相吻合，一般顺水流方向做成三向收缩的矩形断面喇叭口形，其收缩曲线为 1/4 椭图曲线，顶面椭圆方程为：，用下列坐标绘制顶面曲线，见表 1。1)5.30(.22yx表 1x(m) 0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5y(m) 1.05 1.01 0.95 0.86 0.73 0.54 0侧面曲线方程为： ，用下列坐标绘制侧面曲线，见表 2。1)5.32(.22yx表 2x(m) 0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5y(m) 0.70 0.67 0.63 0.57 0.49 0.36 02) 进口闸室段 闸孔尺寸为 3.53.5m，闸室段长度参照工程经验取 6.0m，在闸门上端设置操作室，后设工作桥与坝面相连，桥面高程为 365.81m，与坝顶路面高程一致，在操作室与闸室之间设置检修平台，平台高程在正常高水位 360.52m 以上，取 361.50m。闸门用 5.04.0m 的平面钢闸门，闸门槽宽度为 1.0m，深度为 75cm，由于高速水流通过平面闸门闸孔时，水流在门槽边界突变，容易发生空化水流，致使门槽及附近的边墙或底板发生空蚀。为此，将门槽的下游壁削去尖角，用半径为 R=10cm 的圆弧代替，并做成 1:12 的斜坡，错距采用 8cm。3) 通气孔 在闸室右部设置通气孔，其作用是在关闭检修门，打开工作门放水时，向孔中充气，使洞中水流顺利排出；检修完毕后，关闭工作门，向检修闸门和工作闸门之间充水时，排出洞中空气，使洞中充满水。通气孔的断面积一般取泄水孔断面积的0.5%1%，此泄水孔的断面积为 9.62m2 ，所以通气孔取 0.250.25m，通气孔)45.31(2的进口必须与闸门启闭机室相分离，以免在充、排气时影响工作人员的安全。4)渐变段 为使水流平顺过渡，防止产生负压和空蚀，设置渐变段，由于渐变段施工复杂，故不宜太长，但是为使水流过渡平顺，又不能太短，一般用洞身直径的 23 倍，取渐变段长度为 8.0m。根据本隧洞的任务，其进口高程应设置得低一些，河床的平均高程为 340m，这样既便于施工期导流，降低围墙高程，又可在运用期泄水，力争一洞多用，以求隧洞施工方便，运用安全，造价低廉。(3) 洞身段 考虑到所选洞线的地形、地质情况，并运用情况，洞线长为 230m，洞身段长 198.5m，为了便于施工时出碴和检修时排除积水，坡降 i=1/500，顺坡。初拟洞径：按管流公式计算，公式为 ；02gHwQ式中 流量系数，=0.740.77 ，这里取 0.74；w出口断面面积(m 2)；H0作用于隧洞的有效水头； H0=库水位一出口顶部高程。分别列表(3)计算设计及校核洪水位时所需的洞径：表 3H0(m) w(m2) Q(m3/s) D(m)设计洪水 19.1 0.74 6.15 90 2.8校核洪水 20.27 0.74 7.68 110 3.1比较以上数据，考虑一定的安全储备，洞径选 3.5m。(4) 出口段 包括出口渐变段、闸室段。1) 出口渐变段 有压隧洞的出口都布置有工作闸门，故出口断面也要做成矩形。因此在出口段也须做一渐变段。出口断面积根据工程经验一般为洞身面积的 70%85%，由于在出口水流由压力流突然变为无压流，引起出口附近压力降低，容易在洞顶产生负压，所以出口末端洞顶应设置压坡段，出口断面取为 32.5m，渐变段长度根据工程经验定为8.0m。2) 出口闸室段 在出口渐变段后设置工作闸门室。本隧洞工作门采用平面钢闸门，尺寸为 3.54.0m，闸室长度参照已建工程经验，定为 6.0m，在闸室上部设置操作室。采用矩形收缩形门槽。(5) 消能工及尾水渠布置 在出口之后设置消能工，使下泄水流消能后再泄入下游河道，从而减小下泄水流对河床的冲刷，由于隧洞出口处地质条件较好，下游河道水位也较低，故采用挑流式消能，消能工后设尾水渠，渠底宽为 15.0m，采用 1/100 的顺坡，断面形式也为梯形，开挖边坡为 1:1.5。三、水力计算1、过流能力校核因下游水位 335.8m，低于隧洞出口高程 341.54m，故隧洞为自由出流。(1) 校核洪水位时过流能力校核在校核洪水位时，洞前水深 H=363.62-342=21.6m 1.5D=5.25 m，洞中水流按有压流计算。有压隧洞自由出流公式为： 02QgHC式中： 隧洞出面面积 ， =32.5=7.5m2；H0作用在隧洞上的有效水头，因隧洞上游为水库，故行近流速 V00，则H0=363.62-341.54-3=19.08m。 c流量系数，按下式计算，223/4)()(8.11iiiRL式中：系数 0.00384 按下列方法求得：2gn 2=29.80.0142=0.00384。首先确定各局部水头损失系数 i。1) 拦污栅 ；358.0sin364.0sin91 2) 进口喇叭口段 2=0.1；3) 进口闸门槽 对于平板闸门， 3=0.1；4) 进口渐变段 由矩形变为圆形，参考同类工程 4=0.09；5) 出口渐变段 由圆形变为矩形，参考同类工程 5=0.02；6) 出口闸门槽 同 3， 6=0.1。列表计算见表 1。表 1位 置 断面 iXi 3/4iRLi 2)(0384.iR i 2)(ii拦污栅 4.914.9 24.06 0.358 0.035喇叭口 3.53.5 12.25 0.1 0.029进口闸室 3.53.5 12.25 14 0.837 6.0 0.028 0.1 0.038进口渐变段 D=3.5 9.62 0.09 0.033洞身段 D=3.5 9.62 10.95 0.842 198.5 0.905出口渐变段 32.5 7.5 0.02 0.002出口闸室段 32.5 7.5 11 0.600 6.0 0.0384 0.1 0.1 0.599 0.237流量系数 74.023.59.01c则在设计洪水位时，隧洞泄量为：/s90m/3.1078.9615.7402Q30 gHC隧洞泄量满足要求(2) 在校核洪水位时过流能力校核流量系数 c、过水断面面积 保持不变，H 0=364.81-341.54-3=20.27m 110m3/ssgC /6.127.6195.7402Q3隧洞泄量满足要求综上所述，所拟洞径及各部分尺寸可以满足泄流要求。2、绘制库水位泄量关系曲线(图 1)(1) 有压流状况保证隧洞为有压流的最小洞前水深为 1.5D=1.53.5=5.25m。则保证隧洞为有压流的最低库水位为：1.5D+进口洞底高程=5.25+342=347.25m。有压隧洞的泄量按下式计算（H 0 H） ， 54.357.246.195.7402Q 库 水 位gC在库水位 347.25m 以上设一系列库水位，计算相应的洪量 Q，计算成果列于下表(2)。表 2水位(m) 347.5 350 352.0 354.0 356.0 258.0 360.0 362.0 364.0水头(m) 2.96 5.46 7.46 9.46 11.46 13.46 15.46 17.46 19.46泄量(m 3/s) 42.27 57.4 67.1 75.6 83.2 90.1 96.6 102.7 108.39图 1 库水位泄量关系曲线 (2) 无压流状态当洞前水深小于 1.1D（3.85） m 时，洞中水流为无压流，泄量的计算按宽顶堰情况处理，计算公式为： ；2/30QHgB式中： 侧收缩系数，按公式 ； 62.0.10 计 算 ， 这 里 取 经 验 系 数BHKm流量系数，其数值在 0.320.385 之间，对八字形进口 m=0.35，此处也近似取 m=0.35；B堰宽(m)， B=3.5；H0洞前水头(m)，H 0 H；泄量 2/302/36.6.19532.Q计算对应的泄量列于下表 3。表 3水位(m) 342 343 344 345.85泄量 (m3/s) 0 3.36 9.5 25.43、水库放空时间计算为了达到人防和检修水库的目的，必须在一定的时间内将库水位由正常水位降至死水位。一般要求中小型水库的放空时间小于 1015 天。根据库水位 泄量关系曲线以及已知资料中的库水位 库容关系曲线查出泄量进行计算。计算结果见下表 4。表 4库水位(m) 库容(万 m3)区间库容(万 m3) 泄量(m 3/s)平均泄量(m3/s) 时间360.52 1413.07 97.5520.01 92.3 56339357.0 893.06 87.1323.63 81.35 39782254.0 569.43 75.6231.47 69.1 33498351.0 537.96 62.6348.0 170.93 167.03 48.7 55.65 30014 159633水库放空时间为：t=159633/86400=1.85 天故水库的放空时间满足要求。4、绘制总水头线和测压管水头线绘制测压管水头线的目的在于保证隧洞在运用过程中洞内始终有一定正压力，避免产生空蚀，并为衬砌设计提供依据。按隧洞通过设计流量 107.3m3/s 来计算各段的流速水头和水头损失，其中沿程水头损失 ；局部水头损失 。gvRLihifi 20384./ gvhiji2计算成果列于下表 5。表 5位 置 i(m2) vi(m/s) (m)i/2iiRL0384.Hfi(m) i hji(m)拦污栅 24.06 4.5 0.1 0.358 0.036喇叭口 12.25 8.8 4.0 0.1 0.40进口闸室 12.25 8.8 4.0 0.028 0.11 0.1 0.40渐变段 9.62 11.2 6.4 0.09 0.58洞身段 9.62 11.2 6.4 0.905 5.79出口渐变段 7.5 14.3 10.4 0.02 0.21出口闸室段 7.5 14.3 10.4 0.0384 0.4 0.1 1.0 6.3 2.63计算成果核算：)(3.196.24.102 mhgVHfiji 计算的 H 与隧洞通过设计流量时的水头较接近，计算结果基本正确。按上表绘出隧洞总水头线及测压管水头线（略） 。5、消能计算(1) 消能工的布置前已述基本隧洞的消能工采用挑流式消能，其布置情况如下：在隧洞出口设宽为 2.5m的出流平台,平台长 6.0m，高程 341.54m。接着为斜坡扩散段，坡度为 1/40，扩散角为 7，长度为 36.0m，扩散段末端为挑流鼻坎，其挑角 =25 ，坎高 P=0.8m，则挑坎圆弧半径，圆弧段水平投影长度 a 为：a=Rsin =8.54sin25mPR54.82cos1.0s=3.6m。从平台末端到鼻坎末端共长 40m，鼻坎宽 B 为：B=2.5+2tg7=12.3m。圆弧底部高程为：341.54-36 1/40=340.64m。挑坎顶部高程为：340.64+0.8=341.44m 。(2) 计算坎上水深 h0 及流速 v0：由洞口到挑坎分两段推算水面曲线：1)平台段以平台为基准线，列能量方程如下： 1221hwgvh在校核洪水位时，h 1=3.0m， v1=14.75m/s，用试算法求 h2 及 v2设 h2=3.04m,查中小型水库设计 ，表 14.6 得 （n=0.014）9.6CsmhbQv /51402.35/6.1/.89421w将已知各值代入平衡方程，则左、右两端基本相等，故认为平台末端水深为 3.04m，流速为 14.55m/s 是正确的。2) 从平台末端到圆弧段末长度为 40.0m，以高程 340.64m 为基线，列能量方程，利用RXmhRCLv smbQw8/.75402352.7.)(1/ /5.40.352/6.02同样的方法，经试算得：坎上水深 h0=0.61m，流速 v0=14.74m/s(3) 下游尾水深的确定尾水渠在岩体中开挖，不作衬砌，糙率为 0.025。尾水深 t 的计算，可近似按明渠均匀流公式。公式为： 。RiCQ式中： 过水断面面积(m 2)C谢才系数， ；6/16/140RnCR水力半径， (m)；i 渠底坡降， i=1/100；用试算法：假设 t=1.42m smsQmXRhBtm/6.10/5.10.23.41.20/ 24.532).()( 33即此时的流量与校核流量大致相等，故认为下游尾水深 t=1.42m 正确。(4) 计算冲坑中心到挑坎的距离 L已知 v0=14.74m/s，h 0=0.61m，t =1.42m，s t=341.44-339.5-1.42=0.52m， =25，sin25=0.423， cos25=0.906，ghtVvL )cos2(incossin 020020 m87.20 8.9 )2906.14.50(6.14307.196.7413.4.1 222 (5) 估算冲坑深度 d用公式 t0=Kq1/2H01/4，求解 t0。式中：K经验系数 K=1.25；q坝上单宽流量， ；)./(9.831263msq；gv200H坝顶水位与下游水位高程差 (m)； H=341.44+0.61+（339.5+1.42）=1.13mm2.16.97413.20将以上数据代入上式则：t 0.78254/12/10冲坑深度 d=t0-t=7-1.42=5.58m结论分析： i=5.58/20.87=0.27,许可的最大临界后坡 ic= ，由于本隧洞的尾部岩石条件314较好，认为冲坑不会危及消能工的安全。四、隧洞的衬坝设计1、衬砌的类型选择由于本隧洞内水压力较大，故采用双筋砼衬砌。材料的物理力学指标如下：级钢筋： MPaGPaEgMaRgg150;21;240C20 砼： GPaERmKNnhh 26,.2,/5167. 3 ；岩石： Eckf ;/0;/533按级建筑物查规范，在正常情况下，安全系数为 1.8；检修情况下安全系数为 1.6。2、计算断面的选择在实际工程中，为了达到经济、安全的目的，在不同段，一般采用不同的衬砌形式，且用分缝相结合，故在不同段要分别取断面进行衬砌计算，本次设计只取洞身进口断面进行计算，其它断面的衬砌按已建工程拟定。3、拟定衬砌厚度采用式（4-10）,式中： ; h=2.2MPa；mi75.123 h砼允许拉应力(MPa)； P均匀内水压力(kPa)；H高出衬砌内壁顶点的内水压力水头 (m)；从绘制的水头线查得P= ；MPa1.0A弹性特征系数，按下式计算。 0)2(. KEh=0.927cm.1.97.05.1按构造要求，衬砌厚度一般不小于 30cm，所以只能按构造要求取衬砌厚度 h=30cm，则衬砌外半径 205cm，平均半径 r=190cm。4、计算各种荷载产生的内力(1) 山岩压力：岩石的坚固性系数 f=72，可不计水平山岩压力，只计算垂直山岩压力。1) 不考虑外水压力时：岩石重度 25KN/m3。岩石压力拱高 h 为： ；mfH29.075.重直山岩压力强度 q 为：q= h=250.29=7.25KN/m；由山岩压力产生的 M 和 N 采用公式（4-14）：M =28.2(0.921A+B+26.43C)，N=14.9(0.921D+E+26.43F)系数 A、 B、 C、 D、 E、 F 由表查得，M 、 N 计算结果如下表 1。表 1断面 A B C D E F M(10KN.m) N(10KN)0 01628 0.0872 -0.007 0.2122 -0.2122 0.021 0.147 5.7690 -0.125 -0.125 0.00825 0.000 1.00 0.00575 -0.0623 3.09180 0.0872 0.1628 -0.00837 -0.2122 0.7122 0.0224 0.0617 1.652) 考虑外水压力，岩石重度 =16KN/m3。垂直山岩压力强度 q= h=4.64KN/m计算公式与上同，其它量不变，则 M =18.07(0.921A+B+26.43C)，N =9.512(0.921A+B+26.43C)M、 N 计算结果如表 2。表 2断面 A B C D E F M(10KN.m) N(10KN)0 01628 0.0872 -0.007 0.2122 -0.2122 0.021 0.0942 3.677190 -0.125 -0.125 0.00825 0.000 1.00 0.00575 -0.0399 1.9726180 0.0872 0.1628 -0.00837 -0.2122 0.7122 0.0224 0.0395 1.0533(2) 衬砌自重产生的弯矩和轴向力采用式 4-15，得 M=22.2(A1+13.76B1)，N=11.69(C1+13.76D1)系数 A1、B 1、C 1、D 1 由表查得，M、N 计算结果如下表 3。表 3断面 A1 B1 C1 D1 M(10KN.m) N(10KN)0 0.3447 -0.02198 -0.1667 0.06592 0.0939 0.865190 -0.3928 0.02589 1.5708 0.01804 -0.0813 2.1255180 0.4405 -0.0260 1.7375 0.0701 0.1776 3.1574(3)内水压力产生的弯矩和轴向力1) 均匀内水压力：已知洞轴线的内水压力水头 H=12.8m，隧洞半径 i=1.75m 则均匀内水压力水头H1=12.8-1.75=11.05m，强度为 21/5.0mKNP由于均匀内水压力产生的弯矩很小，只考虑轴向力。砼的平均应力 为：N=-bh=-5191.00.3=-155.77KN( 拉)2) 不均匀内水压力产生的弯矩和轴向力采用公式（4-16） ，得 M= 58.19(A2+13.76B2)，N= 30.625(C2+13.76D2)，系数 A2、B 2、C 2、D 2 由表查出，M 、N 计算结果如下表 4。表 4222 /519.097.5.1/0()/( mKiei 断面 A2 B2 C2 D2 M(10KN.m) N(10KN)0 0.1724 -0.01097 -0.5834 0.0329 0.1248 -0.400390 -0.1964 0.01294 -0.2146 0.009 -0.1068 -02780180 0.2203 -0.01312 -0.6313 0.035 0.2314 -0.4585(4)外水压力产生的弯矩和轴向力1) 均匀外水压力：已知洞身计算断面的均匀外水压力水头 hw=16.34-2.05=14.29m，产生的轴向力由下式计算。 。KNbhNH9.222) 在不均匀外水压力作用下，当 时，不考虑弹性抗力的作用，则)(2qrereM=49.8A6，N =42.025C7+282.9。系数 A6、C 7、由表查出，M 、N 计算结果如下表 5。表 5断面 A6 M(10KN.m) C7 N(10KN)0 0.1366 1.0907 1.5 35.5990 -0.1488 -1.1881 1.7854 36.79180 0.1366 1.0907 1.5 35.595、荷载组合隧洞衬砌的设计，荷载组合既要考虑不利条件，又要考虑可能性，为保证安全，应按最不利荷载组合计算，对中小型水库隧洞直径较小时，按以下两种情况组合计算：1) 正常情况：山岩压力+衬砌自重+设计洪水时内水压力。2) 检修情况：山岩压力+衬砌自重+外水压力第一种情况组合见表 6,7表 6 弯矩表（10KN.m ）断面 山岩压力 自重 不均匀内水压力 M0 0.147 0.0939 0.1248 0.365790 -0.0623 -0.0813 -0.1068 -0.2504180 0.0617 0.1776 0.2314 0.4707表 7 轴向力表（10KN）断面 山岩压力 自重 均匀内水压力 不均匀内水压力 N0 5.76 0.8651 -15.57 -0.4003 -9.345290 3.09 2.1255 -15.57 -0.2780 -10.6325180 1.65 3.1574 -15.57 -0.4585 -11.2211第二种情况组合见表 8,9表 8 弯矩表（10KN.m ）断面 山岩压力 自重 不均匀内水压力 M0 0.0942 0.0939 1.0907 1.278890 -0.0399 -0.0813 -1.1881 -1.3093180 0.0395 0.1776 1.0907 1.3078表 9 轴向力表（10KN）断面 山岩压力 自重 均匀内水压力 不均匀内水压力 N0 3.6771 0.8651 35.59 29.29 69.4290 1.9726 2.1255 36.79 29.29 70.18180 1.0533 3.1574 35.59 29.29 69.096、配筋计算在两种组合中各选一种做配筋计算，取保护层 a=a=7cm。第一种情况：N=-112.211KN( 拉) M=4.707(KN.m)纵向破坏力至断面形心轴的距离为： cmahMe8204.0 属于小偏心受拉;96.720eahahe04.820受