隧洞经济洞泾选择、水力计算及调洪演算计算书

1、1经济洞径的选择根据江坪河的实际地形条件为山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实，可采故采用隧洞导流，由于每条隧洞的泄流能力有限，加之隧洞的造价比较昂贵，而且根据当前的施工水平，每条隧洞的可宣泄量一般不超过20005000m3/s,根据确定的设计流量为5100m3/s,由于左、右两岸的地形条件基本相似，施工条件，水流条件基本无差别，故在左、右两岸各设一个导流隧洞。在进行经济洞径的比较时，按无压洞进行设计。运用如下公式：Q=卩A2gZQ：河道的下泄流量m3/s；卩：管道系统的流量系数，一般取值0.6-0.8,取0.7；A:遂洞的截面面积m2；Z：上下游水位差m由上面的公式可转化为：表1-1江

2、坪河坝址水位流量关系表Z(m)Q(m3/s)Z(m)Q(m3/s)Z(m)Q(m3/s)290.005.72300.002180310.008980290.5014.8300.502390310.509450291.0034.9301.002610311.009920291.5067.5301.502850311.5010400292.00121302.003100312.0010900292.50196302.503350312.5011400293.00278303.003620313.0011900293.50362303.503910313.5012400294.00449304.00

3、4200314.0012900294.50539304.504510295.00635305.004830295.50744305.505170296.00867306.005530296.50996306.505910297.001130307.006300297.501280307.506720298.001440308.007160298.501610308.507610299.001790309.008060299.501980309.508520注：水位为黄海基面。由下泄流量Q=5100m3/s查上表，得到相应的下游水位Z下=305.4m。已知上游水位及泄流量而流量系数未定，故需用试

4、算法求洞径。先设某一洞径，然后根据上述公式求上游水位，看是否满足已知水位，从而求得最适宜的洞径。又隧洞最大流速V255m2经估算得270m2、280m2、290m2X17和18X18现对三种假设进行试算：方案一：假定隧洞的洞径为17X17,对应下列三种洞径尺寸：17X17，18采用无压城门洞型，形式和尺寸如下:经几何关系计算得到隧洞的断面面积：A=264.75m2隧洞洞径不能太小，应校核平均流速V=Q/W20m/s,否则流速过高会使隧洞破坏。隧洞的面积校核：V=Q/W=5100/264.75=19.26m/s20m/s，所设计的隧洞尺寸符合要求。所使用的的公式如下：Q：河道的下泄流量m3/s；

5、卩：管道系统的流量系数，一般取值0.6-0.8,取0.7；A：遂洞的截面面积m2Z：上下游水位差m；由上面的公式可转化为：带入数据，计算得到Z=38.664坝顶的超高：d=R+e+AR：为波浪在坝坡上的设计爬高，m；e：为风浪引起的坝前水位壅高，m；A：为安全加高，m；安全加高可根据大坝的级别按下表采用。非常运行条件（a）使用于山区,丘陵区；非常运行条件（b）适用于平原区，滨海区。表1-2土石坝的安全加高坝的级别123,54正常运行1100.50.00.70.50非正常运行0000(a).70.50.40.30非正常运行1000(b).00.70.50.20根据江坪河工程围堰的级别为4级，山区

6、属于非常运行条件（a）,所以得安全加高为取0.30。由于R和e的计算公式很多，主要都是经验和半经验性的，适用于一定的具体条件，可按SL2742001碾压式土石坝设计规范推荐公式计算确定。对于中，小型土石坝，R+e的高度可按照坝前水库中风的吹程D做近视估计，参见下表。表1-3波浪爬高和风浪壅高（R+e）的近似估计值风在水库的波浪爬高和风在水库的波浪爬高和吹程D(Km)风浪壅咼R+e(m)吹程D(Km)风浪壅咼R+e(m)1.60.91.28.01.82.41.61.21.516.02.43.04.01.51.8D水库吹程，一般取上游水库最窄处河宽B的5倍，D=5B代入江坪河工程数据，由于Dvl.

7、6Km，故波浪爬高和风浪壅高(R+e)的近似估计值取值为1.2m。综上可得，上游水位Z=305.4+38.64=344.04m上安全加高为取0.30m。波浪爬高和风浪壅高(R+e)的近似估计值取值为1.2m。则上游围堰的高程：H=Z+h+d=305.4+34.4+1.2+0.3=345.54m下最终确定围堰的高为：H-Z=345.54-290=55.54m。河床下游围堰咼程：H=h+h+5=305.4+1.0+0.3=306.7m，下下wh波浪高度5围堰的安全超高。w根据H=H+Z求上游围堰高程，隧洞的长度可以从地形图中量得，即为上下1155m。下游围堰长度不变为124.5m。上游围堰长度根据

8、其高程不同而重新布置。由于下游围堰长度不变，则其体积不变，下游围堰的造价为一固定值，下面在考虑各方案造价时就不再计算。总费用=围堰费用+隧洞费用围堰费用二围堰单价X围堰体积隧洞费用二隧洞单价X隧洞体积进行围堰断面设计，尺寸和形式如图1-1所示：图1-1围堰断面尺寸隧洞长度经测量为1155m则隧洞的总开挖量：V二264.75X1155二305786.25m3；隧洞的造价为：VxC=305786.25x150=45867937.5元。上游围堰的体积开挖量V=LxLxH12=(15+181.62X/2(1496.05x35)=630782.3731m3围堰的造价为：VxC=630782.3731x4

9、5=28385206.79元。方案一的总造价为45867937.5+28385206.79=74253144.29元。方案二：假定隧洞的洞径为18X17，采用无压城门洞型，形式和尺寸如下:经几何关系计算得到隧洞的断面面积：A=278.81m2隧洞洞径不能太小，应校核平均流速V=Q/W20m/s,否则流速过高会使隧洞破坏。隧洞的面积校核：V=Q/W=5100/278.81=18.2920m/s,所设计的隧洞尺寸符合标准。利用方案一中的公式带入数据，计算得到Z=34.8m4综上可得，上游水位Z上=305.4+34.84=340.24m安全加高为取0.30m。波浪爬高和风浪壅高（R+e）的近似估计值

10、取值为1.2m。则上游围堰的高程：H=Z+h+d=305.4+34.84+1.2+0.3=341.74m下最终确定围堰的高为：H-Z=341.74-290=51.74m。河床计算隧洞的总开挖量：V二278.81x1155二322025.55m3；00隧洞的总造价为：VxC=322025.55x150=48303832.5元。围堰的体积开挖量V=LxLxH12=(15170.22x/2(1493.75x35)=548043.9851m3围堰的造价：VXC二548043.9851X45=24661979.33元。方案二的围堰与隧洞的总造价为=48303832.5+24661979.33=72965

11、811.83元。方案三：假定隧洞的洞径为18X18，采用无压城门洞型，形式和尺寸如下图所示。经几何关系计算得到隧洞的断面面积：A=296.81m2隧洞洞径不能太小，应校核平均流速V=Q/W20m/s,否则流速过高会使隧洞破坏。隧洞的面积校核：V=Q/W=5100/296.81=17.18m/s20m/s,所设计的隧洞尺寸符合标准。利用方案一中的公式带入数据，计算得到Z=30.7m4综上可得，上游水位Z=305.4+30.74=335.78m上安全加高为取0.30。波浪爬高和风浪壅高（R+e）的近似估计值取值为1.2m。则上游围堰的高程：H=Z+h+d=305.4+30.74+0.3+1.2=3

12、37.28m下最终确定围堰的高为：H-Z=337.28-290=47.28m。河床进行围堰断面设计，尺寸和形式如图1-3所示：计算隧洞的总开挖量：V=296.81x1155=342815.55m；隧洞的造价为：VxC=342815.5x150=51422332.5元。上游围堰的体积开挖量V=LxLxH12=(15141.6)l，为长洞；若洞长li，例如无压导流洞和泄水涵洞多采用陡坡)，泄流能k力不受洞长影响，按短洞工作考虑。所以得L二(512)x47.28=236.4567.36l二1155m，故而此导流洞为长k洞。隧洞上下游布置高程分别为292.00m、290.82m。底坡i=(292.00

13、-290.82)/1155=0.001隧洞面积A为296.81m2，隧洞长L为1155m,粗糙系数n选为0.015(此处为隧洞用水泥衬砌之后的粗糙系数)。底坡i二hL=(292-290.82)155二0.00107沁0.1%。对于长洞，一般要由下游向上游推算水面曲线，以求得进口断面处的水深Hc。当下游水深Hs低于出口断面的临界水深Hk时，则以出口断面的Hk为控制水深向上游推算b1型水面线；当Hs高于出口断面的Hk时，则在出口断面处以Hs为控制水深向上游推算。其中当HkHsH0Hk为a1型水面曲线。当求出Hc之后，以Hc/H0在水力计算手册中查出系数再用Q=bm方p2gH1.5计算。其中b过水断

14、面宽度Hk临界水深Wk相应于Hk时的过水断面积-淹没系数H0以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头m-流量系数这里取m=0.322.2泄流能力计算根据来水量的不同，隧洞泄流一般要经过无压流、半有压流及有压流等三个阶段。当H/ah呈缓流，进口堰流属于淹没宽顶堰流，由kQmbx：2gH1.5计算。当求流量Q时，由于要推算水面线，必须用试算法：先假设某一Q值，有相应的下游水位向上游推算Hc，继而查水力计算手册淹没系数表得到淹没系数b，最后得出Q，看该值是否与所设的Q值一致，如果一致，该值就是所求结果，如不一致，则要重新假设某一Q值，重复上述计算，直至求得结果为止。QK二Q/肩b2.67/nkh/bh

15、HH1.5Q105.393332.72442644.945573370.1051.892.575328241439195.486181.6203724.231706450.142.523.8877757597.665699864195.48299.349465.96194815.824193150.1953.515.16506934711.73854408299.34413.2713068.7448911.461790060.244.326.40406268216.20628086413.27534.8416913.125848.8565065760.254.57.6

16、0528641120.97361835534.84662.3920946.610997.1510952420.264.688.7708597325.97546006662.39794.7225131.253025.960355820.295.229.9032045431.16474829794.72930.9429438.907655.0882054450.315.5811.0047652236.50658191930.941070.3633847.755164.4254400180.335.9412.0777555341.973902731070.361212.4638341.351723.

17、9067795860.356.313.1243539347.54631911212.461356.8142906.099523.4911402310.386.8414.1463916653.206968651356.811429.7445212.348623.3130597010.488.6414.6488781256.066900571429.741444.3745674.989843.2795017740.498.8214.748639556.64061241444.371459.0346138.579753.246550090.4928.85614.8482681457.21550068

18、1459.031473.746602.485883.2142321890.4958.9114.9476312857.79078111473.7（2）半有压过流水流封闭进口，但洞内全为明流的隧洞，称为半有压流短洞；洞内只有部分明流的隧洞，称为半有压长洞。对于半有压过流，该阶段水流流态不稳定，计算上比较复杂，在此省略。（3）有压过流对于有压自由出流水力计算，按设计泄流量的最大值查下游水位流量关系曲线，得到下游水位304.16m,即下游水深为305.4-（292-1155x0.001）=14.555m小于洞高18m，说明下游水位无淹没出流的问题，故无需进行淹没出流计算。zHTH290.84X/i=0

19、l%292.0图2-1有压自由出流的计算公式：隧洞水力计算图图2-1隧洞水力计算简图Q=，Ag(H-hp)式中：流量系数卩=工E为总水头损失A湿周x=2h+b+弧长水力半径R=X谢齐系数C=-R6n平均单位势能h=卩a总水头工g=0.131+0.1632(彳)35(90)0.5=183.50.131+0.1632:150J(36190丿=0.0829湿周X=2h+b+弧口181=18+2xd8_)+-x2kx2逅3183=65.37m=10.88，=Pa=0.85x(18因水力半径r=X=鬻7=4.54，谢才系数C=nR6=ox4.546=85.79平均单位势能hp流量系数卩=0.75351=

20、1fCR?+0.0829+l5Sfl即得公式Q=0 x.x枣xH531-1)隧洞自由出流时流态演变过程如下：当1.2时，为无压流；a当1.2一1.5时，为有压流。a故产生有压流的洞前起始水头为：H二1.5a=1.5x12.8=19.2m即起始水位为：h=292+19.2=311.2m上因此可认为有压流的上游水位起始高程为311.2m。然后假设若干大于311.2m递增的水位，代入式（1-1）中，可得若干对应的流量值。以此求出有压流情况下上游水位与下泄流量的关系曲线Q二fG上）。上游水位与流量Q的关系图2-2泄流曲线图3调洪演算3.1上游土石围堰的设计对全年20年一遇洪水Q二5100m3/s，按典

21、型洪水过程线同倍比放大，进行水库调洪计算，以降低围堰高度。采用试算法计算，计算公式如下：AuAt11uuQq二2Q+)2S+式中Q、Q分别为计算时段初、末的入库流量，m3s12Q计算时段中的平均入库流量，msq、q分别为计算时段初、末的下泄流量，m3s12q计算时段中的平均下泄流量，m3sU、u分别为计算时段初、末水库的蓄水量，m312Au为U和u之差12At计算时段，一般取16小时，需化为秒数计算结果如表3-1：调洪计算列表试算法时段时段平均下泄平均时段内库水库存水库同倍比入库流量下泄存水量变水量水位入库放大流量m3/s流量化亿m3/s亿m3/sm流量流量m3/sm3/s时间m3/sm3/s

22、7.10.0120189.48189.4800.16536294.247.10.2390615.81402.65219.68204.580.014260.17962294.617.10.47601200.04907.93329.29274.490.045610.22523295.777.10.610801705.321452.68538.09433.690.073370.29860297.667.10.814302257.971981.65848.69693.390.092750.39135300.037.10.1017602779.042518.511204.201026.440.10743

23、0.49878302.427.107.10.1220603252.743015.891629.011416.600.115150.61393304.977.10.1423403694.863473.802099.521864.260.115890.72981307.557.10.1625804073.823884.342779.882439.700.104010.83383309.867.10.1828004421.24247.513380.143080.010.084060.91789311.817.10.2029904721.214571.213604.873492.500.077670.

24、99555313.627.10.2231204926.484823.853791.053697.960.081061.07662315.57.11.032005052.84989.643969.843880.450.079861.15648317.367.11.232305100.175076.494128.144048.990.073981.23046319.087.11.432005052.85076.494262.174195.160.063461.29392320.577.11.631204926.484989.644363.764312.970.048721.34264321.737

25、.117.11.829804705.424815.954426.814395.280.030291.37292322.457.11.1027804389.624547.524443.454435.130.008091.38102322.647.11.1225604042.244215.934411.924427.68-0.015251.36577322.287.11.1422903615.913829.084330.484371.20-0.039031.32674321.357.11.1619303047.473331.694190.324260.40-0.066871.25987319.76

26、7.11.1815802494.822771.153988.254089.28-0.094911.16496317.567.11.2012401957.962226.393725.193856.72-0.117381.04758314.837.11.229301468.471713.223364.753544.97-0.131890.91569311.767.11.06701057.931263.202515.152939.95-0.120730.794973097.11.2540852.66955.301984.072249.61-0.093190.70178306.937.11.44306

27、78.97765.821675.081829.57-0.076590.62519305.237.11.6380600.02639.501424.101549.59-0.065530.55966303.777.11.8350552.65576.341227.321325.71-0.053960.50571302.577.11.10330521.07536.861076.25251151.79-0.044270.46143301.597.11.12320505.28513.18954.319151015.29-0.036150.42528300.787.12面两图：调洪过程中的水位变化曲线0505

28、05050322110099333333322CCI二1.0二1.sTICCI二1.寸二1.0二1.寓01gi01理01CCI01.寸.01.001.时间T图3-1调蓄洪水过程曲线入库流量下泄流量ooOooOooO543oOoOoO216000CCI.U.寸LT0.CCI.U.寸LT0.9161OJT1.2CCI.CH.寸.CH.0.CH.O图3-2并且由表3-1可以知道q发生在7.11.8LI7.11.10之间，由于t要变化,max无法得出q发生的具体时间。故不能用半图解发法找出切点，采用内插法求解。max经过计算可以得到：q=4435.13m3/s=Q，Z=322.64m，V=1.381亿m3，max来maxmax发生在时段7月11日8时至10时之间。经过调洪演算，最终的上游水位为322.64m。坝顶的超