隧洞設(shè)計實例

1、隧洞設(shè)計實例一、隧洞的基本任務(wù)和基本數(shù)據(jù)1、隧洞的基本任務(wù)泄水隧洞的進(jìn)口全部淹沒在水下，進(jìn)口高程接近河床高程，其擔(dān)負(fù)的任務(wù)如下：(1) 預(yù)泄庫水，增大水庫的調(diào)蓄能力。(2) 放空水庫以便檢修。(3)排放泥沙，減小水庫淤積。(4) 施工導(dǎo)流。(5) 配合溢洪道渲泄洪水。2、設(shè)計基本數(shù)據(jù)(1) 洞壁糙率 泄洪洞采用鋼筋砼襯砌，n=0.0140.017，考慮到本隧洞施工質(zhì)量較好，故取較小值n=0.014。(2) 水利計算成果見表1。表1水 位(m)泄量(m3/s)死水位348正常水位360.52設(shè)計洪水位363.6290校核洪水位364.81110淤沙高程二、隧洞的工程布置1、洞型選擇由于段村壩址為

2、石英砂巖，地質(zhì)條件較好，所以采用圓形有壓隧洞，圓形斷面的水流條件和受力條件比較好，并且可以充分利用圍巖的彈性抗力，從而減小襯砌的工程量，降低施工的難度和造價。同時有壓隧洞水流較平順、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生不利流態(tài)。2、洞線位置洞軸線布置在右岸，這樣出口水流對段村無影響，進(jìn)口山勢較陡，進(jìn)流條件好，洞線為直線，較短，工程量小又利于泄洪。3、工程布置泄洪隧洞由進(jìn)口段、洞身段、出口段三部分組成。(1) 進(jìn)口型式 由于進(jìn)口部位山體巖石條件較好，故采用豎井式進(jìn)口，在巖體中開挖豎井，將閘門放在豎井底部，在井的頂部布置啟閉機(jī)及操作室、檢修平臺，豎井式進(jìn)口結(jié)構(gòu)簡單，不受風(fēng)浪影響，地震影響也較小，比較安全。(2) 進(jìn)口段

3、 包括進(jìn)口喇叭口段、閘室段、通氣孔、漸變段等。1) 進(jìn)口喇叭口段 為了與孔口的水流型態(tài)相適應(yīng)，使水流平順，避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞，同時盡量減少局部水頭損失，提高泄流能力，在隧洞進(jìn)口首部，其形狀應(yīng)與孔口銳緣出流流線相吻合，一般順?biāo)鞣较蜃龀扇蚴湛s的矩形斷面喇叭口形，其收縮曲線為1/4橢圖曲線，頂面橢圓方程為：，用下列坐標(biāo)繪制頂面曲線，見表1。表1x(m)01.01.52.02.53.03.5y(m)1.051.010.950.860.730.540 側(cè)面曲線方程為：，用下列坐標(biāo)繪制側(cè)面曲線，見表2。表2x(m)01.01.52.02.53.03.5y(m)0.700.670.630.57

4、0.490.3602) 進(jìn)口閘室段 閘孔尺寸為3.5×3.5m，閘室段長度參照工程經(jīng)驗取6.0m，在閘門上端設(shè)置操作室，后設(shè)工作橋與壩面相連，橋面高程為365.81m，與壩頂路面高程一致，在操作室與閘室之間設(shè)置檢修平臺，平臺高程在正常高水位360.52m以上，取361.50m。閘門用5.0×4.0m的平面鋼閘門，閘門槽寬度為1.0m，深度為75cm，由于高速水流通過平面閘門閘孔時，水流在門槽邊界突變，容易發(fā)生空化水流，致使門槽及附近的邊墻或底板發(fā)生空蝕。為此，將門槽的下游壁削去尖角，用半徑為R=10cm的圓弧代替，并做成1:12的斜坡，錯距采用8cm。3) 通氣孔 在閘室右

5、部設(shè)置通氣孔，其作用是在關(guān)閉檢修門，打開工作門放水時，向孔中充氣，使洞中水流順利排出；檢修完畢后，關(guān)閉工作門，向檢修閘門和工作閘門之間充水時，排出洞中空氣，使洞中充滿水。通氣孔的斷面積一般取泄水孔斷面積的0.5%1%，此泄水孔的斷面積為9.62m2，所以通氣孔取0.25×0.25m，通氣孔的進(jìn)口必須與閘門啟閉機(jī)室相分離，以免在充、排氣時影響工作人員的安全。4)漸變段 為使水流平順過渡，防止產(chǎn)生負(fù)壓和空蝕，設(shè)置漸變段，由于漸變段施工復(fù)雜，故不宜太長，但是為使水流過渡平順，又不能太短，一般用洞身直徑的23倍，取漸變段長度為8.0m。根據(jù)本隧洞的任務(wù)，其進(jìn)口高程應(yīng)設(shè)置得低一些，河床的平均高

6、程為340m，這樣既便于施工期導(dǎo)流，降低圍墻高程，又可在運用期泄水，力爭一洞多用，以求隧洞施工方便，運用安全，造價低廉。(3) 洞身段 考慮到所選洞線的地形、地質(zhì)情況，并運用情況，洞線長為230m，洞身段長198.5m，為了便于施工時出碴和檢修時排除積水，坡降i=1/500，順坡。初擬洞徑：按管流公式計算，公式為 ；式中 流量系數(shù)，=0.740.77 ，這里取0.74； w出口斷面面積(m2)；H0作用于隧洞的有效水頭；H0=庫水位一出口頂部高程。分別列表(3)計算設(shè)計及校核洪水位時所需的洞徑：表3H0(m)w(m2)Q(m3/s)D(m)設(shè)計洪水19.10.746.15902.8校核洪水20

7、.270.747.681103.1比較以上數(shù)據(jù)，考慮一定的安全儲備，洞徑選3.5m。(4) 出口段 包括出口漸變段、閘室段。1) 出口漸變段 有壓隧洞的出口都布置有工作閘門，故出口斷面也要做成矩形。因此在出口段也須做一漸變段。出口斷面積根據(jù)工程經(jīng)驗一般為洞身面積的70%85%，由于在出口水流由壓力流突然變?yōu)闊o壓流，引起出口附近壓力降低，容易在洞頂產(chǎn)生負(fù)壓，所以出口末端洞頂應(yīng)設(shè)置壓坡段，出口斷面取為3×2.5m，漸變段長度根據(jù)工程經(jīng)驗定為8.0m。2) 出口閘室段 在出口漸變段后設(shè)置工作閘門室。本隧洞工作門采用平面鋼閘門，尺寸為3.5×4.0m，閘室長度參照已建工程經(jīng)驗，定為

8、6.0m，在閘室上部設(shè)置操作室。采用矩形收縮形門槽。(5) 消能工及尾水渠布置 在出口之后設(shè)置消能工，使下泄水流消能后再泄入下游河道，從而減小下泄水流對河床的沖刷，由于隧洞出口處地質(zhì)條件較好，下游河道水位也較低，故采用挑流式消能，消能工后設(shè)尾水渠，渠底寬為15.0m，采用1/100的順坡，斷面形式也為梯形，開挖邊坡為1:1.5。三、水力計算1、過流能力校核因下游水位335.8m，低于隧洞出口高程341.54m，故隧洞為自由出流。(1) 校核洪水位時過流能力校核在校核洪水位時，洞前水深H=363.62-342=21.6m >1.5D=5.25 m，洞中水流按有壓流計算。有壓隧洞自由出流公式

9、為：式中：隧洞出面面積 ， =3×2.5=7.5m2； H0作用在隧洞上的有效水頭，因隧洞上游為水庫，故行近流速V00，則H0=363.62-341.54-3=19.08m。c流量系數(shù)，按下式計算， 式中：系數(shù)0.00384按下列方法求得：2gn2=2×9.8×0.0142=0.00384。首先確定各局部水頭損失系數(shù)i。1) 攔污柵 ；2) 進(jìn)口喇叭口段 2=0.1；3) 進(jìn)口閘門槽 對于平板閘門， 3=0.1；4) 進(jìn)口漸變段 由矩形變?yōu)閳A形，參考同類工程 4=0.09；5) 出口漸變段 由圓形變?yōu)榫匦?，參考同類工?5=0.02；6) 出口閘門槽 同3， 6=

10、0.1。列表計算見表1。表1位 置斷面XiLii攔污柵4.91×4.924.060.3580.035喇叭口3.5×3.512.250.10.029進(jìn)口閘室3.5×3.512.25140.8376.00.0280.10.038進(jìn)口漸變段D=3.59.620.090.033洞身段D=3.59.6210.950.842198.50.905出口漸變段3×2.57.50.020.002出口閘室段3×2.57.5110.6006.00.03840.10.10.5990.237流量系數(shù)則在設(shè)計洪水位時，隧洞泄量為： 隧洞泄量滿足要求(2) 在校核洪水位時過流

11、能力校核流量系數(shù)c、過水?dāng)嗝婷娣e保持不變，H0=364.81-341.54-3=20.27m>110m3/s隧洞泄量滿足要求綜上所述，所擬洞徑及各部分尺寸可以滿足泄流要求。2、繪制庫水位泄量關(guān)系曲線(圖1)(1) 有壓流狀況保證隧洞為有壓流的最小洞前水深為1.5D=1.5×3.5=5.25m。則保證隧洞為有壓流的最低庫水位為：1.5D+進(jìn)口洞底高程=5.25+342=347.25m。有壓隧洞的泄量按下式計算（H0H），在庫水位347.25m以上設(shè)一系列庫水位，計算相應(yīng)的洪量Q，計算成果列于下表(2)。表2水位(m)347.5350352.0354.0356.0258.0360.

12、0362.0364.0水頭(m)2.965.467.469.4611.4613.4615.4617.4619.46泄量(m3/s)42.2757.467.175.683.290.196.6102.7108.39圖1庫水位泄量關(guān)系曲線 (2) 無壓流狀態(tài)當(dāng)洞前水深小于1.1D（3.85）m時，洞中水流為無壓流，泄量的計算按寬頂堰情況處理，計算公式為：；式中：側(cè)收縮系數(shù)，按公式；m流量系數(shù)，其數(shù)值在0.320.385之間，對八字形進(jìn)口m=0.35，此處也近似取m=0.35；B堰寬(m)， B=3.5；H0洞前水頭(m)，H0H；泄量計算對應(yīng)的泄量列于下表3。表3水位(m)342343344345.

13、85泄量(m3/s)03.369.525.43、水庫放空時間計算為了達(dá)到人防和檢修水庫的目的，必須在一定的時間內(nèi)將庫水位由正常水位降至死水位。一般要求中小型水庫的放空時間小于1015天。根據(jù)庫水位 泄量關(guān)系曲線以及已知資料中的庫水位 庫容關(guān)系曲線查出泄量進(jìn)行計算。計算結(jié)果見下表4。表4庫水位(m)庫容(萬m3)區(qū)間庫容(萬m3)泄量(m3/s)平均泄量(m3/s)時間360.521413.0797.5520.0192.356339357.0893.0687.1323.6381.3539782254.0569.4375.6231.4769.133498351.0537.9662.6167.035

14、5.6530014348.0170.9348.7159633水庫放空時間為：t=159633/86400=1.85天故水庫的放空時間滿足要求。4、繪制總水頭線和測壓管水頭線繪制測壓管水頭線的目的在于保證隧洞在運用過程中洞內(nèi)始終有一定正壓力，避免產(chǎn)生空蝕，并為襯砌設(shè)計提供依據(jù)。按隧洞通過設(shè)計流量107.3m3/s來計算各段的流速水頭和水頭損失，其中沿程水頭損失；局部水頭損失。計算成果列于下表5。表5位 置i(m2)vi(m/s)(m)Hfi(m)ihji(m)攔污柵24.064.50.10.3580.036喇叭口12.258.84.00.10.40進(jìn)口閘室12.258.84.00.0280.11

15、0.10.40漸變段9.6211.26.40.090.58洞身段9.6211.26.40.9055.79出口漸變段7.514.310.40.020.21出口閘室段7.514.310.40.03840.40.11.06.32.63 計算成果核算： 計算的H與隧洞通過設(shè)計流量時的水頭較接近，計算結(jié)果基本正確。按上表繪出隧洞總水頭線及測壓管水頭線（略）。5、消能計算(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，其布置情況如下：在隧洞出口設(shè)寬為2.5m的出流平臺,平臺長6.0m，高程341.54m。接著為斜坡擴(kuò)散段，坡度為1/40，擴(kuò)散角為7°，長度為36.0m，擴(kuò)散段末端為挑流

16、鼻坎，其挑角=25°，坎高P=0.8m，則挑坎圓弧半徑，圓弧段水平投影長度a為：a=Rsin=8.54×sin25°=3.6m。從平臺末端到鼻坎末端共長40m，鼻坎寬B為：B=2.5+2×tg7°=12.3m。圓弧底部高程為：341.54-36×1/40=340.64m。挑坎頂部高程為：340.64+0.8=341.44m。 (2) 計算坎上水深h0及流速v0：由洞口到挑坎分兩段推算水面曲線：1)平臺段以平臺為基準(zhǔn)線，列能量方程如下：在校核洪水位時，h1=3.0m， v1=14.75m/s，用試算法求h2及v2.設(shè)h2=3.04m,查

17、中小型水庫設(shè)計，表14.6得 （n=0.014）將已知各值代入平衡方程，則左、右兩端基本相等，故認(rèn)為平臺末端水深為3.04m，流速為14.55m/s是正確的。2) 從平臺末端到圓弧段末長度為40.0m，以高程340.64m為基線，列能量方程，利用同樣的方法，經(jīng)試算得：坎上水深h0=0.61m，流速v0=14.74m/s(3) 下游尾水深的確定尾水渠在巖體中開挖，不作襯砌，糙率為0.025。尾水深t的計算，可近似按明渠均勻流公式。公式為：。式中：過水?dāng)嗝婷娣e(m2)C謝才系數(shù)， ；R水力半徑， (m)；i 渠底坡降， i=1/100；用試算法：假設(shè)t=1.42m即此時的流量與校核流量大致相等，故

18、認(rèn)為下游尾水深t=1.42m正確。(4) 計算沖坑中心到挑坎的距離L已知v0=14.74m/s，h0=0.61m，t=1.42m，st=341.44-339.5-1.42=0.52m，=25°，sin25°=0.423， cos25°=0.906，(5) 估算沖坑深度d用公式t0=Kq1/2H01/4，求解t0。式中：K經(jīng)驗系數(shù)K=1.25；q壩上單寬流量， ； ； H壩頂水位與下游水位高程差(m)； H=341.44+0.61+（339.5+1.42）=1.13m 將以上數(shù)據(jù)代入上式則： 沖坑深度d=t0-t=7-1.42=5.58m結(jié)論分析： i=5.58/2

19、0.87=0.27,許可的最大臨界后坡ic=，由于本隧洞的尾部巖石條件較好，認(rèn)為沖坑不會危及消能工的安全。四、隧洞的襯壩設(shè)計1、襯砌的類型選擇由于本隧洞內(nèi)水壓力較大，故采用雙筋砼襯砌。材料的物理力學(xué)指標(biāo)如下：級鋼筋：C20砼：巖石：按級建筑物查規(guī)范，在正常情況下，安全系數(shù)為1.8；檢修情況下安全系數(shù)為1.6。2、計算斷面的選擇在實際工程中，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的目的，在不同段，一般采用不同的襯砌形式，且用分縫相結(jié)合，故在不同段要分別取斷面進(jìn)行襯砌計算，本次設(shè)計只取洞身進(jìn)口斷面進(jìn)行計算，其它斷面的襯砌按已建工程擬定。3、擬定襯砌厚度采用式（4-10）,式中：;h=2.2MPa； h砼允許拉應(yīng)力(M

20、Pa)； P均勻內(nèi)水壓力(kPa)； H高出襯砌內(nèi)壁頂點的內(nèi)水壓力水頭(m)；從繪制的水頭線查得 P=A彈性特征系數(shù)，按下式計算。 =0.927 按構(gòu)造要求，襯砌厚度一般不小于30cm，所以只能按構(gòu)造要求取襯砌厚度h=30cm，則襯砌外半徑205cm，平均半徑r=190cm。4、計算各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力(1) 山巖壓力：巖石的堅固性系數(shù)f=7>2，可不計水平山巖壓力，只計算垂直山巖壓力。1) 不考慮外水壓力時：巖石重度25KN/m3。 巖石壓力拱高h(yuǎn)為：； 重直山巖壓力強(qiáng)度q為：q=h=25×0.29=7.25KN/m；由山巖壓力產(chǎn)生的M和N采用公式（4-14）：M =28.2(

21、0.921A+B+26.43C)，N=14.9(0.921D+E+26.43F)系數(shù)A、B、C、D、E、F由表查得，M、N計算結(jié)果如下表1。表1斷面ABCDEFM(10KN.m)N(10KN)0°016280.0872-0.0070.2122-0.21220.0210.1475.7690°-0.125-0.1250.008250.0001.000.00575-0.06233.09180°0.08720.1628-0.00837-0.21220.71220.02240.06171.652) 考慮外水壓力，巖石重度=16KN/m3。垂直山巖壓力強(qiáng)度q=h=4.64KN

22、/m計算公式與上同，其它量不變，則M =18.07(0.921A+B+26.43C)，N =9.512(0.921A+B+26.43C)M、N計算結(jié)果如表2。表2斷面ABCDEFM(10KN.m)N(10KN)0°016280.0872-0.0070.2122-0.21220.0210.09423.677190°-0.125-0.1250.008250.0001.000.00575-0.03991.9726180°0.08720.1628-0.00837-0.21220.71220.02240.03951.0533 (2) 襯砌自重產(chǎn)生的彎矩和軸向力采用式 4-1

23、5，得M=22.2(A1+13.76B1)，N=11.69(C1+13.76D1)系數(shù)A1、B1、C1、D1由表查得，M、N計算結(jié)果如下表3。表3斷面A1B1C1D1M(10KN.m)N(10KN)0°0.3447-0.02198-0.16670.065920.09390.865190°-0.39280.025891.57080.01804-0.08132.1255180°0.4405-0.02601.73750.07010.17763.1574(3)內(nèi)水壓力產(chǎn)生的彎矩和軸向力1) 均勻內(nèi)水壓力：已知洞軸線的內(nèi)水壓力水頭H=12.8m，隧洞半徑i=1.75m則均勻

24、內(nèi)水壓力水頭H1=12.8-1.75=11.05m，強(qiáng)度為 由于均勻內(nèi)水壓力產(chǎn)生的彎矩很小，只考慮軸向力。砼的平均應(yīng)力為：N=-bh=-519×1.0×0.3=-155.77KN(拉)2) 不均勻內(nèi)水壓力產(chǎn)生的彎矩和軸向力采用公式（4-16），得M= 58.19(A2+13.76B2)，N= 30.625(C2+13.76D2)，系數(shù)A2、B2、C2、D2由表查出，M、N計算結(jié)果如下表4。表4斷面A2B2C2D2M(10KN.m)N(10KN)0°0.1724-0.01097-0.58340.03290.1248-0.400390°-0.19640.01

25、294-0.21460.009-0.1068-02780180°0.2203-0.01312-0.63130.0350.2314-0.4585(4)外水壓力產(chǎn)生的彎矩和軸向力1) 均勻外水壓力：已知洞身計算斷面的均勻外水壓力水頭hw=16.34-2.05=14.29m，產(chǎn)生的軸向力由下式計算。2) 在不均勻外水壓力作用下，當(dāng)時，不考慮彈性抗力的作用，則M=49.8A6，N=42.025C7+282.9。系數(shù)A6、C7、由表查出，M、N計算結(jié)果如下表5。 表5斷面A6M(10KN.m)C7N(10KN)0°0.13661.09071.535.5990°-0.1488

26、-1.18811.785436.79180°0.13661.09071.535.595、荷載組合隧洞襯砌的設(shè)計，荷載組合既要考慮不利條件，又要考慮可能性，為保證安全，應(yīng)按最不利荷載組合計算，對中小型水庫隧洞直徑較小時，按以下兩種情況組合計算：1) 正常情況：山巖壓力+襯砌自重+設(shè)計洪水時內(nèi)水壓力。2) 檢修情況：山巖壓力+襯砌自重+外水壓力第一種情況組合見表6,7表6 彎矩表（10KN.m）斷面山巖壓力自重不均勻內(nèi)水壓力M0°0.1470.09390.12480.365790°-0.0623-0.0813-0.1068-0.2504180°0.06170

27、.17760.23140.4707表7 軸向力表（10KN）斷面山巖壓力自重均勻內(nèi)水壓力不均勻內(nèi)水壓力N0°5.760.8651-15.57-0.4003-9.345290°3.092.1255-15.57-0.2780-10.6325180°1.653.1574-15.57-0.4585-11.2211第二種情況組合見表8,9表8 彎矩表（10KN.m）斷面山巖壓力自重不均勻內(nèi)水壓力M0°0.09420.09391.09071.278890°-0.0399-0.0813-1.1881-1.3093180°0.03950.17761.09071.3078表9 軸向力表（10KN）斷面山巖壓力自重均勻內(nèi)水壓力不均勻內(nèi)水壓力N0°3.67710.865135.5929.2969.4290°1.97262.125536.7929