泄洪隧洞设计大纲范本.doc

FJD32020 FJD 水利水电工程 技术设计阶段 泄洪隧洞设计大纲范本  水利水电勘测设计标准化信息网 1999年3月  工程 技术设计阶段 泄洪隧洞设计大纲 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 4 2. 设计依据文件和规范 4 3. 基本资料 4 4 设计原则与假定 6 水力设计 7 稳定分析 12 结构设计 13 细部设计 14 临时及永久支护处理 14 构造设计 15 灌浆设计 15 抗磨损、防空蚀设计 16 消能防冲设计 16 专题研究 16 观测设计 16 工程量计算 17 设计成果 17  1 引 言 工程位于 ，是以 为主， 、 、 等综合利用的水利水电枢纽工程。 坝，最大坝高 m。电站装机容量 MW，保证出力 MW，年发电量 104 kW·h，总库容 亿m3。 本工程可行性研究报告于 年 月审查通过。选定坝址为 。泄洪建筑物有 、 、 。泄洪隧洞为。 2 设计依据文件和规范 2.1 有关工程文件 （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）技术设计任务书； （4） 工程可行性研究阶段水工模型试验报告； （5） 可行性研究阶段中间报告及审批文件； （6）有关专题报告。 2.2 主要设计规范 （1）SD 134—84 水工隧洞设计规范 （2）SDJ 12—78 及 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（试行）及补充规定 SDJ 217—87 （3）GB 50201-94 防洪标准 （4）SDJ 20—78 水工钢筋混凝土结构设计规范 （5）SDJ 10—78 水工建筑物抗震设计规范 （6）SL 47—94 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范 （7）SL 62—94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 （8）SDJ 57—85 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范 （9）SL 46—94 水工预应力锚固施工规范 (10)GBJ 86-85 锚杆喷射混凝土支护技术规范 (11)(88)水规设字 水利水电工程设计工程量计算规定（试行） 第8号 3 基本资料 3.1 工程等别及建筑物级别 根据可行性研究成果，本工程为 等工程，泄洪洞为 级建筑物。 3.2 设计洪水标准 （1） 泄洪洞设计洪水重现期为 a； （2） 泄洪洞校核洪水重现期为 a。 3.3 宣泄流量及相应上、下游水位 （1）校核洪水位 m，宣泄流量 m3/s，相应下游水位 m； （2）设计洪水位 m，宣泄流量 m3/s，相应下游水位 m； （3）正常蓄水位 m，相应下游水位 m。 3.4 泄洪隧洞主要结构尺寸 （1）泄洪隧洞全长 m，其中引渠段 m，控制段（含闸室、溢流堰和渐变段） m，隧洞段 m，出口明渠 m； （2）控制段闸门尺寸 m，闸门底坎高程 m； （3）进口底板高程 m，隧洞净宽 m，净高 m，隧洞底坡i= ； （4）进口顶板曲线 ，侧墙曲线 ； （5）溢流堰型式 。 3.5 地形、地质资料 （1）工程地质和水文地质报告； （2）枢纽地形图（1/1000～1/2000）； （3）坝址地质平面图（1/1000～1/500）； （4）泄洪洞地质纵、横剖面图（1/1000～1/500）； （5）围岩分类及物理力学特性，见表1 表1 围岩分类及物理力学特性表 洞段 岩性 围岩分类 容重 kN/m3 单位弹性 抗力系数K0 MPa/cm 坚硬系数 f 弹性模量 E GPa 泊桑比μ 抗剪断强度 渗透系数k cm/s f′ c′ MPa （6）沿泄洪洞轴线所有断层、软弱夹层及溶洞资料； （7）河床岩体抗冲流速 m/s； （8）地震烈度 度； （9）有关地应力资料。 3.6 水工建筑物设计资料 （1）枢纽总平面布置图； （2）可行性研究阶段本工程有关的设计图； （3）泄洪洞平面布置及纵、横剖面图。 3.7 水流泥沙资料 （1）水容重 kN/m3； （2）年均输沙量 万t，含沙量 kg/m3； （3）推移质含量 %，悬移质含量 %； （4）泥沙容重 kN/m3，干容重 kN/m3； （5）泥沙颗粒级配曲线； （6）矿物成分有 、 、 。 3.8 水工模型试验资料 （1）枢纽整体水工模型试验报告； （2）泄洪洞水工模型试验报告。 3.9 闸门门槽、启闭机布置与荷载资料 （1）门槽尺寸 ； （2）启闭机型式 ，重量 t； （3）作用于闸门的总水推力 t，夹角 （°）； （4）闸门开启时地脚螺栓受力分别为 t、 t、 t、 t。 3.10 建筑材料 3.10.1 混凝土 （1）混凝土标号C ； （2）线膨胀系数 ℃-1； （3）容重 kN/m3； （4）允许抗压强度 MPa； （5）允许抗拉强度 MPa； （6）泊桑比 ； （7）弹性模量 GPa； （8）抗渗标号S  （9）抗冻标号D ； （10）抗磨损强度 kg/ (h·m3)； （11）抗空蚀强度 h·m2/kg。 3.10.2 钢筋 (1)钢材品种 ； (2)弹性模量 GPa； (3)抗拉强度 MPa； (4)抗剪强度 MPa。 4 设计原则与假定 4.1 设计原则 (1)泄洪隧洞属地下建筑物，设计前应深入现场踏勘，认真收集、分析研究有关水文、泥沙、地形、地质、施工条件等有关设计资料； (2)认真复核可行性研究阶段的设计成果； (3)设计除执行本《大纲》外，还应符合有关规范、标准的规定和要求； (4)充分考虑泄洪洞频繁运行的特殊性与维护检修的可能性； (5)隧洞衬砌按限制裂缝开展宽度设计，如渗水对环境和建筑物的安全无影响时可按开裂设计； (6)在枢纽布置时应按“一洞多用”原则，尽量利用临时建筑物改建成泄洪洞； (7)高流速泄洪洞应通过水工模型试验确定平面布置、竖曲线进出口体型、门槽型式等。 4.2 设计假定 (1)泄洪隧洞断面的结构计算一般按平面问题分析； (2)泄洪洞进、出口边坡、底板基础抗滑稳定，按刚体极限平衡法采用抗剪或抗剪断公式计算； (3)泄洪洞断面设计按基本荷载组合控制，由特殊荷载组合复核； (4)泄洪洞进、出口一倍洞径或洞宽的长度内结构计算不计围岩的弹性抗力。 5 水力设计 5.1 泄洪洞泄量复核计算 5.1.1 无压明流隧洞泄量计算公式 （1）非淹没堰流： (1) （2）淹没堰流： (2) 式中： Q——流量，m3/s； σc——侧收缩系数； σs——淹没系数； m——流量系数； b——溢流面净宽，m； H0——计入行进流速水头的堰前水头，m； g——重力加速度，m/s2 5.1.2 有压短管出口泄量计算公式 (3) 式中： μ——流量系数； A——控制断面孔口面积，m2； hc0——闸门全开时的收缩断面水深，m；  其余符号同(1)式。 5.1.3 有压隧洞泄量计算公式 （1）非淹没出流： (4) （2）淹没出流： (5)  (6) 当非淹没出流时，ω/ωi=1 式中： Z0——上、下游水位差(计入行进流速水头的有效水头)，m； μc——流量系数； ξi——某一局部能量损失系数； li——隧洞某一段长度，m； ω——隧洞出口断面面积，m2； Ci——谢才系数； Ri——水力半径； ωi——断面面积； g——重力加速度。 5.2 沿程水面线计算 5.2.1 进水口闸室段水面线计算 无压开敞式进水口需计算控制断面（图1和图2的C-C断面）水深hK： (7) 式中： hk——控制断面水深，m； q——计算断面单宽流量，m3/(s·m)； H0——计算断面渠底以上的总水头，m； ψ——泄槽底板与水平面的夹角，（°）； φ——考虑了水头损失的流速系数。 5.2.2 无压、有压短进口隧洞洞身段水面线计算 （1）计算洞口断面水深  （2）洞身水面计算(图3)，其公式如下： (8) 式中：Esd——Δs流段末端的断面比能，m； Esu——Δs流段始端的断面比能，m； i——洞身段底坡；  J——Δs流段的平均水力坡度。 且 (9) 图1 J=(Ju+Jd)/2 (10)  (11) 式中：h——断面清水水深； α——流速系数； Ju——△s流段第一点的水力坡度； Jd——△s流段第二点的水力坡度； v——△s流段平均流速，m/s； C——谢才系数； R——水力半径，m；  g——重力加速度，m/s。 5.2.3 收缩段水面线计算 急流通过渐变的收缩段时冲击波计算公式：  (12)  (13)  (14) 式中：θ——边墙转折角度； Fr——弗劳德数； β——波角； y——水流深度。 5.2.4 无压隧洞掺气水深计算 (15) 式中：hb——计入波动及掺气的水深，m； h——不计入波动及掺气的水深，m； v——不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s； ξ——修正系数，一般为1.0～1.4，视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时，宜采用较大值。 5.2.5 沿程水面线计算成果表及沿程水面线 （1）沿程水面线计算成果。 表2 沿程水面线计算成果统计表 编号 计算断面 （桩号） 平均流速v m/s 不计入掺气及波动的水深 hm 计入掺气及波动的水深 hm （2）绘制沿程水面线。 5.2.6 有压泄洪隧洞需绘制沿程顶板水头线（压坡线） 5.3 出口消能计算 5.3.1 挑流消能(图4) 图4 （1）挑流距离L计算 L=χp+Lc (16)  (17)  (18)  (19) 式中：h、v——分别为鼻坎出口断面的水深，m和流速，m/s； θ——水舌射出角； △s——鼻坎顶点至河床面的高差，m； g——重力加速度，m/s2； T——从下游水位起算的冲刷深度，m； β——水舌外缘与下游水面的夹角。 （2）冲刷深度t计算 (20) 式中：t——冲刷坑深度，m； q——单宽流量，m3/s； Z——上、下游水位差，m； ht——下游水深，m； K——冲坑系数，坚硬完整的基岩，K=0.9～1.2.；坚硬但完整性较差的基岩，K=1.2～1.5；软弱破碎、裂隙发育的基岩，K=1.5～2.0。 5.3.2 底流消能 水流弗劳德数： （21）  式中：v′、h′——跃前平均流速，m/s和水深，m； g——重力加速度，m/s2。 （1）当Fr≥4.5，护坦上不设辅助消能工时，护坦消力池长度L为： L=b(h″-h′) (22) 式中：h″——为跃后共轭水深，m。 （2）当Fr＞4.5，消力池首断面v′＜16 m/s～18 m/s时，护坦上可设挑流坎、消力墩及尾坎时： L=(2.3～2.8)h″ (23) （3）当Fr＞4.5，v′＞16 m/s～18 m/s，护坦上可设挑流坎及尾坎，不设消力墩时： L=(3.2～4.3)h″ (24) 5.3.3 内部消能 如受地形地质条件和枢纽布置的限制，泄洪洞不能采用挑流消能和底流消能型式，或将导流洞改建成泄洪洞时，则可采用内部消能方式。 （1）涡漩式内部消能工：通过涡室、竖井、消力井联合消能。 （2）突扩式孔板洞型内消能工：通过单级或多级孔板洞塞消能。 5.4