【某一水利枢纽的隧洞设计计算案例4000字】

某一水利枢纽的隧洞设计计算案例综述目录TOC\o"1-3"\h\u5259某一水利枢纽的隧洞设计计算案例综述 1197001.1隧洞布置 1186091.1.1隧洞断面形式 140301.1.2隧洞条数 1205321.1.3隧洞的布置 2165561.2隧洞尺寸设计 3168091.2.1初拟断面尺寸 3204061.2.2隧洞泄流能力计算 366461.2.3隧洞尺寸比选 7101601.3隧洞进出口设计 871661.1.1隧洞进口设计 8322091.1.2隧洞出口设计 957791.4隧洞衬砌及气蚀破坏防护措施 101.1隧洞布置1.1.1隧洞断面形式参照《水工隧洞设计规范》（SL279-2016），隧洞断面形式与尺寸要根据隧洞的工作状态进行选择，在隧洞导流时有明流、压力流两种流态。随着泄流流量的变化，隧洞明、压交替的状态不可避免。考虑到施工后期导流度汛的需求，本次设计按压力流进行设计，并选取圆形隧洞断面。为尽量避免明、压流交替的不利流态，且宋河枯水期流量较小，本次设计将进口高程设置在枯水位以下，并留出一定水头，进口高程在枯水位以下2m处。1.1.2隧洞条数根据1.4可知，坝区岩石质地坚硬，抗压强度较高，地质条件可以承受大断面隧洞的开挖，且根据目前施工机械的发展水平可以实现半径10m的隧洞开发，但最终选用单条隧洞还是双条隧洞布置，还需对隧洞进行挖方量计算进行比较。根据下文对隧洞断面的计算，最终选择半径10m的单条隧洞与半径7m的双条隧洞进行开挖方量比较，隧洞开挖方量通过隧洞面积乘以隧洞长度进行简化计算。由于坝址右岸存在一深槽，左岸稳定性较好，因此选取两条隧洞布置时，也要将两条隧洞同时设置在左岸，根据设计规范，两条隧洞在同一岸布置时，隧洞之间距离要大于等于三倍的洞宽ADDINNE.Ref.{60A1F25A-5259-4268-A49F-11653A32C9B6}[3]，即21m，本次初拟两隧洞布置时，隧洞间距离选取25m，两隧洞导流方案开挖方比较如下表1.1所示。表1.1隧洞开挖量计算表隧洞条数洞泾(m)单条隧洞面积(m2)隧洞总长度(m)开挖方总量(m3)110314.16565.94177795.2927151.941190.14183207.48根据上表所得，选择单条隧洞布置开挖方量较小，且可以通过单条隧洞周长乘以隧洞总长度的方式来粗算隧洞衬砌总面积，两种隧洞布置方案衬砌总面积如下表1.2计算所得。表1.2隧洞衬砌总面积计算表隧洞条数洞泾(m)单条隧洞周长(m2)隧洞总长度(m)隧洞衬砌总面积(m2)11062.83565.9435559.062741.981190.1452344.99单条隧洞布置衬砌长度明显小于双条隧洞布置的衬砌长度，综上所述，采用一条隧洞布置的导流方案。1.1.3隧洞的布置根据上节可知本次采取一条隧洞的布置方案，并将其布置在左岸。根据水工隧洞的设计规范，隧洞在平面布置时最好选用直线布置，有压隧洞在转弯时采取曲线布置，弯转半径应大于等于三倍洞宽，且不能出现超过60°的转角，转弯的前后段都应有直线部分与之相连，长度要超过五倍的洞宽。根据下文隧洞尺寸设计中可知，选取导流隧洞宽为20m。在本次设计中，弯曲半径选取为100m，转角为35°。隧洞的详细布置如下图1.1所示，隧洞全长为565.94m。图1.1廉江水利枢纽平面布置图1.2隧洞尺寸设计1.2.1初拟断面尺寸根据相关资料统计，导流隧洞的单位面积过水能力在6～20m/s之间，初步拟定洞内流速为18m3/(s·m2)，且由表1.3得，20年一遇频率洪水最大流量Q5%=5130m3/s，初步设计流态为有压流，并进行水力计算：（1.1）（1.2）通过公式1.2计算可得R=9.52m，考虑到隧洞施工和衬砌的需要，适当加大隧洞断面过流面积，因此将半径R取为10m。之后分别选取与初拟半径10m相近的两个备选方案8m和12m进行比选，共同进行水力计算。1.2.2隧洞泄流能力计算在本设计中，地质条件较好，但隧洞断面较大，为尽量减小糙率，初步选用隧洞水道表面为喷射混凝土。根据规范可知，水泥喷浆或者喷射混凝土，一般糙率为0.024～0.030ADDINNE.Ref.{86483B45-9E34-4416-935F-2343EFFAB8AB}[3]，本设计选取糙率n=0.025。当隧洞内全线充满水流时，隧洞为有压流状态，水力半径R=S/χ=10m，谢才系数：（1.3）临界流量的计算：半有压流的下泄流量Qpc可根据下式计算：（1.4）式中：τpc——半有压流的下限临界壅高比，本导流隧洞设计为圆形进口，并且拥有翼墙，因此τpc=1.10；μ——流量系数，由进口型式选定，根据《水利水电施工组织设计手册》（第一卷）中表2-5-32进行选择，取μ=0.670；ε——进口竖向抽缩系数，参照《水利水电施工组织设计手册》（第一卷）中表2-5-32进行选择，取ε=0.740；Ad——隧洞横断面面积，Ad=314.16m2；d——洞径，d=20m。通过计算可得Qpc=2500.45m3/s。上游临界壅高比τFc，也是有压流与半有压流的分界可通过下式计算：（1.5）式中：HFc——形成有压流时，隧洞进口底槛以上的水面深度；隧洞内水流工作状态会被坡度等因素影响，在近似计算时常采用经验值τFc=1.5ADDINNE.Ref.{33D19608-8094-4D72-AB0C-47299FBF9772}[1]进行计算，其临界流量可通过有压流公式近似计算如下所示：（1.6）式中：i——底坡坡度，i=2.5‰；L——隧洞全线长度，L=565.94mλ——沿程水头损失系数，由公式1.3可知C=58.71，根据公式进行计算可得λ=0.0227。∑ζ——为局部损失系数，参照《水利水电施工组织设计手册》（第一卷）中表2-5-20进行选取。在进水口，为减少局部水头损失可采用喇叭形进口，ζ1=0.1；在闸门槽处，ζ一般为0.05~0.20，本设计取ζ2=0.1；在出水口处，下游被挡水围堰截断，水流由隧洞直接汇入河中，可近似流入明渠进行计算，设计洪水位时隧洞内最大流速按16.5m/s进行计算，而宋河内最大流速为7m/s，经过下式计算可得，因此，∑ζ=0.1+0.1+0.33=0.53。η——有压流出口的水头比，可根据下表1.1进行选取，本工程中选取η=0.7。表1.1有压流出口η值泄流状态η大气射流0.50出口有顶托，侧墙不约束0.70出口有顶托，侧墙有约束0.85则由上式1.6计算可得：QFc=3935.50m3/s综上所述，当上游来水流量小于2500.45m3/s时，洞内流态为明流；当上游流量大于3935.50m3/s时，隧洞内为有压流；当上游流量在2500.45m3/s与3935.50m3/s之间时，隧洞内流态为半有压流。导流隧洞的自由泄流能力可以按照下式进行计算：（1.7）圆形断面临界水深按照王中正等ADDINNE.Ref.{E612CC07-6E51-4F61-B5CD-15F09DDA96A2}[4]的近似计算公式进行计算：（1.8）（1.9）式中：σ——淹没系数，本次设计取σ=1.0ADDINNE.Ref.{34A8905C-476D-44B0-A831-BF0AEE48A912}[3]；m——流量系数，一般为0.32~0.36，本设计中m取为0.34。——临界水深的平均过水宽度，可由圆形断面临界水深公式1.8、1.9，并进一步通过Excel进行试算可得。表1.2自由出流泄流能力计算表水位(m)上游水头H0(m)临界水深hk(m)平均过水宽度Bk(m)泄流流量q(m3/s)41821.406.9029.3742042.799.53114.7742264.1711.38251.7442485.5212.78435.39426106.8411.88660.64428128.1214.74922.41430149.3615.421215.594321610.5615.941535.184341811.7216.321876.284362012.8216.592234.08437.4521.4511.5916.732500.45当超过水位437.45m时，上游水头为21.45m，，与选用的1.1值误差较小，符合要求。此时隧洞内将由明流转变成半有压流，隧洞半有压流泄流能力可根据下式进行计算：（1.10）式中：μ——流量系数，由进口型式选定，根据《水利水电施工组织设计手册》（第一卷）中表2-5-32进行选择，取μ=0.670；ε——进口竖向抽缩系数，参照《水利水电施工组织设计手册》（第一卷）中表2-5-32进行选择，取ε=0.740。表1.2半有压泄流能力计算表水位(m)上游水头H0(m)泄流流量q(m3/s)438222635.72440242946.82442263228.08444283486.73446303727.47448323951.57448.6432.643935.50由于有压泄流能力要大于半有压流，因此当水头为32m时，根据半有压流公式计算出的泄流能力要小于根据有压流公式计算出的泄流量。此时，水头为1.6倍洞径，与所取经验值1.5相近，数据较为合理。根据表1.6的坝址水位流量表，当泄流流量达到半有压流下泄流量的最大值3935.50m3/s时，下游水位为425.43m，而隧洞出口洞顶高程为434.59m，大于下游水位，可近似按照自由出流条件下的有压流进行计算，计算公式如下：（1.11）表1.3有压泄流能力计算表水位(m)上游水头H0(m)泄流流量q(m3/s)448324167.30450344376.69452364576.50454384767.95456404952.00458425129.45458.1242.185130.00由计算所得，当泄流流量达到设计洪水量5130m3/s，上游水头为42.18m。初估围堰高度为上游水头再加0.5m的超高值，为42.68m。1.2.3隧洞尺寸比选（一）隧洞半径8m隧洞泄流能力计算与上文中隧洞半径为10m的隧洞相同，通过计算可得，隧洞半径为8m量Qpc=1431.34m³/s，QFc=2490.43m³/s。当上游来水流量能够达到设计洪水流量5130m³/s时，上游水头为86.48m，在这么高水头的工况下运行，洞内水流流速过快，对隧洞的稳定性不利，因此不采取该导流隧洞方案。（二）隧洞半径12m通过计算隧洞泄流能力可得，当隧洞半径为12m时半有压流下限流量Qpc=3944.32m³/s，半有压流上限流量QFc=5717.22m³/s。当上游来水量能够达到设计洪水流量5130m³/s时，仍然是半有压流流态，此时上游水头为26.61m。由于隧洞在最大洪水流量时仍然是半有压流流态，不利于隧洞的稳定，而且没有将隧洞的泄流能力全部利用。通过比较可以说明，隧洞半径为10m泄流能力已经能够满足要求，没有再开挖更大半径隧洞的必要，且根据设计规范可得，一般选用小隧洞高围堰更为经济。因此最终选择半径为10m的导流隧洞。1.3隧洞进出口设计1.1.1隧洞进口设计隧洞的进口建筑物主要有5种：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式、组合式等ADDINNE.Ref.{3C97981B-7594-4943-8987-CD6974FC8698}[5]，由1.4.1可知，坝区地处地震波及区，地震局基本烈度为7级。坝区春季多风，最大风速可达18m/s，不适合采用塔式进水口。该工程岩石地质条件比较坚硬，满足开挖竖井的条件，且竖井式进口结构简单、经济性较好。因此该工程采用竖井式进水口，并在竖井附近设置启闭闸门，便于后期隧洞的封堵。隧洞进口处设置一渐变段，长度为3倍洞宽左右，能够提高隧洞的进水能力，本次设计选用四分之一的椭圆线，如下式所示：（1.12）式中：a可表示为为椭圆的半长轴、b可表示为椭圆的半短轴。可根据下表1.1进行选取。表1.1椭圆长短轴比值推荐表a/h0.88~1.41.4~2.12.1~2.422.42~1.0a/b2.02.51.01.5本设计选取a/h=1.0，a/b=2.0，h=D=20m，a=20m，b为10m。隧洞进口由喇叭口段逐渐缩小为圆形，渐变段设计为1.5倍洞泾，即30m。隧洞喇叭形进口如下图1.1所示。图1.1隧洞喇叭口形状示意图图1.2闸后渐变段剖面示意图根据设计资料2