泄洪隧洞設計

/FJD32020FJD水利水電工程技術設計階段泄洪隧洞設計大綱范本水利水電勘測設計標準化信息網1999年3月

工程技術設計階段泄洪隧洞設計大綱主編單主編單位總工程師:參編單員:::勘測設計探討院年月

目次1.引言 42.設計依據文件和規(guī)范 43.基本資料 44設計原則和假定 6水力設計 7穩(wěn)定分析 12結構設計 13細部設計 14臨時及永久支護處理 14構造設計 15灌漿設計 15抗磨損、防空蝕設計 16消能防沖設計 16專題探討 16觀測設計 16工程量計算 17設計成果 17

1引言工程位于，是以為主，、、等綜合利用的水利水電樞紐工程。壩，最大壩高m。電站裝機容量MW，保證出力MW，年發(fā)電量104kW·h，總庫容億m3。本工程可行性探討報告于年月審查通過。選定壩址為。泄洪建筑物有、、。泄洪隧洞為。2設計依據文件和規(guī)范2.1有關工程文件（1）工程可行性探討報告；（2）工程可行性探討報告審批文件；（3）技術設計任務書；（4）工程可行性探討階段水工模型試驗報告；（5）可行性探討階段中間報告及審批文件；（6）有關專題報告。2.2主要設計規(guī)范（1）SD134—84水工隧洞設計規(guī)范（2）SDJ12—78及水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準（試行）及補充規(guī)定SDJ217—87（3）GB50201-94防洪標準（4）SDJ20—78水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范（5）SDJ10—78水工建筑物抗震設計規(guī)范（6）SL47—94水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規(guī)范（7）SL62—94水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范（8）SDJ57—85水利水電地下工程錨噴支護施工技術規(guī)范（9）SL46—94水工預應力錨固施工規(guī)范(10)GBJ86-85錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范(11)(88)水規(guī)設字水利水電工程設計工程量計算規(guī)定（試行）第8號3基本資料3.1工程等別及建筑物級別依據可行性探討成果，本工程為等工程，泄洪洞為級建筑物。3.2設計洪水標準（1）泄洪洞設計洪水重現期為a；（2）泄洪洞校核洪水重現期為a。3.3宣泄流量及相應上、下游水位（1）校核洪水位m，宣泄流量m3/s，相應下游水位m；（2）設計洪水位m，宣泄流量m3/s，相應下游水位m；（3）正常蓄水位m，相應下游水位m。3.4泄洪隧洞主要結構尺寸（1）泄洪隧洞全長m，其中引渠段m，限制段（含閘室、溢流堰和漸變段）m，隧洞段m，出口明渠m；（2）限制段閘門尺寸m，閘門底坎高程m；（3）進口底板高程m，隧洞凈寬m，凈高m，隧洞底坡i=；（4）進口頂板曲線，側墻曲線；（5）溢流堰型式。3.5地形、地質資料（1）工程地質和水文地質報告；（2）樞紐地形圖（1/1000～1/2000）；（3）壩址地質平面圖（1/1000～1/500）；（4）泄洪洞地質縱、橫剖面圖（1/1000～1/500）；（5）圍巖分類及物理力學特性，見表1表1圍巖分類及物理力學特性表洞段巖性圍巖分類容重kN/m3單位彈性抗力系數K0MPa/cm堅硬系數f彈性模量EGPa泊桑比μ抗剪斷強度滲透系數kcm/sf′c′MPa（6）沿泄洪洞軸線全部斷層、軟弱夾層及溶洞資料；（7）河床巖體抗沖流速m/s；（8）地震烈度度；（9）有關地應力資料。3.6水工建筑物設計資料（1）樞紐總平面布置圖；（2）可行性探討階段本工程有關的設計圖；（3）泄洪洞平面布置及縱、橫剖面圖。3.7水流泥沙資料（1）水容重kN/m3；（2）年均輸沙量萬t，含沙量kg/m3；（3）推移質含量%，懸移質含量%；（4）泥沙容重kN/m3，干容重kN/m3；（5）泥沙顆粒級配曲線；（6）礦物成分有、、。3.8水工模型試驗資料（1）樞紐整體水工模型試驗報告；（2）泄洪洞水工模型試驗報告。3.9閘門門槽、啟閉機布置和荷載資料（1）門槽尺寸；（2）啟閉機型式，重量t；（3）作用于閘門的總水推力t，夾角（°）；（4）閘門開啟時地腳螺栓受力分別為t、t、t、t。3.10建筑材料混凝土（1）混凝土標號C；（2）線膨脹系數℃-1；（3）容重kN/m3；（4）允許抗壓強度MPa；（5）允許抗拉強度MPa；（6）泊桑比；（7）彈性模量GPa；（8）抗?jié)B標號S（9）抗凍標號D；（10）抗磨損強度kg/(h·m3)；（11）抗空蝕強度h·m2/kg。鋼筋(1)鋼材品種；(2)彈性模量GPa；(3)抗拉強度MPa；(4)抗剪強度MPa。4設計原則和假定4.1設計原則(1)泄洪隧洞屬地下建筑物，設計前應深化現場踏勘，細致收集、分析探討有關水文、泥沙、地形、地質、施工條件等有關設計資料；(2)細致復核可行性探討階段的設計成果；(3)設計除執(zhí)行本《大綱》外，還應符合有關規(guī)范、標準的規(guī)定和要求；(4)充分考慮泄洪洞頻繁運行的特殊性和維護檢修的可能性；(5)隧洞襯砌按限制裂縫開展寬度設計，如滲水對環(huán)境和建筑物的平安無影響時可按開裂設計；(6)在樞紐布置時應按“一洞多用”原則，盡量利用臨時建筑物改建成泄洪洞；(7)高流速泄洪洞應通過水工模型試驗確定平面布置、豎曲線進出口體型、門槽型式等。4.2設計假定(1)泄洪隧洞斷面的結構計算一般按平面問題分析；(2)泄洪洞進、出口邊坡、底板基礎抗滑穩(wěn)定，按剛體極限平衡法接受抗剪或抗剪斷公式計算；(3)泄洪洞斷面設計按基本荷載組合限制，由特殊荷載組合復核；(4)泄洪洞進、出口一倍洞徑或洞寬的長度內結構計算不計圍巖的彈性抗力。5水力設計5.1泄洪洞泄量復核計算無壓明流隧洞泄量計算公式（1）非沉沒堰流：(1)（2）沉沒堰流：(2)式中：Q——流量，m3/s；σc——側收縮系數；σs——沉沒系數；m——流量系數；b——溢流面凈寬，m；H0——計入行進流速水頭的堰前水頭，m；g——重力加速度，m/s2有壓短管出口泄量計算公式(3)式中：μ——流量系數；A——限制斷面孔口面積，m2；hc0——閘門全開時的收縮斷面水深，m；其余符號同(1)式。有壓隧洞泄量計算公式（1）非沉沒出流：(4)（2）沉沒出流：(5)(6)當非沉沒出流時，ω/ωi=1式中：Z0——上、下游水位差(計入行進流速水頭的有效水頭)，m；μc——流量系數；ξi——某一局部能量損失系數；li——隧洞某一段長度，m；ω——隧洞出口斷面面積，m2；Ci——謝才系數；Ri——水力半徑；ωi——斷面面積；g——重力加速度。5.2沿程水面線計算進水口閘室段水面線計算無壓開敞式進水口需計算限制斷面（圖1和圖2的C-C斷面）水深hK：(7)式中：hk——限制斷面水深，m；q——計算斷面單寬流量，m3/(s·m)；H0——計算斷面渠底以上的總水頭，m；ψ——泄槽底板和水平面的夾角，（°）；φ——考慮了水頭損失的流速系數。提示：好用堰限制斷面為反弧末端處斷面；寬頂堰限制提示：好用堰限制斷面為反弧末端處斷面；寬頂堰限制斷面可近似為連接點以下3hk處斷面。（1）計算洞口斷面水深提示：依據提示：依據進口型式及進口段水面線計算結果確定。（2）洞身水面計算(圖3)，其公式如下：(8)式中：Esd——Δs流段末端的斷面比能，m；Esu——Δs流段始端的斷面比能，m；i——洞身材底坡；J——Δs流段的平均水力坡度。且(9)圖1J=(Ju+Jd)/2(10)(11)式中：h——斷面清水水深；α——流速系數；Ju——△s流段第一點的水力坡度；Jd——△s流段其次點的水力坡度；v——△s流段平均流速，m/s；C——謝才系數；R——水力半徑，m；g——重力加速度，m/s。收縮段水面線計算急流通過漸變的收縮段時沖擊波計算公式：(12)(13)(14)式中：θ——邊墻轉折角度；Fr——弗勞德數；β——波角；y——水流深度。提示：假如泄洪洞在平面上有彎道，應計算出邊墻收縮產生的沖擊波及彎道橫向水面高度。提示：假如泄洪洞在平面上有彎道，應計算出邊墻收縮產生的沖擊波及彎道橫向水面高度。(15)式中：hb——計入波動及摻氣的水深，m；h——不計入波動及摻氣的水深，m；v——不計入波動及摻氣的計算斷面上的平均流速，m/s；ξ——修正系數，一般為1.0～1.4，視流速和斷面收縮狀況而定，當流速大于20m/s時，宜接受較大值。沿程水面線計算成果表及沿程水面線（1）沿程水面線計算成果。表2沿程水面線計算成果統計表編號計算斷面（樁號）平均流速vm/s不計入摻氣及波動的水深hm計入摻氣及波動的水深hm（2）繪制沿程水面線。有壓泄洪隧洞需繪制沿程頂板水頭線（壓坡線）提示：（1）繪制壓坡線時，先算出局部水頭損失和沿程水頭損失，以出口斷面底板高程為基準面，從進口斷面起先繪制總水頭線，再用總水頭線減去流速水頭，便得壓坡線。(2)設計中嚴禁有壓流和無壓流交替出現的水力學現象。5.3提示：（1）繪制壓坡線時，先算出局部水頭損失和沿程水頭損失，以出口斷面底板高程為基準面，從進口斷面起先繪制總水頭線，再用總水頭線減去流速水頭，便得壓坡線。(2)設計中嚴禁有壓流和無壓流交替出現的水力學現象。挑流消能(圖4)圖4（1）挑流距離L計算L=χp+Lc(16)(17)(18)(19)式中：h、v——分別為鼻坎出口斷面的水深，m和流速，m/s；θ——水舌射出角；△s——鼻坎頂點至河床面的高差，m；g——重力加速度，m/s2；T——從下游水位起算的沖刷深度，m；β——水舌外緣和下游水面的夾角。（2）沖刷深度t計算(20)式中：t——沖刷坑深度，m；q——單寬流量，m3/s；Z——上、下游水位差，m；ht——下游水深，m；K——沖坑系數，堅硬完整的基巖，K=0.9～1.2.；堅硬但完整性較差的基巖，K=1.2～1.5；軟弱裂開、裂隙發(fā)育的基巖，K=1.5～2.0。提示：若出口接受新型的消能型式，挑距及沖坑應依據提示：若出口接受新型的消能型式，挑距及沖坑應依據水工模型試驗來確定。水流弗勞德數：（21）式中：v′、h′——躍前平均流速，m/s和水深，m；g——重力加速度，m/s2。（1）當Fr≥4.5，護坦上不設幫助消能工時，護坦消力池長度L為：L=b(h″-h′)(22)式中：h″——為躍后共軛水深，m。（2）當Fr＞4.5，消力池首斷面v′＜16m/s～18m/s時，護坦上可設挑流坎、消力墩及尾坎時：L=(2.3～2.8)h″(23)（3）當Fr＞4.5，v′＞16m/s～18m/s，護坦上可設挑流坎及尾坎，不設消力墩時：L=(3.2～4.3)h″(24)內部消能如受地形地質條件和樞紐布置的限制，泄洪洞不能接受挑流消能和底流消能型式，或將導流洞改建成泄洪洞時，則可接受內部消能方式。（1）渦漩式內部消能工：通過渦室、豎井、消力井聯合消能。（2）突擴式孔板洞型內消能工：通過單級或多級孔板洞塞消能。提示：內部消能型式，應用不多，缺乏閱歷，其結構型式和尺寸應通過試驗確定。5.4水流空化數σ提示：內部消能型式，應用不多，缺乏閱歷，其結構型式和尺寸應通過試驗確定。(25)式中：σ——空化數；Pt——水流靠近繞流體或建筑物構件處的時均確定壓強，MPa；Pv——水在相應溫度時的飽和蒸氣壓強，MPa；ρ——水的密度，kN/m3；g——重力加速度，m/s2；ht——特征壓強水頭，m，ht=Pt/γ；hv——飽和蒸汽壓強水頭m，hv=Pv/γ；γ——水的容重，kN/m3；ut——繞流體或建筑物構件旁邊具有代表性的時均特征流速，m/s。提示：設計時應使σ大于初生空化數σi提示：設計時應使σ大于初生空化數σi。各種體型不平整體的σi通過減壓箱試驗測定，當水流空化數σ小于0.3時，需設摻氣設施。提示：在混凝土溢流面需愛惜的范圍內，摻氣濃度不應小于3%，當水流空化數σ提示：在混凝土溢流面需愛惜的范圍內，摻氣濃度不應小于3%，當水流空化數σ<0.2的部位不應小于5%，按風速為60m/s～80m/s來確定摻氣設施尺寸。6.1進出口底板基礎穩(wěn)定分析提示：依據斷層、提示：依據斷層、軟弱夾層及可能產生滑動的斷面，進行抗滑穩(wěn)定驗算。K=(f1∑W+CA)/∑P(26)式中：K——抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定平安系數；f1——結構和基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數；C——結構和基巖接觸面的凝合力；∑W——作用于結構上的全部荷載對計算滑動面的法向重量；∑P——作用于結構上的全部荷載對計算滑動面的切向重量；A——結構和基巖接觸面的面積，m2。按抗剪強度公式驗算K=f2∑W/∑P(27)式中：K——按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定平安系數；f2——結構和基巖接觸面的抗剪摩擦系數；其余符號同前。提示：泄洪洞進、出口邊坡除按公式(26)和(27)進行抗滑穩(wěn)定驗算外，還應進行抗傾覆驗算，若為高邊坡應作特地的穩(wěn)定分析。邊坡穩(wěn)定分析應考慮施工期和運行期水庫放空時的最不利工況。6.2提示：泄洪洞進、出口邊坡除按公式(26)和(27)進行抗滑穩(wěn)定驗算外，還應進行抗傾覆驗算，若為高邊坡應作特地的穩(wěn)定分析。邊坡穩(wěn)定分析應考慮施工期和運行期水庫放空時的最不利工況。7結構設計7.1擬定結構斷面尺寸表3結構斷面尺寸表編號斷面樁號斷面尺寸部位襯砌厚度或斷面尺寸7.2荷載計算（1）內水壓力（即為設計水位時的動水壓力）提示：對一洞多用的泄洪隧洞，應進行必要的水工模型試驗，確定最低運行水位，并列入設計文件中。（2）外水壓力（或揚壓力）提示：對一洞多用的泄洪隧洞，應進行必要的水工模型試驗，確定最低運行水位，并列入設計文件中。提示：先繪制各種設計水位下考慮帷幕灌漿后的滲流曲線。若防滲帷幕穿過泄洪洞，應計算出各斷面相應的外水壓力。對無壓洞，頂拱又有足夠的排水孔，可不計外水壓力的作用。（3）山巖壓力提示：先繪制各種設計水位下考慮帷幕灌漿后的滲流曲線。若防滲帷幕穿過泄洪洞，應計算出各斷面相應的外水壓力。對無壓洞，頂拱又有足夠的排水孔，可不計外水壓力的作用。Ⅰ類圍巖：可不計圍巖的松動壓力。Ⅱ、Ⅲ類圍巖：q=（0.1～0.2）γB(28)式中：q——勻整分布的垂直圍巖松動壓力，kN/m2；γ——巖石容重，kN/m3；B——隧洞開挖寬度，m。Ⅳ、Ⅴ類圍巖：可按松動介質平衡理論估算圍巖壓力。（4）襯砌自重（5）灌漿壓力（6）泥沙壓力（7）冰壓力（8）地震荷載提示：除上述荷載外，若泄洪洞距拱壩較近，應計入拱端推力對襯砌的影響。若地應力較大，應計入地應力。7.3荷載組合提示：除上述荷載外，若泄洪洞距拱壩較近，應計入拱端推力對襯砌的影響。若地應力較大，應計入地應力?；竞奢d組合（1）設計洪水位狀況：襯砌自重＋設計洪水位時的內水壓力+山巖壓力+泥沙壓力+彈性抗力（2）正常蓄水位狀況：襯砌自重＋正常蓄水位時的外水壓力（或揚壓力）+山巖壓力+泥沙壓力+冰壓力+彈性抗力（3）運行檢修狀況：襯砌自重＋山巖壓力+外水壓力+泥沙壓力+冰壓力+彈性抗力特殊荷載組合（1）校核洪水位狀況：襯砌自重＋校核洪水位時的內水壓力+山巖壓力+泥沙壓力+冰壓力+彈性抗力（2）地震狀況：襯砌自重＋正常蓄水位時的內水壓力＋泥沙壓力+地震荷載+彈性抗力7.4結構計算提示：泄洪洞襯砌和進口閘墩、啟閉機排架等結構可接受結構力學方法或有限元方法進行計算。高薄閘墩應復核其結構穩(wěn)定和振動效應，消能工應計水流脈動壓力和沖擊力，必要時進行結構模型試驗，比較計算和試驗成果，按各部位均處于平安狀態(tài)確定結構型式和尺寸。計算時按進口段、提示：泄洪洞襯砌和進口閘墩、啟閉機排架等結構可接受結構力學方法或有限元方法進行計算。高薄閘墩應復核其結構穩(wěn)定和振動效應，消能工應計水流脈動壓力和沖擊力，必要時進行結構模型試驗，比較計算和試驗成果，按各部位均處于平安狀態(tài)確定結構型式和尺寸。計算時按進口段、限制段、洞身材、出口段分別考慮不同工況確定計算簡圖。各段依據不同計算方法計算出的最不利工況的內力或應力計算配筋量，成果如表4：表4配筋表編號計算斷面結構部位結構尺寸鋼筋配置提示：細部設計包括啟閉機排架基礎、工作橋、交通橋、門槽二期混凝土、支承結構、樓梯、爬梯、預埋件、欄桿照明、電氣設備和電纜的基礎、埋管，以及閘門和啟閉機運輸、安裝時對結構的特殊要求等，除對其進行結構布置外，應進行相應的結構計算。為了便于泄洪洞的檢查和修理提示：細部設計包括啟閉機排架基礎、工作橋、交通橋、門槽二期混凝土、支承結構、樓梯、爬梯、預埋件、欄桿照明、電氣設備和電纜的基礎、埋管，以及閘門和啟閉機運輸、安裝時對結構的特殊要求等，除對其進行結構布置外，應進行相應的結構計算。為了便于泄洪洞的檢查和修理，應在閘門后和出口消能工旁邊布置樓梯或爬梯、吊物孔等。9臨時及永久支護處理9.1進、出口提示：進、出口邊坡處理，應依據專題分析成果實行相應措施。如：卸荷、長、短錨桿、掛鋼筋網和噴混凝土相結合、灌漿、排水，必要時提示：進、出口邊坡處理，應依據專題分析成果實行相應措施。如：卸荷、長、短錨桿、掛鋼筋網和噴混凝土相結合、灌漿、排水，必要時接受預應力錨索加固。提示：(1)Ⅱ類圍巖按赤平投影法確定不穩(wěn)定體作局部錨固處理。(2)Ⅲ提示：(1)Ⅱ類圍巖按赤平投影法確定不穩(wěn)定體作局部錨固處理。(2)Ⅲ類圍巖可接受砂漿錨桿、鋼筋網、噴混凝土。(3)Ⅳ、Ⅴ類圍巖的支護措施應進行專題探討，包括對施工方法、程序等的改進。提示：泄洪洞洞內斷層、溶洞，應提示：泄洪洞洞內斷層、溶洞，應依據其發(fā)育規(guī)模、水文地質條件及對建筑物的影響等，實行相應措施；斷層中軟弱裂開帶和充填物可接受挖除回填、灌漿等處理措施；溶洞可接受開挖回填、防滲墻、抗滑樁等方法進行處理；對有巖溶水的溶洞，應實行妥當的疏流措施。10構造設計10.1結構分縫、分塊設計(1)泄洪隧洞洞身和進口段、出口消能工段，應設伸縮縫；洞身材地質條件有明顯變更處（如通過較大斷層、軟弱裂開帶等），應設伸縮縫；圍巖地質條件均一的洞身材，只設施工縫。(2)洞身材環(huán)向施工縫，底拱、邊墻和頂拱不得錯開；澆筑塊長度一般6m～12m。(3)無防滲要求的無壓洞襯砌，環(huán)向施工縫鋼筋可不穿過縫面，混凝土可不鑿毛處理。有壓洞和有防滲要求的無壓隧洞，襯砌的環(huán)向施工縫面必需鑿毛，鋼筋應穿過縫面，相鄰塊混凝土澆筑間歇期應在14天以上。(4)當先澆頂拱時，應做好反縫結構設計，使邊墻混凝土和頂拱混凝土緊密結合。10.2止水設計無防滲要求的無壓洞襯砌的環(huán)向施工縫可不設止水；對有防滲要求的無壓洞（水面線以下）和有壓隧洞，應設止水銅片或止水帶。10.3排水設計(1)泄洪洞進、出口邊坡應設置地表排水溝、渠，以解除地面水和岸坡滲水。(2)無壓洞水面線以上設排水孔，以解除山體水，減小外水壓力。(3)出口消能反弧段可設排水設施，解除泄流后反弧段積水，以利于檢查、修理的交通。11灌漿設計11.1回填灌漿設計隧洞襯砌結束后，在頂拱90°～120°范圍內進行回填灌漿，灌漿壓力一般為0.2MPa～0.5MPa，孔、排距4m～6m，以水泥砂漿或水灰比0.6～0.5漿液回填，粉煤灰摻量為水泥重的50%～100%。對有壓隧洞的回填灌漿，粉煤灰品質應達到一、二級標準。11.2固結灌漿設計(1)依據結構設計原則及對圍巖處理要求，確定固結灌漿洞段及參數，一般狀況下對圍巖地質條件差或有特殊要求的洞段，應進行固結灌漿。(2)洞身材需固結灌漿時，每排不少于6孔，對稱布置，排距2m～3m，壓力0.5MPa～1.0MPa。(3)進、出口部位一倍洞徑（或洞寬）范圍內，必需進行固結灌漿，孔、排距2m～3m，壓力0.5MPa～0.8MPa。(4)灌漿材料，宜接受一般硅酸鹽水泥，水灰比2：1～0.5：1。(5)灌漿質量檢查，接受聲波檢測（彈模、波速）和壓水相結合。12抗磨損、防空蝕設計提示：依據計算的水流空化數，結合模型試驗，確定抗磨損、防空蝕的具體提示：依據計算的水流空化數，結合模型試驗，確定抗磨損、防空蝕的具體措施：（1）使水流空化數σ大于初生空化數σI；（2）限制過流面的不平整度；（3）設置摻氣設施；（4）接受抗蝕耐磨材料。13.1設計標準消能防沖標準P=%，相應泄洪洞泄量Q=m3/s，相應下游水位m。提示：(1)泄洪洞出口消能，一般接受挑流型式，消能工常用挑流鼻坎（連續(xù)式、傾斜式、曲面貼角型式）。但是，這種消能方式，對下游河床有干脆沖刷、回流淘刷、波浪淘岸等破壞作用，應提示：(1)泄洪洞出口消能，一般接受挑流型式，