某大学引水建筑物毕业设计毕业论文.doc

西华大学毕业设计说明书某大学引水建筑物毕业设计毕业论文目 录摘 要11前 言32工程基本资料42.1水文资料42.2工程地质资料63进水口设计103.1进水口的布置103.1.1进口段113.1.2闸门段113.1.3渐变段123.1.4通气孔和进入孔123.2 水头损失计算124 有压隧洞154.1平面布置154.1.1引水线路的选择154.1.2供水方式的选择174.2隧洞水力计算174.2.1隧洞直径计算174.2.2水头损失计算184.2.3有压流的泄流能力204.3隧洞支护与衬砌计算204.3.1设计原则204.3.2荷载及荷载组合204.3.3计算过程224.3.4结论335调压井345.1调压井的作用345.2调压井的布置方式和类型355.3调压室的水力计算及基本尺寸的确定35II5.3.1 调压室的稳定断面面积355.3.2水头损失365.4调压室水位波动计算386.压力管道设计436.1压力管道的形式及平面布置436.1.1压力钢管水头损失计算436.2结构设计456.2.1荷载计算456.2.2压力钢管水锤计算466.3压力管道的结构计算476.3.1计算过程476.3.2结论596.4压力钢管的结构计算596.4.1压力钢管管壁厚度计算596.4.2压力钢管的应力计算606.4.3压力钢管的抗外压失稳验算636.4.4分岔管的设计647结 论65总结与体会66谢 辞67参考文献681前 言随着经济与社会的发展，特别是改革开放30多年来，由于城市化进程的日趋加快，经济建设的快速发展，能源需求量的不断提升，水能已成国家重点开发的对象。我国水力资源丰富，理论蕴藏量为6.76亿KW，可能开发利用的达3.78亿KW,居世界首位，但是目前我国的水力资源开发利用率相比发达国家而言，相去甚远，故还存在巨大的开发潜力，还需要大量的水工专业人员开拓进取，不懈奋斗。引水建筑物是水工建筑物中最主要的建筑物之一，是整个工程的核心部分。决定了该水利枢纽的发电效益等。引水建筑物包括了进水口，引水隧洞，调压室（调压井）,压力管道的设计。本设计的主要内容是对狮子坪水电站的引水建筑物进行全面设计，通过给的定资料完成对整个进水口，引水隧洞，调压室（调压井）,压力管道的设计等任务。通过此次设计，提高自己独立思考问题、查阅资料、获取信息的能力；在设计中，不断认识工程实践，开拓设计思维，激发创新思维，强化计算能力。设计涉及内容较广，专业性较强，所以在设计过程中，能够充分发挥个人的能力，把所学的专业知识灵活运用到实践工程中，在设计过程中发现自身的不足，以便日后能及时弥补相关知识。同时，通过设计提高我们对本专业相关规范、标准的认识和重视，培养良好的设计习惯和责任感。在这次设计中，应充分利用各种资源，各种文献，不断学习，不断探讨，不耻下问，以便顺利完成本设计。2工程基本资料杂谷脑河是岷江上游右岸的一级支流，流域位于北纬31123155、东经1023610339之间。狮子坪水电站坝址在沙坝乡小丘地沟至白马沟之间长约800m的河段上；厂址在朴头乡新店子附近。坝址距理县41km，距成都244km。本电站的工程任务是发电，电站采用混合式开发，电站装机容量195MW，多年平均发电量8.76亿kW.h。电站水库正常蓄水位2540.00m，相应库容1.327亿m3，调节库容1.189亿m3，具有年调节性能。2.1水文资料 杂谷脑河流域地处青藏高原东部边缘地带，地势西高东低，南、西、北三面都是高山环绕。流域历经强烈褶皱，形成高山高原峡谷，域内山峦起伏、山势陡峻、河谷深切，相对高差大，水流湍急。狮子坪电站为杂谷脑河流域水电开发的龙头水库工程，坝址位于理县沙坝乡小丘地，控制集水面积1140km2，其厂址位于红叶一级电站厂房上游新店子小学处，控制集水面积1557km2。 杂谷脑河是岷江上游右岸的一级支流，河谷两岸高山夹峙，坡陡流急，为典型山区河流。流域内地质构造复杂，岩体破碎，节理、片理发育，风化强烈。第四系松散堆积物多分布于河谷两侧及冲沟内。狮子坪水电站坝址以上为米亚罗红叶温泉风景区，植被覆盖条件良好。坝址以下的河谷地段，森林多被采伐，河谷两岸及高坡地，大部分被垦殖，流域内汛期降雨集中，雨强较大，地表易被侵蚀，河谷两岸时有不同程度的崩塌发生。狮子坪水电站位于青藏高原向四川盆地的过渡地带，地势西北高、南东低。区内早期有冰川活动，杂谷脑河及其支流为冰蚀谷，谷高坡陡，物理地质现象发育，沿河历史上多处崩塌堰塞成湖。工程地质杂谷脑河径流主要由降水补给。每年4月降雨量开始增加，510月降雨量约占全年降水量的80%。11月至翌年4月降水量仅约占全年的20%。径流年内分配与降水量年内分配基本一致。据杂谷脑站1958年至2000年径流系列统计，汛期（510月）径流量占全年的79.7%，其中67月占全年的35.0%，2月份流量最枯，仅占年径流量的2.29%。杂谷脑河径流年际变化较小。杂谷脑站最丰水年（1992年5月至1993年4月）年平均流量78.2m3/s，最枯水年（1959年5月至1960年4月）年平均流量51.2m3/s，与多年平均流量64.4m3/s的比值分别为1.21和0.80。根据狮子坪电站坝址处19582000年径流系列，分别对年（54月）径流和枯期（114月）径流作频率分析计算，用数学期望公式计算经验频率，用P型曲线适线确定统计参数。年径流（54月）：Xo29.5m3/s，Cv=0.10，Cs/Cv=2；枯期径流（114月）：Xo=12.4m3/s，Cv0.12，Cs/Cv=2。其成果见表2-1。狮子坪电站坝址径流计算成果表表2-1项 目均值（m3/s）CvCs/CvQp（m3/s）p=10%p=50%p=90%年径流（54月）29.50.10233.329.425.8枯期径流（114月）12.40.12214.312.310.5由于本流域中上游地区植被覆盖较好，调蓄能力强，且降雨量相对较大，故径流深亦较其它站大，这与降雨分布规律是一致的，说明径流成果是合理的。杂谷脑河的洪水主要由暴雨形成。该流域暴雨强度较小，因而形成洪水的量级亦较小。据理县气象站1961年至1990年降雨资料统计，历年最大一日降雨量为55.9mm（1981年8月12日）。据杂谷脑水文站19582000年实测流量资料统计，年最大流量发生在59月，其中又以67月为最多。历年最大洪峰流量最大值为489m3/s（1989年6月16日），历年最大洪峰流量的最小值为171m3/s（1966年7月15日），二者之比值为2.86。可见杂谷脑河洪水年际变化不大。由于杂谷脑水文站1994年2000年水文资料受理县电站运行的影响，而理县电站是径流式（不完全日调节），经分析采用最大日平均流量与年最大洪峰流量建立相关，还原19942000年年最大洪峰流量；1927年历史洪水仅有洪峰流量，分别建立杂谷脑站洪峰流量年最大一日洪量、三日洪量相关，插补各时段历史洪量。根据1958年2000年共43年实测最大洪峰流量、年最大一日洪量、三日洪量（其中：1989年洪峰流量、年最大一日洪量从实测系列中抽出作特大值处理），加入历史洪水，组成不连序系列，按数学期望公式P=M/（N+1）100%及P=m/（n+1）100%分别计算经验频率，以矩法计算均值和变差系数，用P型曲线适线确定统计参数。将杂谷脑站的设计洪峰流量按面积比的三分之二次方换算到狮子坪电站坝、厂址；洪量则根据狮子坪坝址年月径流与杂谷脑站相关方程换算到狮子坪电站坝址，坝、厂址设计洪水成果见表2-2。狮子坪电站坝、厂址设计洪水成果表表2-2站名项目均值CvCs/Cv设计频率p=0.02%p=0.2%p=0.5%p=1%p=2%p=5%杂谷脑站洪峰流量（m3/s）2790.254667564522490456410一日洪量（亿m3）0.2100.2040.4260.3720.3490.3310.3130.287三日洪量（亿m3）0.5800.2041.1771.0300.9640.9150.8640.793狮子坪坝址洪峰流量（m3/s）406343317298277249一日洪量（亿m3）0.1920.1670.1570.1490.1410.129三日洪量（亿m3）0.5300.4640.4340.4120.3890.357狮子坪厂址洪峰流量（m3/s）499422391367341307杂谷脑河是岷江上游右岸的一级支流，河谷两岸高山夹峙，坡陡流急，为典型山区河流。流域内地质构造复杂，岩体破碎，节理、片理发育，风化强烈。第四系松散堆积物多分布于河谷两侧及冲沟内。狮子坪水电站坝址以上为米亚罗红叶温泉风景区，植被覆盖条件良好。坝址以下的河谷地段，森林多被采伐，河谷两岸及高坡地，大部分被垦殖，流域内汛期降雨集中，雨强较大，地表易被侵蚀，河谷两岸时有不同程度的崩塌发生。据杂谷脑水文站实测悬移质资料统计，多年平均年输沙模数为287t/km2。杂谷脑河流域的植被和水土保持总体状况是上游较下游好，而狮子坪电站坝址以上较佳。经推算，狮子坪水电站坝址多年平均年输沙量15.6万t，多年平均含沙量167g/m3。19632000年共38年系列中，最大年输沙量38.3万t（1992年），为最小年输沙量7.66万t（1986年）的5倍。输沙量年内分配不均匀，主要集中在汛期（69月），占全年输沙量的91.7%，其中67月两个月内输沙量约占全年的68.6%。多年汛期（69月）平均含沙量260g/m3。 2.2工程地质资料工程区位于北西向鲜水河断裂带和北东向龙门山断裂带所围限的川青断块的小金弧形构造带之西翼近顶端的次级构造族郎帚状构造带上。在大地构造部位上隶属于松潘甘孜地槽褶皱带范畴，西侧毗连巴颜喀拉冒地槽褶皱带，东邻扬子地台西缘龙门山大巴山台缘拗陷带。区域控制性主干断裂为NE向龙门山断裂带，小金较场弧形构造带（西翼）断裂构成了区域次一级断裂构造格架。狮子坪水库内的米亚罗断裂为压扭性质，属中更新世活动断裂。狮子坪水库位于理县沙坝乡和夹壁乡境内，正常蓄水位2540m时，库水回水至芦干桥，沿河库长约9.5km，库容1.327亿m3，库区左岸有支沟牌坊沟汇入，右岸有九架棚沟、小丘地沟汇入。水库两岸山体雄厚，邻谷河水位高于库水位，库内无通往下游的区域性断裂破碎带，且无可溶岩地层分布，水库不具备向邻谷渗漏的可能性。坝址（小丘地沟）大火地库段长6.0km，河道较为顺直，区内无区域性断裂通过。坝址区位于右岸小丘地沟与左岸白马沟之间长约800m的河段内，区内河道顺直，谷坡地形较完整，河流由西向东流经坝区。水库两岸山体雄厚，邻谷河水位高于库水位，库内无通往下游的区域性断裂破碎带，且无可溶岩地层分布，水库不具备向邻谷渗漏的可能性。库区内有小丘地沟、九架棚沟及牌坊沟，沟口大多开阔平缓。坝址区位于右岸小丘地沟与左岸白马沟之间长约800m的河段内，区内河道顺直，谷坡地形较完整，河流由西向东流经坝区。枯水期河水位高程，横、横勘探线分别为2413.3m、2412.0m。河面宽1922m，谷底宽6990m，正常蓄水位2540m处，谷宽285305m。坝区河床覆盖层深厚，基岩顶板高程从上游横V到下游横IV为2315.762322.32m。河谷横断面为对称的“V”型峡谷，岩层与河流流向近于正交，为横向谷。两岸谷坡陡峻，高程2480m以下，平均坡度3540，2480m以上，平均坡度4550，临河坡高300m以上。坝址区出露基岩为三叠系上统侏倭组（T3zh）和新都桥组（T3x）的浅变质岩，岩石致密坚硬。根据岩性、岩相和工程地质特性的差异，可将其分为四个工程地质岩组。（1）侏倭组上段第一层：变质砂岩夹千枚状板岩（T3zh3-1），分布于横横勘探线之间，厚度130140m，变质砂岩与板岩的比例为5:1，砂岩的单层厚度多在50100cm之间，板岩厚度小于1020cm。（2）侏倭组上段第二层：变质砂岩与千枚状板岩互层（T3zh3-2），分布于横横勘探线之间和横与白马沟之间，厚度235245m，变质砂岩与板岩的比例为3：2，砂岩的单层厚度50100cm，板岩的单层厚度1020cm。（3）新都桥组下段第一层：薄层变质砂岩与千枚状板岩互层（T3x1-1），分布于小丘地沟下游沟壁与横勘探线及白马沟下游，厚度104110m，砂岩与板岩的比例为2：3，砂岩的单层厚度为1030cm，局部5080cm，板岩厚度一般510cm。（4）新都桥组下段第二层：千枚状板岩夹薄层砂岩（T3x1-2），分布于小丘地公路桥至小丘地沟下游沟壁一带，厚度150160m，砂岩与板岩的比例为1：3，砂岩单层厚度为1030cm，局部为5080cm，板岩单层厚度510cm。坝址区第四系不同成因堆积物主要分布于河床和两岸谷坡坡脚地带，勘探揭示，河床覆盖层厚度90102m，其成因类型和成层结构复杂，厚度变化大，有远源的河流向冲积物，也有近源的崩坡积物。根据成因、物质组成、结构特征，由老到新可分为五层： 含砂漂(块)卵砾石层(3gl+fgl)：系冰川冰水混合堆积，分布于河床底部，下伏为基岩，厚度一般为1418m，横线最厚处为25.25m，顶板埋深7384m，顶板高程23252344.5m。漂卵石成份以变质砂岩、板岩为主，偶见花岗岩，漂石粒径一般为2030cm，卵砾石粒径一般27cm，充填灰黄或灰色粉砂、粉质土，结构较均一，击实。 粉质壤土与粉细砂互层(3l)：湖积沉积，分布于河床下部，除横勘探线附近缺失外，几乎铺满了整个河床。横II线上游厚度一般为7.818.50m，下游一般1012m，顶板埋深6672m，顶板高程23372350m。该层为粉质壤土与粉细砂互层，呈灰色、灰黄色，结构较紧密，微弱透水。-1 含砂漂(块)卵砾石层(4al)：冲积堆积，分布于河床中下部，下伏为层。厚3958m，顶板埋深728m，顶板高程23832406m。漂卵石成份为变质砂岩、板岩，漂石粒径一般为2040cm，卵砾石粒径一般510cm，充填灰黄或灰色粉砂、粉质土，结构较密实。该层从上围堰至下围堰断续分布6个砂层透镜体，粗、中、细砂均有，透镜体厚1.164.25m，顶板埋深23.3543m。-2 块碎砾石土层(4col+dl+al)：早期崩坡积与河流冲积的混合堆积，主要沿杂谷脑河两岸分布，厚度变化大，与-1层同一时期形成，交互沉积。据钻孔揭示，横勘探线左、右两岸厚度分别为27.96m、44.62m，顶板埋深分别为20.14、22.60m，顶板高程分别为2429.51、2408.8m；横勘探线右岸总厚度36.66m，顶板埋深8.0m，顶部高程2406.04m，左岸缺失该层。该层结构分布不均一，有局部粗颗粒集中、局部细颗粒集中的现象。 含碎砾石砂层、粉质壤土层(4al)：冲积堆积，分布于河床上部，几乎铺满河谷。据钻孔揭示，在横I和横II勘探线之间以及上游围堰附近，该层中含有漂卵砾石透镜体，厚约10m。粉质壤土层厚度一般58m，最厚9.75m。本层总厚度最厚地段位于横、横线间，厚达1220m(含透镜体)。顶板埋深1.510.0m，顶板高程24032417m。透镜体中卵砾石成份为变质砂岩、千枚岩，卵砾石粒径多在37cm，小砾石粒径0.51.0cm，结构松散，厚度小于10m。 含漂卵砾石层(4al)：现代河床冲积堆积，分布于河床顶部，厚度一般为37m，在横线最厚11m，顶板高程24052416.36m。漂卵砾石成份主要为变质砂岩，偶见板岩，小砾石粒径0.51.0cm，卵砾石粒径一般为37cm，漂石粒径2040cm，充填物为中细砂，结构松散。谷坡坡脚广泛分布崩坡积(4dl+col)的块碎石土，该层颗粒大小悬殊，分布不均匀、局部细颗粒相对集中，具架空结构，厚度变化大，一般介于530m，结构松散。坝址区位于加拉沟向斜的西翼，为侏倭组和新都桥组的地层，岩层倒转与东翼同倾，横线处为次级背斜的核部，核部地层为T3zh3-1，岩层总体产状N520W/NE（局部SW）7085，与河谷近于正交。区内无大的断层通过，岩体中主要结构面为顺层小型挤压破碎带及节理裂隙。破碎带一般宽37cm，最宽可达20cm，主要由压碎的石英脉或砂岩碎屑组成。岩体中节理裂隙主要有5组：N520W/NE（局部SW）7085（层面裂隙）；N3050W/NE5060；N4060E/NW510；近EW/S（N）7080；近EW/S525。裂隙发育程度与岩性和构造有关，同一地段一般发育24组，裂面多平直粗糙，除组延伸大于10m以外，其余各组延伸长一般13m，间距2060cm，呈现短小的特点。3进水口设计3.1进水口的布置原则：水流平顺、对称，不发生回流和旋涡，不出现淤积，不聚集污物，泄洪时仍能正常进水。进水口后接压力隧洞，应与洞线布置协调一致，选择地形、地质及水流条件均较好的位置。 狮子坪水电站装机容量为19.5万kW。狮子坪水电站最大坝高136m，正常蓄水位高程2540m，最大水头451.7m，最小水头344.0m，加权平均水头426.1m。在此水头范围内，可选混流式与水斗式两种机型。坝址到厂址间天然河道长约20km，河道走势呈不规则的“S”形，总体上凸向左岸，坝址区出露基岩为三叠系上统侏倭组（T3zh）和新都桥组（T3x）的浅变质岩，岩石致密坚硬。岩体透水性与岩体风化卸荷关系密切，右岸抗水层垂直埋深为90120m。引水隧洞沿线河谷狭窄，山体雄厚，谷坡陡峻，地势海拔24003500余米，属典型的中高山峡谷地貌，平均自然坡度4060。沿线范围内有梅多沟、麻尔米沟及石鼓磨沟切割，沟内常年流水，坡降一般1012%。引水隧洞区出露地层由老到新为三迭系杂谷脑组厚巨厚层状变质砂岩夹砂质板岩，侏倭组中厚层状变质砂岩与砂质板岩互层，新都桥组千枚状砂质板岩夹薄层细粉砂岩。第四系覆盖层主要分布于河床、冲沟沟底和沿河谷坡坡脚。由于左岸受米亚罗断层和族郎帚状构造影响，岩体较右岸破碎，成洞条件较右岸差，发电引水隧洞进水口只能布置在右岸。综合分析投资和生产运行管理，选择坝式进水水口方案。隧洞线路布置上采用绕沟方式，使隧洞从沟谷下部基岩中通过，过沟段隧洞上覆围岩厚均大于60.00m。进水口底板高程为2450.00m，孔口尺寸为5m5.5m。水库正常蓄水位2540.00m，校核洪水位2541.09m，死水位2460.00m。进水口布置位置主要基于进水口的高程拟定在距右坝肩较近的位置，以节省工程量。进水口分为进口段、闸室段和渐变段，进水口段为直线，渐变段以后为有压隧洞段。竖井式进水口，基础采用C20砼，厚2m，宽5m，长5.5m。进水口支承采用排架结构。进口顶部和侧面均布置成1/4椭圆曲线，a=6.0m,b=2m。坝前泥沙平均淤积高程随死水位抬高而降低。水库运行100年，死水位2460m的坝前泥沙平均淤积高程为2442.75m，取进水口高程为2450m，死水位2460m基本满足本电站使用年限的要求，不会对电站取水口产生影响，这样就不需要再进水口处设置冲沙闸了。根据进水口的地形条件，栏污栅的清污比较困难。考虑降低过栅流速，以获得较大过水面积，采用固定栏污栅。拦污栅分3面，进水正面或两侧各布置1块，栅条垂直布置，高5.5m，栅条厚10mm,宽50mm,间距按混流式水轮转轮直径的d/30拟定为30mm。参照小型水电站机电设计手册（金属结构分册）中介绍的不采取清污措施容许过栅流速为0.5m/s，复核本处的过栅流速小于0.5m/s。因此本处选取固定栏污栅一是能够满足过栅流速要求，二是减少了工程运行管理期间的清污工作量。栏污栅体和框架投资有所增加，和考虑清污措施相比较，投资节省一些。闸室段和排架相连，进水口采用矩形断面,孔口尺寸为55.5m。闸门采用平面钢闸门，闸门后仍采用矩形断面，孔口尺寸断面不变，闸5900m(桩号0+100.000) 后开始向右转弯,曲线段长12712.958m，曲线段末段（桩号0+18712.958）连接渐变段由方变为圆形断面，渐变段长度均为7m。平面钢闸门为检修闸门，平面闸门尺寸为55.8m。配套启闭机采用螺杆式启闭机，启闭机型号为QPK2800kN型螺杆启闭机。3.1.1 进口段进口段的作用是连接拦污栅与闸门段，使工程的过水能力更加平缓，使水流的流速平缓顺畅，减小水头损失。隧洞进口段为平底，两侧收缩曲线为四分之圆弧或双曲线，上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆。进口段的长度没有一定标准，在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下，尽可能紧凑。 图3-1 喇叭形进水口根据国内外实践经验，进口顶板的椭圆曲线方程为 式中，a=(11.5)D，常用1.1D,D为引水道直径；b=(1/31/2)D。取a=6m，b=2m3.1.2 闸门段 闸门段是进口段和渐变段的连接段，有利于闸门及启闭设备在此段布置。 闸门段一般为矩形的水平段，事故闸门净过水面积为(1.11.25)洞面积,检修闸门孔口与此相等或稍大。门宽B等于洞径D，取5m；门高略大于洞径D,取5.8m。闸门段的长度主要取决于整套闸门设备布置的需要，检修闸门和工作闸门之净距一般不小于工作闸门净高、宽的0.4倍，且不小于闸门的安装、维护工作所需的经空间。3.1.3 渐变段 渐变段是矩形闸门段到圆形压力引水道的过渡段。可以使水流经过一个过渡到达隧洞，减小水流对隧洞的冲刷。 通常采用圆角过渡，圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R；渐变段的长度一般为隧洞直径的1.52倍,取8m；侧面收缩角为为宜，一般不超过。渐变段轴线通常为直线，也可根据引水道布置为曲线。3.1.4通气孔和进入孔a、通气孔面积计算 参照水工设计手册（水电站建筑物）介绍的公式计算： A= 式中：Qa空气流量，采用引水隧洞的额定流量； va空气流速，取25m/s；A= =2.28计算A=2.28,在闸后采用内径1000mm的钢管伸到坝顶，用于通气孔。b、算进入孔 为了便于压力引水内部的检修，必须设置进水孔。进水孔的进水孔和通气孔共用，通气孔内设置爬梯供检修人员上下。此时进水孔多采用1m见方的方形。3.2 水头损失计算进水口水头损失计算沿程水头损失和局部水头损失。根据水电站调压室设计规范（DL/T 5058-1996）附录A和 水电站进水口设计规范SD30388附录4介绍的局部水头损失系数取值和计算公式进行计算，各部位的局部水头损失系数见表3-1。表3-1 进水口局部水头损失系数部位局部水头损失系数备注进水口0.1采用1/4椭圆曲线栏污栅sin栅条形状系数，取0.6s 栅条宽度 ，50mmb 栅条间距，30mm栅面倾角 取90v 过栅平均流速（用于计算栅条损失）渐变段0.1圆变方 渐变段0.1方变圆闸门槽0.11 入口损失 =式中： 进水口后接管道均匀段之平均流速水头，m 入口水头损失系数，圆形进水口取0.2，抛物线进水口取0.1经计算得 ： = =0.082m 2 拦污栅损失 h= sin式中： 栅前平均流速水头，m 2 拦污栅水头损失系数； 栅条形状系数，取0.6 s 栅条宽度，cm； b 栅条间距，cm； a 栅面倾角，rad,取90经计算得 ： sin=sin90=1.23 h= = 0.331m3.门槽损失 h3 =3 式中： 门槽后平均流速水头，m； 3 门槽水头损失系数，一般取 0.10.2。经计算得： h3 = =0.082m4.渐变段损失 h4 = 4式中： 渐变段中间断面平均流速水头，m； 4 渐变段水头损失系数，一般取 0.05。经计算得：h4 = 4= = 0.017m 水头损失H1 = + h+ h3 + h4 =0.082+ 0.331 + 0.082 + 0.017 =0.512m4 有压隧洞 由于该水电站的水头很高，由取水口到发电厂房的纵坡偏大，如果采用无压隧洞可能在隧洞中出现有压与无压频繁交替的不稳定水流状态，对机组的正常运行很不利，也可能引起隧洞衬砌的破坏。为了避免在隧洞中出现时而无压时而有压的明满流交替状态，以防止洞内引起震动、空蚀对机组和衬砌造成破坏，所以选择用有压隧洞。4.1平面布置4.1.1 引水线路的选择 本电站的引水隧洞工程等级为2级，隧洞线路的布置总原则是：洞线短、顺直，沿线的地质、水文地质条件好，便于施工。坝址到厂址间天然河道长约20km，河道走势呈不规则的“S”形，总体上凸向左岸。左、右两岸引水线路穿越的地层岩性、地质构造和围岩类别基本相似。左岸引水隧洞需穿越工程区切割最深，规模最大的支沟大沟，隧洞过沟有两种方式，一种是压低洞线，靠近杂谷脑河布置，另一种是常规的绕线方案。由于左岸受米亚罗断层和族郎帚状构造影响，岩体较右岸破碎，成洞条件较右岸差，显然左岸引水隧洞工程量将大为增加。两岸引水线路比较，右岸引水方案无论是引水线路布置还是沿线地形、地质条件均优于左岸方案，所以采用右岸引水线路方案。隧洞长18.7km，结合隧洞经济流速和引水线路的地质地形及施工条件，选择狮子坪水电站引水隧洞洞径为5m。引水隧洞位于杂谷脑河右岸，从进口至调压井，全长18.713km，洞室断面型式为、圆形，圆形断面内径5m，隧洞垂直埋深一般120300m，最大达1060m，最小85m。区域内主要以二、三类围岩为主。分别穿越常年流水的梅多沟、麻尔米沟、石鼓磨沟，压力隧洞洞线布置主要受麻尔米沟控制。根据隧洞区的地形地质条件，隧洞线路布置上采用绕沟方式，使隧洞从沟谷下部基岩中通过，过沟段隧洞上覆围岩厚均大于60.00m，隧洞在平面上设置6个转点，转弯半径为25.00m。整个引水隧洞需布置多个转弯处，从进水口（0-011.5000+000.000）经624.920m到达第一个转弯半径，转弯半径在（0+624.9200+633.520）处，转弯半径一般不宜小于5倍洞泾，转弯半径R=25，转弯角度a=194233，在这区域之间隧洞轴线走向为N204827W,坡降i=0.003125,在T3zh侏倭组合T3X新都桥组之间，由变质砂岩和板岩组成，区间内岩层产状为N520W/NE(SW) 7085。在这之间取11断面，详见引水路线剖面图。 由（0+624.9200+633.520）经3095.360m到第二个转弯半径（3+709.6093+728.880），转弯半径R=25，转弯角度a=44956，在这区域之间隧洞轴线走向为N4031W，坡降i=0.00293。梅多沟和麻尔水沟主要在这区域内，区域内岩层为第四系的Q冲洪积以及T3X板岩夹变质砂岩。在这之间取22断面，详见引水路线剖面图。由（3+709.6093+728.880）经3042.882m到第三个转弯半径（6+754.3396+771.762），转弯半径R=25，转弯角度a=392819，在这区域之间隧洞轴线走向为N844056W，坡降i=0.00293。麻尔多沟主要在这一区域内，区域内主要为陡岩区，岩层为第四系的Q冲洪积以及T3X板岩夹变质砂岩。在这之间取33断面，详见引水路线剖面图。由（6+754.3396+771.762）经3547.001m到第四个转弯半径（10+311.54410+318.763），转弯半径R=25，转弯角度a=163237，在这区域之间隧洞轴线走向为N451237W，坡降i=0.00293。该区域横穿过打靶打阴沟和石鼓磨沟到达下个转弯半径处，岩层为第四系的Q冲洪积和Tz变质砂岩夹板岩。在这之间取44断面，详见引水路线剖面图。由（10+311.54410+318.763）经4173.355m到第五个转弯半径（14+486.11114+492.118），转弯半径R=25，转弯角度a=1346，在这区域之间隧洞轴线走向为N2840W，坡降i=0.00293。石鼓磨沟主要在这个区域内，该区域内主要是Q冲洪积和Tz变质砂岩夹板岩。在这之间取55断面，详见引水路线剖面图。 由（14+486.11114+492.118）经4196.142m到第六个转弯半径（18+660.79118+688.260），转弯半径R=25，转弯角度a=625621，在这区域之间隧洞轴线走向为N4226W，坡降i=0.00293。该区间内岩层产状为N3070E/NW(SE) 7090，主要以T3zh变质砂岩和板岩互层为主。在经24.698m到达调压井（18+712.958）。在这之间取66断面，详见引水路线剖面图。表4-1 坝址区岩体力学指标建议值表岩性及地层代号风化卸荷变形模量E0(Gpa)泊松比抗剪断强度边坡比fc永久临时T2zh变质砂岩夹板岩、T3zh变质砂岩与板岩互层微风化新鲜6.08.00.250.300.81.00.81.01：0.31：0.25T2zh变质砂岩夹板岩、T3zh变质砂岩与板岩互层弱风化、弱卸荷3.05.00.300.350.60.70.30.51：0.501：0.40T3x板岩夹变质砂岩微风化新鲜24.00.350.550.60.20.41：0.501：0.40T2z变质砂岩夹板岩、T3zh变质砂岩与砂质板岩互层弱风化、强卸荷0.51.00.350.350.400.030.050.750.5T3x板岩夹变质砂岩弱风化、弱卸化及强风化、强卸荷断层破碎带及层间挤压破碎带0.54.1.2供水方式的选择 本电站设计为三台机组，引用流量57.00m3/s，联合供水布置较容易，主管道规模较大且本水电站的引水道较长，这样比单元供水投资相对较小。考虑到本电站有三台机组，为减少投资，更加容易布置，可以保证发电的稳定性，最终采用联合供水。4.2隧洞水力计算 水工隧洞水力计算的内容，一般有：水头损失计算、泄流能力计算。4.2.1隧洞直径计算有压隧洞的断面尺寸与隧洞的引用流量、洞内流速有关。本电站水轮机设计引用流量为57.00m3/s，选择三台机组，单机引用流量为19 m3/s，所以断面尺寸只与洞内流速有关。流速越大洞泾断面尺寸越小，水头损失越大，所以应根据隧洞工程费用和流量损失费用之和最低的原则来确定断面尺寸。为了施工和检修的方便，水工隧洞设计规范规定，圆形断面的内径不宜小于1.8m。有压隧洞断面的衬砌，一般根据围岩的条件、防渗要求、隧洞工程的规模和重要性，分别选用混凝土、钢筋混凝土、喷锚支护等形式。 本工程属于较长的有压隧洞，要根据工程的具体情况，采用不同的断面形状和衬砌型式，但要在断面和衬砌型式变化处设置渐变段。渐变段的长度不宜小于1.52.0倍洞泾，或采用。 隧洞经济直径按下式计算： D= D=1.13式中 Qmax 最大设计流量，m/s H 设计水头，m V 隧洞的经济流速，m/s；衬砌材料为混凝土时为2.54.5，不衬砌时小于2.5,取为3 D= = =3.15mD=1.13 = =4.93m由经计算得D=3.15m，由经计算得D=4.93m.考虑水头损失，工程规模以及便于施工等条件，便于计算取经济直径为D=5m。4.2.2水头损失计算有压隧洞的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失两部分，沿程水头损失采用谢才曼宁公式计算，局部水头损失主要隧洞转弯引起，按弯管的局部水头损失公式计算。有压隧洞沿程水头损失公式如下：H=式中:L引水隧洞长度，18713m； v设计流流速，2.58m/s； R水力半径，m；R=1.25mC谢才系数，取值； n糙率系数。有压隧洞的糙率系数n根据不同的衬砌结构分别计算，对于钢模现浇混凝土衬砌，n取值0.015；对于采用光面爆破开挖的岩石面喷混凝土n取0.030。取n=0.015。H= = = 20.81m经计算得该隧洞的沿程水头损失H=20.81m 有压隧洞局部水头损失主要是由于隧洞转弯引起的水头损失，查相关资料得有压隧洞局部水头损失计算公式如下：弯=弯=0.131+0.163()0.5 该隧洞共设有6个转弯点，转弯半径均为R=25m。式中：R隧洞转弯半径(m)，隧洞转弯半径在本项目按25m布置； D隧洞内径(m)； 隧洞转角，详见压力隧洞布置图。第一个转弯处 R=25m，a=194233 经计算得:弯1= = 0.47第二个转弯处 R=25m，a=44956 经计算得: = =1.44第三个转弯处 R=25m，a=392819 经计算得: = =1.36第四个转弯处 R=25m，a=163237 经计算得: = = 0.88第五个转弯处 R=25m，a=134600 经计算得: = = 0.80第六个转弯处 R=25m，a=625627 经计算得: = = 1.72 = 0.47m + 1.44m + 1.36m + 0.88m + 0.80m + 1.72m =6.67所以隧洞的局部水头损失= =6.67 =2.26m隧洞的水头损失：H6 = H + = 20.81m + 2.26m = 23.07m4.2.3有压流的泄流能力水工隧洞泄流能力计算，在实际工程中，多半是根据用途先拟定隧洞设置的高程及洞身断面和洞口尺寸，然后通过计算校核其泄流量。若不满足要求，再修改断面或变更高程，重新计算流量，如此反复计算比较，直至满意为止。 本引水隧洞是该工程的发电引水隧洞，其过流能力决定于机组设计流量，在任务书里面已经给出了引用流量Q = 57，最大设计流量QMax = 61.4。 4.3隧洞支护与衬砌计算4.3.1设计原则支护即通常所称的施工期临时支护。支护的目的是加固围岩，提高围岩的自承能力，保证施工期的围岩稳定。临时支护的措施应起到防止失稳扩大的作用，保证后续工作有足够的施工时间。衬砌包括作为运行期使用的临时支护和永久运行所采用的专门衬护结构。引水隧洞线路的围岩主要以、类围岩为主，约占70%以上，具较好的成洞条件。圆形有压隧洞的衬砌计算参照天津大学祁庆和主编的水工建筑物介绍的方法，该方法和水工设计手册（水电站建筑物）介绍的方法基本相同，只是部分系数略有差别。隧洞开挖洞径5m，对于类围岩，采用C20衬砌，衬砌厚度0.5m，按限裂进行设计。对类围岩，永久支护砼为喷锚支护。采用前面开挖，后面喷锚支护紧跟作业进行施工，喷锚段与开挖段相隔100米左右。开挖支护完成后再以倒退回来的方式进行底板砼的施工。有压引水隧洞总长18612.958m(0+100.0018+712.958)，衬砌长度按60%考虑，即11168m，其余按喷混凝土考虑，长度为7444.958m。隧洞设计纵坡在不同的地段纵坡不一样。类围岩宜采用钢筋混凝土衬砌结构，主要是保证围岩稳定，满足安全运行要求。为防止衬砌由于温度变化开裂，通常沿洞线每隔612m设横向伸缩缝，缝中设止水。洞身与进口段连接处或洞身经较宽的断层破碎带时，为防止衬砌因不均匀沉降而开裂，应设沉降缝。4.3.2荷载及荷载组合在进行水工隧洞衬砌计算之前，必须首先确定作用在隧洞衬砌上的荷载，并根据荷载特性，按不同的工作情况分别计算衬砌中的内力。作用在衬砌上的力有：围岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重。灌浆压力、温度作用和地震作用等，其中内水压力、衬砌自重容易确定，而其他压力只能在一些假定的前提下进行近似计算。（1）围岩压力 围岩压力也称山岩压力，是洞室开挖后因围岩变形或塌落作用在支护上的压力。围岩压力主要有铅直围岩压力和侧向围岩压力。一般岩体中，作