发电或引水有压隧洞设计大纲范本

1、FJD34090 FJD水利水电工程 技术设计阶段发电或引水有压隧洞设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网 1997年11月 水电站技术设计阶段发电或引水有压隧洞设 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 42. 设计依据文件和规范 43. 设计基本资料 54. 隧洞布置与洞径复核与优化125. 隧洞水力设计186. 隧洞结构设计207. 隧洞围岩稳定分析及一次性支护设计308. 不衬砌与锚喷衬砌设计349. 预应力混凝土衬砌及其它衬砌型式设计3

2、610. 降低外水压力的措施3611. 不良地质洞段处理3712. 回填灌浆及固结灌浆处理3813. 隧洞原型观测、检修及运行4014. 专题研究4115. 工程量计算4116. 应提供的设计成果421 引 言1.1 工程概况本工程为 水电站(水利)枢纽，位于 ，本枢纽是以 为主，兼有 等综合利用的水利水电枢纽工程。枢纽采用 条有压引水隧洞，作为 引水建筑物。引水隧洞单条长分别为 、 m，直径 m，引用流量 m3/s。电站装机 台 MW的 式机组，总装机容量 MW。1.2 设计范围本大纲为发电(引水)有压隧洞技术设计大纲。设计范围，包含从隧洞挂口开始到发电(引水)有压隧洞同引水系统中另一建筑物

3、(指调压井、钢管或明渠等)连接处止。设计内容，包含设计参数选择、隧洞总体设计、水力设计、一次及二次支护设计、不良地质洞段处理、细部设计、专题研究(含试验)、施工期监测及运行期观测设计、施工技术要求、工程量计算及其他辅助设施设计。1.3 设计主要思想及考虑的因素设定本引水隧洞埋深较大，所经过的大部分地段围岩地质条件较好。但因隧洞穿越地层多，沿线工程地质条件、水文地质条件复杂，且不易搞清。目前地下结构设计理论尚不完善，要用多种理论和方法进行分析计算。充分考虑隧洞沿线的复杂地质条件，特别是不良地质洞段，针对不同地质条件，作出合理的设计。设计中应详细地对各种条件下的围岩稳定进行分析，注重围岩的加固，采

4、用新奥法(NATM法)施工，充分发挥围岩的承载能力，做到简化衬砌结构，加快施工进度，缩短工期，降低工程造价。2 设计依据文件和规范2.1 本工程的依据文件(1) 工程可行性研究报告;(2) 工程可行性研究报告审批文件；(3) 工程地质报告；(4) 工程专题研究(试验)报告；(5) 工程有关文件。2.2 主要设计规范(1) SDJ 12-78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定(山区、丘陵区部分)(试行)；(2) SDJ 217-87 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原、滨海部分)(试行)；(3) SD 134-84 水工隧洞设计规范(试行)；(4) SDJ 207-82 水工混

5、凝土施工规范；(5) SL 62-94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范；(6) SDJ 10-78 水工建筑物抗震设计规范(试行)；(7) SDJ 20-78 水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)；(8) SDJ 57-85 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范；(9) SDJ 212-83 水工建筑物地下开挖工程施工技术规范；(10) SL 47-94 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范；(11) SD 303-88 水电站进口设计规范(试行)；(12) SD 144-85 水电站压力钢管设计规范(试行)；(13) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范；(14) GB 502

6、40-92 钢筋混凝土工程施工及验收规范；(15) GBJ 86-85 锚杆喷射混凝土支护技术规范；(16) GBJ 7-89 建筑地基基础设计规范；(17) GBJ 10-89 混凝土结构设计规范及局部修改条文；(18) GBJ 17-85 钢结构设计规范。2.3 主要参考资料(1) 水力计算手册(武汉水利电力学院编)；(2) 水力学上、下册(成都科技大学编)；(3) 水力学上、下册(清华大学编)；(4) 灌区水工建筑物丛书涵洞、隧洞；(5) 水工设计手册；(6) 地下建筑物设计手册(1993版)；(7) 铁路工程设计技术手册；(8) 喷射混凝土程良奎编(1990版)；(9) 铁路隧道新奥法

7、指南(1988版)；(10) 水工隧洞设计潘家铮编；(11) 水力学设计(美国陆军工程兵团)。3 设计基本资料3.1 工程等别与建筑物级别根据本工程规模，按照水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定(山区、丘陵区部分)(SDJ12-78)(试行)及其补充规定，本工程属 等工程，发电(或引水)隧洞为本工程之 建筑，应按 级建筑物设计。3.2 气象资料气温本隧洞区多年平均气温 ，极端最高气温 ，极端最低气温 。各月气温如表1：表1 各 月 气 温 表 单位： 月 份123456789101112多年平均气温极端最高气温极端最低气温水温本库区多年平均水温 ，极端最高水温 ，极端最低水温 。各月水

8、温如表2：表2 各 月 水 温 表 单位：月 份123456789101112多年平均水温极端最高水温极端最低水温3.3 设计洪水标准(1) 设计情况洪水重现期，TS= a；(2) 校核情况洪水重现期，TX= a；3.4 水的重度(1) 清水重度： kg/cm3；(2) 浑水重度： kg/cm3。3.5 水位及引用流量(1) 水库水位水库正常蓄水位： m；水库设计洪水位： m；水库校核洪水位： m；水库死水位(最低)： m；水库防洪限制水位： m；(2) 调压井水位(或隧洞出口水位)调压井最高涌浪水位： m；调压井最低涌浪水位： m；调压井正常运行水位： m；(3) 引用流量本引水系统引用流量

9、 m3/s，单条隧洞最大引用流量： m3/s。(4) 隧洞允许最大水头损失隧洞允许最大水头损失： m。3.6 地震烈度(1) 基本地震烈度： 度；(2) 设计地震烈度： 度。提示: 线路较长时，可分洞段列出不同的地震烈度。3.7 水库淤积和泥沙(1) 进水口推移质粒径： mm；(2) 进水口推移质含量： kg/m3；(3) 进水口悬移质粒径： mm；(4) 进水口悬移质含量： kg/m3；(5) 年推移质总量： t；(6) 年输沙量： t。3.8 污物情况(1) 污物来源： ；(2) 污物种类： ；(3) 污物数量： ；(4) 漂浮规律： 。3.9 地质资料区域工程地质及水文地质资料提示: 本

10、节由地质专业根据区域地质条件提供，供隧洞布置使用。(1) 简述地形地貌、地层岩土性质地质、构造产状、有无有害气体等；(2) 简述含水层的类型、地下水的化学性质、地下水的补给与排泄、沿线地表水与地下水动态等；(3) 提供地下水的排堵措施，供设计参考。隧洞沿线围岩工程地质、水文地质资料隧洞沿线围岩分类及稳定评价、岩性、围岩物理力学指标、地应力、水文工程地质条件及一次支护的措施等汇总见表3。表3 隧洞围岩地质、水文地质条件汇总表代表性剖面桩号分段长度围岩地质特征及段号最大隧洞埋深最大洞上地下水头单位弹性抗力系数K0坚固系数f结构面对围岩的影响程 度地应力及洞轴线与地应力主应力方向 夹角岩体状态RQD

11、岩体弹性模量E岩体变形模量E0岩体抗拉强度及允许值mmmkN/m3(°)%MPaMPaMPa12345678910111213岩体抗压强度岩体泊松比m岩体内摩擦角j岩体抗剪(断)强 度C岩体重度g岩体完整性能I岩石质量S岩体工程质量M水文地质条件渗透系数围岩分类建议施工支护措施类别名称MPa(°)MPakN/m3m/d14151617181920212223242526提示: 如遇围岩为溶洞、软基等不良地质段，上述地质参数中还应包括基础沉陷量，各段地基的承载力、软基与混凝土间摩擦系数，以及关键复杂部位节理、裂隙面抗剪强度等。隧洞沿线地应力资料提示: 由地质专业根据区域地质和

12、实测地应力资料，按隧洞桩号提供地应力值及方向。枢纽平面地质图及洞线地质剖面图隧洞沿线地温及岩石热常数(1) 地温梯度： 度。(2) 岩石热常数，见表4。表4 岩 石 热 常 数 表岩石名称导热系数cJ/(M×h×)比热系数bJ/(kg×)线胀系数a-1(3) 隧洞沿线地温。提示: 按桩号和埋深提供地温(列成表)。3.10 材料特性及安全系数钢筋(1) 钢筋设计强度及弹性模量，见表5。表5 钢筋设计强度及弹性模量表 单位：MPa钢筋种类符号钢筋受拉设计强度Rg钢筋受压设计强度Rg弹性模量EI级钢筋(3号钢)2402402.1×105II级钢筋(16Mn)直

13、径³28mm3203202.0×105直径<28mm3403402.0×105III级钢筋(25Mn)3803802.0×1055号钢筋2802802.0×105(2) 钢筋泊松比：m=0.30。钢材(1) 钢材为 钢；钢板为 钢。(2) 钢材设计强度及弹模，见表6。表6 钢材设计强度及弹性模量表 单位：MPa钢材号符号钢材受拉设计强度Rg钢材受压设计强度Rg弹性模量EI级钢材(3号钢)A32402402.1×105II级钢材板厚大于 mm16Mn3203202.0×105板厚小于、等于 mm16Mn3403402.0

14、×105III级钢材25Mn3803802.0×1055号钢材A52802802.0×105(3) 钢材泊桑比：m=0.30。(4) 钢板强度指标及弹模，见表7。表7 钢板强度指标及弹性模量表 单位：MPa钢材号钢板厚度，mm钢板屈服强度Rg钢板极限强度Rg弹性模量E(5) 钢板允许应力，见表8。表8 钢 板 允 许 应 力 表 单位：MPa钢板钢号钢板厚mm荷载组合埋 管明 管直管弯、锥管按明管校核直管弯、锥管基本特殊基本特殊(6) 焊缝系数： 。(7) 钢板泊桑比：m=0.30。(8) 线膨胀系数： 。(9) 钢板抗外压失稳安全系数 。混凝土和钢筋混凝土(1)

15、 混凝土的标号： 。(2) 混凝土重度：g=24kN/m3。(3) 钢筋混凝土重度：g=25kN/m3。(4) 混凝土泊松比：m=1/6。(5) 混凝土设计强度及弹性模量，见表9。表9 混凝土设计强度及弹性模量表 单位：MPa 项 目符号混 凝 土 标 号混凝土标号CC15C20C25C30轴心抗压Ra弯曲抗压RW抗 拉R1抗 裂Rf弹性模量E(6) 强度安全系数，见表10。表10 强 度 安 全 系 数 表结 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、局部承压、斜截面受剪、受扭构件轴心受拉、受弯、

16、偏心受拉构件(7) 钢筋混凝土轴心受拉、小偏心受拉构件抗裂安全系数： 。(8) 钢筋混凝土结构构件允许最大裂缝宽度： mm。(9) 混凝土抗渗标号： 。(10) 混凝土与围岩粘结强度不得小于 MPa；(11) 混凝土的热学常数：导热系数c= J/(m×h×)；比热系数b= J/(kg×)；线胀系数a= -1。喷混凝土设计指标(1) 喷混凝土标号： ；(2) 喷混凝土重度： kN/m3。(3) 喷混凝土泊松比： ；(4) 喷混凝土强度及弹性模量，见表11。表11 喷混凝土设计强度及弹性模量表 单位：MPa项 目符号喷 混 凝 土 标 号喷混凝土标号CC15C20C2

17、5C30轴心抗压Ra弯曲抗压RW抗 拉R1抗 裂Rf弹性模量E(5) 强度及抗裂安全系数 ；(6) 喷混凝土抗渗标号 。钢纤维喷射混凝土设计指标(1) 普通炭素钢纤维抗拉强度不低于 MPa ；(2) 钢纤维直径为 mm；(3) 钢纤维长度为 mm；(4) 钢纤维的参量为混合料重的 %；(5) 钢纤维喷射混凝土重度 kN/m3。3.11 衬砌糙率(1) 钢模混凝土衬砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(2) 木模混凝土衬砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(3) 喷混凝土衬砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(4) 浆砌石衬砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(5) 钢板衬砌：n

18、= ；nmax= ；nmin= ；(6) 不衬砌：n= ；nmax= ；nmin= 。3.12 隧洞开挖、衬砌施工方法(1) 隧洞开挖采用 开挖；开挖起伏差控制为 mm；(2) 隧洞衬砌采用 模及 模进行混凝土衬砌施工，浇筑块长度为 模 m； 模 m。提示: (1) 说明开挖，是采用手风钻，还是多臂钻或掘进机。 (2) 说明浇筑是钢模还是木模，支护是喷混凝土还是预制混凝土构件衬砌。 (3) 根据采用的浇筑模板不同，说明衬砌分缝、分块、分期浇筑情况。3.13 初设阶段设计、研究报告及隧洞布置图提示: 着重叙述上阶段的成果、方案和需要研究的问题。4 隧洞布置与洞径复核与优化4.1 隧洞轴线及进出口

19、布置隧洞轴线及进口布置提示: (1) 洞线布置系在批准的初设方案上，根据隧洞的开挖机械和方法，考虑隧洞挂口地质条件及进水口布置条件，进一步结合地形、地质、防沙等条件，进行局部的洞线修正。(2) 原则上应复核选择作为隧洞挂口处的地质条件及进水口布置。本引水隧洞末端与调压井等连接，为改善调压井和压力管道连接处的水流条件，隧洞进入调压井的轴线应在压力管道上水平段的对称轴上。(3) 进行洞线修正时，应考虑下列条件：1) 隧洞选线时应当研究满足水力枢纽总布置的要求；2) 应考虑隧洞沿线的岩性、产状、断层、节理等结构特征、地下水分布规律等因素，应尽可能避开对隧洞不利的工程地质和水文地质条件的区段(如地质构

20、造有很大破坏、逸出气体、地下水渗流、坍塌和喀斯特等)，避开具有不利卫生环境条件的区段(如坟墓、垃圾厂以及渗滤场地等)；3) 洞线的长度对工程造价、施工工期及施工的难易程度，有着直接的关系。洞线修改时，平面布置应力求直线型，使洞线为最短，工程量最小，对洞内水流条件有利，且施工方便，便于机械化施工；对弯道弯曲的几何尺寸，要求弯道的转角不大于60°，弯曲半径不小于5倍洞径或洞宽。与上列数值相比，增大转折角度、减少弯曲半径以及提高水流速度时，它们的允许值，必须经试验验证论证后采用。为了使水流顺畅，在弯道的首尾尚应设置一定长度的直线段，其长度不宜小于5倍洞径(或洞宽)。4) 在满足上列要求的条

21、件下，洞线宜选在沿线地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、上覆厚度大、水文地质条件有利、以及施工方便的区段。地质条件的好坏，影响隧洞设计、施工和运行的安全，但更为突出的是直接关系到隧洞开挖的成败。隧洞的破坏大部分发生在施工开挖阶段。不良地质条件的存在。将降低围岩的承载能力，增加加固设施。为了充分发挥隧洞围岩自身的潜力，保证施工安全，简化加固结构和降低工程造价，在洞线选择时，应尽量把隧洞设置于坚硬、完整、稳定的山体中，避开大范围的断层破碎带，严重风化区，遇水易泥化、崩解、膨胀和溶蚀的岩体，以及地下水过多、地应力过大的地段。5) 对两条或两条以上隧洞轴线布置时，其轴线中心距应根据围岩地质条件、开挖

22、施工机械和方法对围岩扰动的影响，原则上要求隧洞间岩柱厚度应大于23倍隧洞开挖直径。如岩柱厚度小于2倍隧洞开挖直径，应作专门论证。6) 若洞线遇到沟谷时，应根据地形、地质、沟谷中的水文情况及施工条件等，进行绕沟或跨沟方案的技术经济比较。当采用跨沟方案时，应合理选择跨沟位置，对跨沟处建筑物的地基、隧洞的连线部位及其洞脸山坡，应加强工程措施。7) 隧洞围岩的覆盖厚度，涉及到围岩的稳定性、围岩抗力及围岩的防渗能力等。为了维护围岩的稳定，使其具有一定的防渗能力，并考虑一定安全系数后的厚度，对最小覆盖厚度的取值，应结合具体情况，综合分析研究确定。渐变段布置提示: (1) 隧洞可能有多种断面形状，不同断面之

23、间应设置渐变段。为了保证洞内水流平顺，渐变段采用平缓过渡。为简便起见，一般采用直线规律变化的渐变段，其长度取1.52.0倍洞径。圆形断面与圆形断面衔接，扩散角一般为4°8°，收缩角一般为7°11°。(2) 渐变段布置中，渐变段两端面积及形状不同时，要注意过渡断面面积的变化情况，尽量避免出现鼓肚情况，防止面积变化的不规律。岔洞布置提示: (1) 为了减少工程项目，降低造价，工程采用发电引水隧洞与 隧洞合用一条主洞，而在 处分岔过水的布置。(2) 采用这种布置需要解决水力学方面的问题，主要是如何防止岔洞附近的空蚀和减少对发电的影响。(3) 布置形式有两种，一

24、种为主洞发电，支洞泄洪；另一种为主洞泄洪，支洞发电或由一条主洞分为两条支洞等。岔洞下游主洞和支洞的夹角一般为30°60°。隧洞出口布置提示: (1) 出口是有压隧洞的关键部位，它控制着洞内的压力分布状况，关系着整个隧洞的安全运行问题。因此，选择论证经济合理的出口布置，是有压隧洞的一项任务。(2) 有压隧洞的出口的体形设计，大致有三个内容：1) 选择合理的出口收缩比，即出口面积与洞身断面积之比；2) 选择合理的出口收缩渐变段体型；3) 选择合理的出口下游(调压井)连接布置形式。4.2 隧洞围岩的覆盖厚度及间壁厚度隧洞围岩的最小覆盖厚度抗抬理论规定，不衬砌有压隧洞的最小覆盖厚度

25、，一般按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定(图1)。即D³K×P/r(1)式中：r 岩体的重度；K 安全系数；P 内水压力；D 围岩覆盖厚度。考虑到山谷边坡的影响，宜采用下式计算不衬砌有压隧洞的覆盖厚度；(图2)。D=PK/(gcosb)(2)式中：b 山边坡角；g 岩体的重度；K 安全系数；P 内水压力；D 围岩覆盖厚度。(D为铅直或垂直边坡，见图1、图2)。隧洞围岩的间壁厚度平行的两条或数条隧洞，其间的净间距称为间壁厚度。水工隧洞的间壁厚度，应根据工程布置、地质条件、开挖方式、运行条件等因素综合考虑确定。在设计中通常考虑的有：(1) 间壁厚度尽可能不小于(23)

26、倍的开挖洞径(或洞宽)。(2) 以相邻两隧洞的破坏拱互不重叠为条件，见图3。C0³a1+a2+a式中：a1=B1/2+H1tg(45°j/2)a2=B2/2+H2tg(45°j/2)a 两个破坏拱之间保留的安全距离，对于岩石，取a=3m6m；j 岩石的内摩擦角。(3) 以间壁岩柱应力不超过该处岩石的允许应力为条件。其应力，可用弹塑性理论分析，用有限单元法计算，或作若干假设以经验对比估计。(4) 运行中，可能有一条隧洞放空，而邻洞有最大的内水压力，此时应充分估计岩壁的稳定性和渗水对抗力有所降低的影响。提示: 洞线方位与地质条件的关系是个重要的问题，选线时应注意以下几

27、点(1) 洞线方位与地质构造面的交角：洞线与岩层、构造断裂面及主要的软弱带应尽量具有较大的夹角。在整体块状结构的岩体中，洞轴线与地质构造面的夹角，一般不宜小于30°。这样布置，岩体发生塌方的机率较小。层状岩体是典型的正交异性岩体，我国在层状岩体中建造了不少水工隧洞，从实践经验得知：1) 岩层坚硬完整，层间联结紧密，洞线与岩层交角对围岩稳定无影响，即使两者交角很小，甚至近于平行，围岩仍处于稳定状态；2) 岩层虽坚硬，但断裂发育，结构面相互切割，围岩稳定状况主要受临空面切割体控制，与块体结构中的隧洞类同，即其交角不宜小于30°；3) 岩层层面联结疏松，围岩稳定性主要取决于洞线与

28、岩层交角的大小。洞线与岩层的交角越小，围岩稳定状态越差：当洞线平行岩层走向时，洞壁稳定状况最差。(2) 在层状岩层(特别是在结合疏松的岩层)中布设隧洞，要求洞线与岩层的交角大于45°，这种布置需要注意的是，洞线与岩层交角较大，进、出口洞脸有沿层面滑动的可能，应注意采取防护措施。(3) 在缓倾角的岩层中，洞线垂直于岩层走向时，倒壁稳定有保证，而洞顶可能发生楔形掉块；若洞线平行于岩层走向时，特别是在平卧的岩层中，洞顶岩层易变形松驰破坏。(4) 在高地应力地区，若地质构造复杂，则应综合考虑后，确定洞线方向。(5) 尽管抗抬理论用于确定围岩覆盖厚度存在着不少问题，但它却能给出一个比较完整的具

29、体指标，在隧洞设计使用中较为方便。目前，国内外仍在引用该理论确定围岩厚度。若取r为25000N/m3，则有D³K(0.4P)的关系。一般取K=12，这样当 K=1.0时， D³0.4P K=1.25时， D³0.5P K=1.50时， D³0.6P按最小覆盖厚度的要求，主要矛盾在洞口段、故涉及到明挖量大小、进洞工期和高边坡开挖。洞口段主要以成洞条件考虑，承受荷载和防渗主要靠加强支护或灌浆措施。按成洞条件进洞，可采用较小的岩体覆盖厚度，大大减少明挖量，提前进洞，避免高边坡开挖，具有显著的经济意义。4.3 隧洞断面尺寸选择形状与尺寸选择原则提示: 隧洞断面形

30、状选择应考虑的主要因素有：隧洞流态、流速、地质条件、地应力情况、围岩加固形式及施工方法等。应综合考虑，并通过技术经济比较确定。(1) 本隧洞为有压隧洞，承担内水压力。流速大小对断面形态有重要影响，流速控制流速水头损失，一般采用3m/s5m/s的流速。(2) 地质和地应力条件，主要涉及围岩稳定问题。地质条件差时，选用大断面，围岩稳定可能无保障，这时需要选用两条或两条以上小断面隧洞代替。在高地应力地区的隧洞，断面高宽比，应与地应力条件相适应。若水平地应力大于垂直地应力时，可采用高度小而宽度较大的断面；若垂直地应力大于水平地应力时，可采用高度大而宽度小的断面。(3) 从围岩受力条件考虑，曲线形边界受

31、力条件较好，直墙式受力条件较差。对施工而言，直墙、平底有利于开挖出渣和衬砌。应根据实际情况选择。横断面选择提示: 隧洞横断面形状宜选用圆形或马蹄形，在地质条件差时，更是如此。进出口和渐变段等洞段可采用方形或矩形。(1) 圆形断面多用于有压隧洞。它便于采用钻岩机开挖，加快施工进度；水力特性好，同样的断面，具有最大的过水能力；有内外压力作用下，受力条件最佳。其缺点是，弧形底板在钻爆法开挖中，交通运输不便；若保留底拱，以后进行二期开挖，则将延长工期；若先成型为平底，后改为圆形，则将增加开挖石方并加大回填混凝土。(2) 马蹄型断面适用于地质条件较差，且侧向压力较大的洞段，水力条件仅次于圆形断面。(3)

32、 围岩的稳定，是围岩应力重分布与围岩强度之间对比关系的反映，当围岩应力大于围岩的极限强度时，围岩就要破坏。为了保证围岩的稳定性，必须调整和控制围岩应力重分布与围岩强度之间的关系。但围岩的强度性能是客观存在的，难于对比调整，只能调整围岩的应力。而围岩应力主要取决于岩体地应力状态、隧洞的断面形状和尺寸，其中地应力又是客观存在的。因此，唯一可以调整的只是隧洞的断面形状和几何尺寸。故在特定的地应力场中，选择一个合理的断面型式，对于降低围岩应力集中，改变围岩受力条件，保证围岩稳定，具有重要的意义。这就是说，可以通过调整隧洞横断面的高宽比和型式来改善围岩的受力条件。如果用sH/sV=l(sH 水平地应力；

33、sV 垂直地应力)表示岩体中地应力比值系数，并根据l值的大小把地应力场划分为l=0、0<l<1和l>1三种类型。当隧洞轴线平行于两水平地应力轴线之一时，由理论计算、模型试验得知，如在l>1的地应力场中，即水平地应力大的地应力场中，各种形状断面的宽度可以选得大一些，而高度可以低一些。反之，在l=0的地应力场中，即垂直地应力大的地应力场中，宽度要尽量小一些，而高度要大一些。因此，在选择断面形状时，应注意与地应力场相适应的关系。隧洞横断面尺寸的经济比较隧洞横断面尺寸的确定，关系到隧洞的造价和工程效益，特别是长的水工隧洞，其投资往往占整个工程投资的比重很大。因此，对水工隧洞断面

34、的正确确定，具有很大的经济意义，必需进行动能经济分析来确定。根据工程的特点，要求用以下方法进行分析，然后确定：(1) 公式计算法包括经验公式、理论公式和经济流速计算法。提示: 理论公式在理论上比经验公式严密，考虑的因素多一些，一些中小型隧洞的断面采用理论公式计算。经验公式及经济流速法，主要用来估算隧洞断面尺寸的大致范围，以供拟定方案进行经济比较之用。但也有一部份隧洞，直接用公式确定断面。(2) 经济比较法计算途径主要有抵偿年限法、计算支出法，也可采用造价回收年限法。提示: 一些大型隧洞采用了此法。(3) 综合分析法主要根据各隧洞断面尺寸方案的经济、技术指标的优劣程度，进行综合分析而确定方案。具

35、体作法是由动能经济计算确定隧洞断面尺寸，在隧洞结构设计时，作为已知数。所用公式如下：1) 彭德舒公式(4)式中：D 隧洞直径；QM 隧洞最大引用流量；H 水电站设计水头。2) 经验公式(5)或D=Q0.38(6)式中：D 隧洞直径；QM 隧洞最大引用流量；H 水电站设计水头；Q 水电站设计流量。3) 理论计算公式(7)式中：D 隧洞直径；QM 隧洞最大引用流量；L 隧洞长度；n 隧洞糙率。4) 古宾公式(8)(9)式中：QM 隧洞最大引用流量；TYCK 利用小时数；a 电度电价或成本；n 隧洞糙率；a2P 岩石开挖单价；aobc 衬砌单价。4.4 隧洞纵坡设计隧洞纵坡设计中主要考虑以下因素：(

36、1) 隧洞进出口满足进出口水力学要求；(2) 隧洞纵坡应满足施工要求，底坡控制在 %以内，便于施工期和检修期排水及施工机械运行；(3) 隧洞纵坡不宜在隧洞中部向上凸，以免中部压坡线不满足要求；(4) 隧洞进口高程 m，出口(末端)高程 m。5 隧洞水力设计5.1 水力学计算原则及计算提示: 参见水利水电工程技术设计阶段引水式水电站水道水力学计算大纲范本。5.2 隧洞压坡线计算有压隧洞应绘制最高和最低压坡线，供确定隧洞各段的最大设计水压力和检验隧洞是否出现负压。提示: (1) 以隧洞进口上游最低运行水位算出之压坡线，若出现低于隧洞洞顶高程者，说明该段洞身将发生负压。通常不允许隧洞在负压下运行。为

37、安全计，规定最低压坡线应高于洞顶2m。通过计算，若最低压坡线低于规定时，可降低隧洞高程，或加大洞径，或收缩隧洞出口，或综合采取这些措施进行调整。需要指出的是，在长隧洞设计中，若水头损失计算参数取值不准，对压坡线计算影响较大，应予以注意。(2) 绘制压坡线时，选逐项求出局部水头损失hj，并逐段算出沿程水头损失hf值；然后以出口断面或调压井底部为基准面，从进口断面水流具有的总水头T0开始，由上游至下游逐项逐段将各损失水头累减，便得出各断面处的总水头；再用直线将各断面处的总水头相连，便得出总水头线；继而用各断面处的总水头减去该断面处的流速水头，便得出各断面处的测压管水头(z+p/r)；用直线将各断面

38、上的测压管水头连起来，便得出压坡线。5.3 隧洞的通气设计提示: 通气和通气设施是隧洞中不可缺少的重要组成部分。压力隧洞中，排水时需要补气，充水时需要排气。这里所谈的通气问题与掺气减蚀所谈的通气问题不同。目前，还无法对通气作出数字分析，只能根据试验和原形观测资料，由经验判断决定。一般常用的方法有：(1) 最大需气量计算 1) 我国一些明流隧洞的观测资料经验公式：Qa=(10%20%)Qw式中:Qa 隧洞中需要的气流量； QW 相应的需水流量。 2) 原水电部十一工程局推荐的公式：Qa=0.015(VwA)1.2式中：VW 最大工作水头下闸门全开时闸门孔口的平均流速； A 明流泄水隧洞的断面面积

39、。 3) DL/T 5039-95推荐公式：Qa=0.09VWA式中符号意义同前。(2) 建议的需气系数 1) 美国陆军工程师兵团建议数据：b=Qa/Qw=0.03(F-1)1.06式中：b 最大需气系数；F 佛劳德数，；V 闸门流速，V=2gH；h 闸门全开时其后的收缩断面水深；H 闸门孔口顶点至库水位的高差；g 重力加速度。2) 罗马尼亚韦斯乃尔(Wisner)建议的数据：b=0.024(F1)1.4式中符号意义同前。3) 韦斯乃尔对于闸门小开度时建议的公式：b=0.033(F1)1.6(3) 通气孔的风速在一般情况下，风速最好保持在20m/s40m/s左右，最大不宜超过60m/s(与溢洪

40、道规范一致)。另外，为了避免发生空蚀或振动，闸门后的压降不宜超过1.5m2.0m，或负压不低于1.5m2.0m。1) 前苏联规范规定风速不宜超过50m/s；2) 美国规定风速不超过45m/s；3) 我国一些工程的实测风速为10m/s30m/s，最大达80m/s。6 隧洞结构设计6.1 设计原则及假定提示: 隧洞的开挖，使得原始应力场重新分布，在孔口周边产生了应力集中。若围岩的强度足以承受集中后的应力，即使没有采取任何加固措施，开挖后的围岩也是稳定的；若围岩强度较低，就需要采取加固措施。对围岩的加固，一般应遵循下列原则和基本假定：(1) 一切加固围岩的工程措施，都是为了加固不良围岩、维持围岩稳定

41、；(2) 应当把所采取的工程措施(如支护、衬砌等)与围岩视为统一的复合体，即考虑支护和衬砌与围岩的共同作用；(3) 在支护、衬砌与围岩的复合体中，围岩应当是承受荷载(如内、外水压力等)的主体，因此，应最大限度的利用围岩，充分发挥围岩的作用；提示: 也有将围岩作为荷载，所有荷载全由衬砌承担；或将所有荷载由衬砌与围岩共同承担。(4) 为了节约投资，加快水工隧洞的建设速度，应当尽量地把加固围岩所采取的措施压缩到最小的限度以内，并充分发挥其作用；(5) 以充分考虑围岩承载能力的基础上，应因地制宜地采用相应的加固措施，以维持围岩的稳定性；(6) 考虑到水工隧洞的特点，加固措施还应满足水流摩阻小、水量渗漏

42、损失少的原则；衬砌采用混凝土或钢筋混凝土衬砌时，按限裂宽度为0.2mm进行限制；提示: 衬砌可考虑抗裂、限裂和允许开裂几种限制。(7) 内水外渗将危及围岩、山坡及临近建筑物的安全时，应结合岩体覆盖厚度、围岩条件，综合分析选用堵(如衬砌、灌浆)、截(如设置防渗帷幕)、排(如排水孔、排水廊道)等措施，以改善加固结构与围岩的工作条件；(8) 对于水工隧洞的设计，应当做到勘测、设计、施工及监测紧密结合。以上几点是相互联系、相互制约的，设计时要统一考虑，综合分析。6.2 加固及衬砌形式选择提示: 水工隧洞设计规范(SD13484)及有关地下工程的规范规定，将围岩分为稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定和极不

43、稳定五类。在各类围岩中详细地描述了该类围岩的岩体特征、结构面及其组合状态、地下水状态及毛洞自稳能力等。不论哪种分类，所依据的都是围岩的自然特征。一般，围岩的自然特征划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构及散体结构。根据围岩的特征及其隧洞的作用选用加固形式：(1) I、II类围岩提示: 围岩坚硬、完整、裂隙渗性小，洞内水流不致冲刷破坏岩石，内水压力小于围岩最小主应力，且内水外渗不致影响相邻建筑物的安全、围岩和山坡的稳定时，在满足运用要求和水力学条件下，通过技术、经济分析，可采用不衬砌隧洞。若遇局部不稳定岩体，则可针对局部采用喷锚混凝土加固当围岩由巨型块状组成，或为厚层状结构，表面抗风化能力、抗冲

44、刷能力较差，但在内水外渗时不致恶化岩石，在满足运用要求和水力学条件下通过技术、经济分析，可采用喷混凝土支护。对于局部不稳定岩块，应采用锚杆加固对这类围岩，主要是满足水力学要求减少糙率，防止岩石风蚀剥落。其厚度一般不需要计算，而是根据开挖后围岩的表面情况确定。(2) III类围岩提示: 对于整体性较差的围岩或洞段，宜采用系统锚杆加固。若表面裂隙发育，或具有碎块岩石，可采用挂钢丝网喷混凝土作一次支护，一般要再作二次支护。这类围岩稳定较差，其衬砌厚度均需经过计算确定。(3) IV、V类围岩提示: 这类围岩中微裂隙特多，地下水作用显著，而且地下水可能促使裂隙面所夹物质软化、泥化、崩解等，视其严重程度，

45、可分别在作好一次支护的情况下，再采用混凝土或钢筋混凝土衬砌作二次支护，必要时可采用复合式衬砌作二次支护。这种衬砌，当用薄钢板在洞内焊接时，外围混凝土的厚度至少为20cm30cm；当用厚钢板需要两面焊接时，外围混凝土至少厚40cm50cm。(4) 不良地质段提示: (1) 根据工程不良地质情况，考虑施工设备、手段，可采用预应力衬砌作为二次支护，必要时辅以一些特殊处理措施，如围岩加固措施。(2) 预应力方式：可采用纯混凝土的压浆式预应力衬砌，也可采用钢筋混凝土的拉筋式和钢式预应力衬砌。不论采用何种预应力方式，都是预先使衬砌产生环向压应力，以抵消大部分或一部分由内水压力产生的拉应力。如主要为解决外荷

46、载，则应以加固围岩为主。6.3 设计荷载确定及荷载组合设计荷载确定围岩压力在水工隧洞设计中有考虑两种情况，即：把围岩作为主要承载结构和将围岩当做荷载。(1) 对I、II、III类围岩，考虑把岩体作为主要承载结构，对开挖后的孔口周边应力进行分析，必要时进行加固处理，即： 对I、II类围岩，只考虑对局部围岩进行锚喷支护，可不计围岩的松动压力，但应注意研究围岩的地应力、岩爆等对二次支护的影响。 对II、III类围岩，未支护前，可按下式估算垂直围岩压力：q=(0.10.2)gB(10)式中：g 岩石重度，kN/m3；B 隧洞开挖宽度，m；q 垂直围岩松动压力，kN/m2。提示: 一般不计水平围岩压力。

47、如加强一次锚喷支护，也可少计或不计垂直围岩压力。(2) 对IV、V类围岩，则将围岩当做荷载，把支护或衬砌当做承载结构，可按松散介质平衡理论估算围岩松动压力，选择最不利荷载组合情况，并按下面公式进行综合分析计算，作为二次支护衬砌厚度决定和配筋的依据。 普氏理论法塌落拱高度：(11)顶拱为圆弧时的围岩垂直荷载：q=0.7×g×H(12)侧向围岩水平荷载：式中：H 围岩可能的塌落高度，m；B 洞室开挖宽度，m；h 洞室开挖高度，m；e1 洞顶部侧向围岩水平荷载，kN/m2；e2 洞底部侧向围岩水平荷载，kN/m2；f 围岩坚固系数；q 围岩垂直荷载，kN/m2；g 围岩重度，kN

48、/m3；fK 换算摩擦角(°)； 围岩压力系数法q=Sy×g×B(15)e=SX×g×h(16)式中：Sy 垂直向围岩压力系数；Sx 水平向围岩压力系数；h 洞室开挖高度，m；e 侧向围岩水平荷载，kN/m2；q 围岩垂直荷载，kN/m2；g 围岩重度，kN/m3；提示: 一般松散体的垂直向围岩压力系数Sy=0.30.5，水平向围岩压力系数Sx=0.05。 经验公式 太沙基岩石分类计算 弹性理论方法 按构造体实际形状计算提示: 围岩压力，可根据工程实际情况，选择计算方法。内水压力提示: (1) 水荷载是水工隧洞的主要荷载。对有压隧洞、内水压力等于水库水位