隧洞设计实例

隧洞设计实例

一、隧洞得基本任务与基本数据

1、隧洞得基本任务

泄水隧洞得进口全部淹没在水下,进口高程接近河床高程,其担负得任务如下:

(1) 预泄库水,增大水库得调蓄能力。

(2) 放空水库以便检修。

(3)排放泥沙,减小水库淤积。

(4) 施工导流。

(5) 配合溢洪道渲泄洪水。

2、设计基本数据

(1) 洞壁糙率泄洪洞采用钢筋砼衬砌,n=0、014~0、017,考虑到本隧洞施工质量较好,故取较小值n=0、014。

(2) 水利计算成果见表1。

二、隧洞得工程布置

1、洞型选择

由于段村坝址为石英砂岩,地质条件较好,所以采用圆形有压隧洞,圆形断面得水流条件与受力条件比较好,并且可以充分利用围岩得弹性抗力,从而减小衬砌得工程量,降低施工得难度与造价。同时有压隧洞水流较平顺、稳定,不易产生不利流态。

2、洞线位置

洞轴线布置在右岸,这样出口水流对段村无影响,进口山势较陡,进流条件好,洞线为直线,较短,工程量小又利于泄洪。

3、工程布置

泄洪隧洞由进口段、洞身段、出口段三部分组成。

(1)进口型式

由于进口部位山体岩石条件较好,故采用竖井式进口,在岩体中开挖竖井,将闸门放在竖井底部,在井得顶部布置启闭机及操作室、检修平台,竖井式进口结构简单,不受风浪影响,地震影响也较小,比较安全。

(2) 进口段包括进口喇叭口段、闸室段、通气孔、渐变段等。

1) 进口喇叭口段为了与孔口得水流型态相适应,使水流平顺,避免产生不利得负压

与空蚀破坏,同时尽量减少局部水头损失,提高泄流能力,在隧洞进口首部,其形状应与孔口锐缘出流流线相吻合,一般顺水流方向做成三向收缩得矩形断面喇叭口形,其收缩曲线为1/4椭图曲线,顶面椭圆方程为:1)5.33.0(5.32

222

=?+y x ,用下列坐标绘制顶面曲线,见表1。 表1

侧面曲线方程为:1)5.32.0(5.32

2=?+x ,用下列坐标绘制侧面曲线,见表2。

2) 进口闸室段 闸孔尺寸为3、5×3.5m,闸室段长度参照工程经验取6.0m,在闸门上

端设置操作室,后设工作桥与坝面相连,桥面高程为365.81m,与坝顶路面高程一致,在操作室与闸室之间设置检修平台,平台高程在正常高水位360.52m 以上,取361.50m 。闸门用5、0×4.0m 得平面钢闸门,闸门槽宽度为1.0m,深度为75cm,由于高速水流通过平面闸门闸孔时,水流在门槽边界突变,容易发生空化水流,致使门槽及附近得边墙或底板发生空蚀。为此,将门槽得下游壁削去尖角,用半径为R=10cm 得圆弧代替,并做成1:12得斜坡,错距采用8cm 。3) 通气孔 在闸室右部设置通气孔,其作用就是在关闭检修门,打开工作门放水时,向孔中充气,使洞中水流顺利排出;检修完毕后,关闭工作门,向检修闸门与工作闸门之间充水时,排出洞中空气,使洞中充满水。通气孔得断面积一般取泄水孔断面积得0、5%~1%,此泄水

孔得断面积为9.62m 2

)4

5.314.3(

2

?,所以通气孔取0、25×0.25m,通气孔得进口必须与闸门启闭机室相分离,以免在充、排气时影响工作人员得安全。4)渐变段 为使水流平顺过渡,防止产生负压与空蚀,设置渐变段,由于渐变段施工复杂,故不宜太长,但就是为使水流过渡平顺,又不能太短,一般用洞身直径得2~3倍,取渐变段长度为8.0m 。根据本隧洞得任务,其进口高程应设置得低一些,河床得平均高程为340m,这样既便于施工期导流,降低围墙高程,又可在运用期泄水,力争一洞多用,以求隧洞施工方便,运用安全,造价低廉。(3) 洞身段 考虑到所选洞线得地形、地质情况,并运用情况,洞线长为230m,洞身段长198.5m,为了便于施工时出碴与检修时排除积水,坡降i =1/500,顺坡。初拟洞径:按管流公式计算,公式为 02gH w Q μ=;

式中 μ—流量系数,μ=0、74~0、77 ,这里取0、74;

w —出口断面面积(m 2

);

H 0—作用于隧洞得有效水头;H 0=库水位一出口顶部高程。 分别列表(3)计算设计及校核洪水位时所需得洞径:

比较以上数据,考虑一定得安全储备,洞径选3.5m 。 (4) 出口段 包括出口渐变段、闸室段。

1) 出口渐变段 有压隧洞得出口都布置有工作闸门,故出口断面也要做成矩形。因此在出口段也须做一渐变段。出口断面积根据工程经验一般为洞身面积得70%~85%,由于在出口水流由压力流突然变为无压流,引起出口附近压力降低,容易在洞顶产生负压,所以出口末端洞顶应设置压坡段,出口断面取为3×2.5m,渐变段长度根据工程经验定为8.0m 。2) 出口闸室段 在出口渐变段后设置工作闸门室。本隧洞工作门采用平面钢闸门,尺寸为3、5×4.0m,闸室长度参照已建工程经验,定为6.0m,在闸室上部设置操作室。采用矩形收缩形门槽。(5) 消能工及尾水渠布置 在出口之后设置消能工,使下泄水流消能后再泄入下游河道,从而减小下泄水流对河床得冲刷,由于隧洞出口处地质条件较好,下游河道水位也较低,故采用挑流式消能,消能工后设尾水渠,渠底宽为15.0m,采用1/100得顺坡,断面形式也为梯形,开挖边坡为1:1、5。三、水力计算 1、过流能力校核

因下游水位335.8m,低于隧洞出口高程341.54m,故隧洞为自由出流。 (1) 校核洪水位时过流能力校核

在校核洪水位时,洞前水深H’=363、62-342=21.6m >1、5D =5.25 m,∴洞中水流按有压流计算。有压隧洞自由出流公式为:02Q gH C ??=ωμ

式中:ω—隧洞出面面积 , ω=3×2、5=7.5m 2

;

H 0—作用在隧洞上得有效水头,因隧洞上游为水库,故行近流速V 0≈0,则H 0=363、

62-341、54-3=19.08m 。μc —流量系数,按下式计算, 223/4)()(

/00384.011

i

i i i i c R L ωωζωωμ∑+∑+=

式中:系数0、00384按下列方法求得:2gn 2

=2×9、8×0、0142

=0、00384。

首先确定各局部水头损失系数ζi 。

1) 拦污栅 358.080sin 364.0sin 901=??==?αξζ; 2) 进口喇叭口段 ζ2=0、1;

3) 进口闸门槽 对于平板闸门, ζ3=0、1;

4) 进口渐变段 由矩形变为圆形,参考同类工程 ζ4=0、09; 5) 出口渐变段 由圆形变为矩形,参考同类工程 ζ5=0、02; 6) 出口闸门槽 同ζ3, ζ6=0、1。 列表计算见表1。 表1

∴流量系数74.0237

.0599.011

=++=

c μ

则在设计洪水位时,隧洞泄量为:

/s

90m /3.10708.196.195.774.02Q 3

3

>=???==s m gH C ωμ

∴隧洞泄量满足要求

(2) 在校核洪水位时过流能力校核

流量系数μc 、过水断面面积ω保持不变,H 0=364、81-341、54-3=20.27m

∴s m gH C /6.11027.206.195.774.02Q 30=???==ωμ>110m 3

/s

∴隧洞泄量满足要求

综上所述,所拟洞径及各部分尺寸可以满足泄流要求。

2、绘制库水位—泄量关系曲线(图1)

(1) 有压流状况

保证隧洞为有压流得最小洞前水深为1、5D=1、5×3、5=5.25m 。则保证隧洞为有压流得最低库水位为:1、5D+进口洞底高程=5、25+342=347.25m 。 有压隧洞得泄量按下式计算(H 0≈

H ),54.34457.246.195.774.02Q 0-=??==库水位H gH C ωμ

在库水位347.25m 以上设一系列库水位,计算相应得洪量Q,计算成果列于下表(2)。 表2

图1库水位—泄量关系曲线

(2) 无压流状态

当洞前水深小于1、1D (3、85)m 时,洞中水流为无压流,泄量得计算按宽顶堰情况处理,计算公式为:2/302Q H g mB ε=;

式中:ε—侧收缩系数,按公式62.02.010

=-=εε计算，这里取经验系数B

H K

; m —流量系数,其数值在0、32~0、385之间,对八字形进口m=0、35,此处也近似

取m=0、35;

B —堰宽(m), B =3、5; H 0—洞前水头(m),H 0≈H ; ∴泄量2/302

/3036.36.195.362.035.0H H Q =???=

计算对应得泄量列于下表3。

水位(m) 342 343 344 345、85 泄量(m 3/s)

3、36

9、5

25、4

3、水库放空时间计算

为了达到人防与检修水库得目得,必须在一定得时间内将库水位由正常水位降至死水位。一般要求中小型水库得放空时间小于10~15天。根据库水位 ~ 泄量关系曲线以及已知资料中得库水位 ~ 库容关系曲线查出泄量进行计算。

计算结果见下表4。

库水位(m) 库容(万

m 3)

区间库容 (万m 3)

泄量(m 3/s) 平均泄量(m 3/s)

时间 360、52 1413、07

97、5

520、01

92、3 56339 357、0

893、06

87、1 323、63

81、35

39782

∴水库放空时间为:t=159633/86400=1、85天 故水库得放空时间满足要求。

4、绘制总水头线与测压管水头线

绘制测压管水头线得目得在于保证隧洞在运用过程中洞内始终有一定正压力,避免产生空蚀,并为衬砌设计提供依据。按隧洞通过设计流量107.3m 3

/s 来计算各段得流速水头与水头损失,其中沿程水头损失

g v R Li h i

i

fi 200384.02

3/4?

=;局部水头损失g v h i i ji 22ζ=。 计算成果列于下表5。

计算成果核算:

)(33.1963.23.64.1022

m h h g

V H fi ji =++=∑+∑+?=

计算得H 与隧洞通过设计流量时得水头较接近,计算结果基本正确。按上表绘出隧洞总水头线及测压管水头线(略)。5、消能计算

(1) 消能工得布置

前已述基本隧洞得消能工采用挑流式消能,其布置情况如下:在隧洞出口设宽为2.5m 得出流平台,平台长6.0m,高程341.54m 。接着为斜坡扩散段,坡度为1/40,扩散角为7°,长度为36.0m,扩散段末端为挑流鼻坎,其挑角θ=25°,坎高P=0.8m,则挑坎圆弧半径m P R 54.825cos 18

.0cos 1=?

-=-=

θ,圆弧段水平投影长度a 为:a=Rsin θ=8、

54×sin25°=3.6m。

从平台末端到鼻坎末端共长40m,鼻坎宽B 为:B=2、5+2×tg7°=12.3m。 圆弧底部高程为:341、54-36×1/40=340.64m 。 挑坎顶部高程为:340、64+0、8=341.44m 。 (2) 计算坎上水深h 0及流速v 0: 由洞口到挑坎分两段推算水面曲线: 1)平台段

以平台为基准线,列能量方程如下:

12

2

221122hw g

v h g v h +?+=?+

在校核洪水位时,h 1=3.0m, v 1=14.75m/s,用试算法求h 2及v 2、、

设h 2=3.04m, 查《中小型水库设计》,表14、6得9.69=C (n=0、014)

m

h b Q v 65.1402.35.2/6.110/=?==

3

.0844.09.39/665.14221=??=∴w h

将已知各值代入平衡

方程,则左、右两端基本相等,故认为平台末端水深为3.04m,流速为14.55m/s 就是正确得。

2) 从平台末端到圆弧段末长度为40.0m,以高程340.64m 为基线,列能量方程,利用同样得方法,经试算得:坎上水深h 0=0.61m,流速v 0=14.74m/s (3) 下游尾水深得确定

尾水渠在岩体中开挖,不作衬砌,糙率为0、025。

尾水深t 得计算,可近似按明渠均匀流公式。公式为:Ri C Q ω=。 式中:ω—过水断面面积(m 2

)

C —谢才系数, 6/16

/1401R R n

C ==

; R —水力半径, (m);

i —渠底坡降, i=1/100;

用试算法:假设t=1.42m

s

m s m Q m

X R m m h B X m t tm B /6.110/5.11001.021.13.4132.2421.112.20/32.24/12.205.1142.12151232.2442.1)5.142.115()(33222

≈=???=====+??+=++==??+=+=ωω

即此时得流量与校核流量大致相等,故认为下游尾水深t=1.42m 正确。 (4) 计算冲坑中心到挑坎得距离L

m

R m X m

m h R C L v h s m bh Q v w 884.054.8/55.754.802.325.255.702.35.202.3)04.30.3(2

1

//55.1404.35.2/6.110/2

2

2

221===?+==?==+=

==?==ω

已知v 0=14.74m/s,h 0=0.61m,t =1.42m,s t =341、44-339、5-1、42=0.52m,θ=25°,sin 25°=0、423, cos 25°=0、906,g

h t s g V v v L t )cos 2

(2sin cos cos sin 0

220020θθθθθ++++=

∴

m

87.208

.9)2906

.061.042.152.0(6.19423.074.14906.074.14384.074.14222=?++?+??+?=

(5) 估算冲坑深度d

用公式t 0=Kq 1/2H 01/4

,求解t 0。 式中:K —经验系数K =1、25;

q —坝上单宽流量, )./(99.83

.126

.1103m s m q ==

; g

v H H 220

0?+=;

H —坝顶水位与下游水位高程差(m); H=341、44+0、61+(339、5+1、42)=1.13m m H 22.126

.1974.1413.12

0=+=

将以上数据代入上式则:

m t 0.722.1299.825.14/12/10=??= ∴冲坑深度d=t 0-t =7-1、42=5.58m

结论分析: i =5、58/20、87=0、27,许可得最大临界后坡i c =3

1

~41,由于本隧洞得尾部岩石条件较好,认为冲坑不会危及消能工得安全。四、隧洞得衬坝设计

1、衬砌得类型选择

由于本隧洞内水压力较大,故采用双筋砼衬砌。 材料得物理力学指标如下:

Ⅰ级钢筋:MPa GPa Eg MPa Rg g 150][;21;2400===σ

C 20砼:GPa E MPa MPa R m KN n h a h 26,2.2][,11;/25167.03=====σγμ；

岩石:GPa E cm kg K f m KN 10;/100;7;/253

03====γ

按Ⅲ级建筑物查规范,在正常情况下,安全系数为1、8;检修情况下安全系数为1、6。

2、计算断面得选择

在实际工程中,为了达到经济、安全得目得,在不同段,一般采用不同得衬砌形式,且用

分缝相结合,故在不同段要分别取断面进行衬砌计算,本次设计只取洞身进口断面进行计算,其它断面得衬砌按已建工程拟定。3、拟定衬砌厚度

采用式(4-10),式中:m i 75.12

5

.3==

γ;[σh ]=2、2MPa; [σh ]—砼允许拉应力(MPa); P —均匀内水压力(kPa);

H —高出衬砌内壁顶点得内水压力水头(m);从绘制得水头线查得

P =；

MPa h 11.0=ωγ

A —弹性特征系数,按下式计算。

)21)(1(01.0)1(01.0K Eh K Eh A μμμ-+++-=

=0、927 cm h 0.2111

.02.211

.02.2927.075.1=--+?

?=∴

按构造要求,衬砌厚度一般不小于30cm,所以只能按构造要求取衬砌厚度h =30cm,则衬砌外半径205cm,平均半径r =190cm 。4、计算各种荷载产生得内力

(1) 山岩压力:

∵岩石得坚固性系数f =7>2,可不计水平山岩压力,只计算垂直山岩压力。

1) 不考虑外水压力时:岩石重度25KN/m 3

。

岩石压力拱高h 为:m f H h 29.0705

.2===γ;

重直山岩压力强度q 为:q =γh =25×0、29=7、25KN/m;

由山岩压力产生得M 与N 采用公式(4-14):∴M =28、2(0.921A +B +26.43C ),N =14、9(0、

921D +E +26.43F )系数A 、B 、C 、D 、E 、F 由表查得,M 、N 计算结果如下表1。

γ垂直山岩压力强度q =γh =4、64KN/m

计算公式与上同,其它量不变,则M =18、07(0.921A +B +26.43C ),N =9、

512(0.921A +B +26.43C )M 、N 计算结果如表2。 表2

11

69(C 1+13、76D 1)系数A 1、B 1、C 1、D 1由表查得,M 、N 计算结果如下表3。 表3

(3)内水压力产生得弯矩与轴向力 1) 均匀内水压力:

已知洞轴线得内水压力水头H =12.8m,隧洞半径Υi =1.75m 则均匀内水压力水头H 1=12、8-1、75=11.05m,强度为21/5.110m KN H P ==ωγ 由于均匀内水压力产生得弯矩很小,只考虑轴向力。 砼得平均应力σ为:

∴N =-σbh=-519×1、0×0、3=-155、77KN(拉)

2) 不均匀内水压力产生得弯矩与轴向力采用公式(4-16),得M = 58、19(A 2+13、

76B 2),N = 30、625(C 2+13、76D 2),系数A 2、B 2、C 2、D 2由表查出,M 、N 计算结果如下表4。表4

(4)外水压力产生得弯矩与轴向力

1) 均匀外水压力:已知洞身计算断面得均匀外水压力水头h w =16、34-2、05=14.29m,产生得轴向力由下式计算。KN b h N H 9.2922

==ωωγγ。2) 在不均匀外水压力作用下,当)(22qr qre r r e ππ+≥时,不考虑弹性抗力得作用,则

M =49.8A 6,N =42.025C 7+282、9。系数A 6、C 7、由表查出,M 、N 计算结果如下表5。 表5

222

22/5195.110927

.0)75.1/05.2(927.0)9.1/05.2()/()/(m

KN P A A i e i e =?-+=-+=γγγγσ

5、荷载组合

隧洞衬砌得设计,荷载组合既要考虑不利条件,又要考虑可能性,为保证安全,应按最不

利荷载组合计算,对中小型水库隧洞直径较小时,按以下两种情况组合计算:1) 正常情况:山岩压力+衬砌自重+设计洪水时内水压力。 2) 检修情况:山岩压力+衬砌自重+外水压力 第一种情况组合见表6,7

表6 弯矩表(10KN 、m)

第二种情况组合见表8,9

6、配筋计算

在两种组合中各选一种做配筋计算,取保护层a=a’=7cm。 第一种情况:N =-112、211KN(拉) M =4、707(KN 、m) 纵向破坏力至断面形心轴得距离为: cm a h

m N M e 82

0004.00=-<==

属于小偏心受拉

;96.720m e a h e =--=

m a h

e e 04.8'2

'0=-+=

受拉筋面积:2077.6)

(g '

cm a h KNe Ag =-=σ

受压筋面积:2070.6)

('

'cm a h g KNe Ag =-=

σ

第二种情况:N =701、8KN(压) M =13、093(KN 、m) 纵向破坏力至断面形心轴得距离为: cm h cm N

M

e 9.63.087.100=<==

∴属于小偏心受拉

;87.971587.120cm a h e e =-+=-+

= cm a e h

e 13.6787.115'2

'0=--=--= 受拉筋面积:0)'(5.0'02

0<--=a h R bh KNe Ag g a

σ

受压筋面积:0)

(5.0'02

0<--=a h R bh KNe Ag g a

σ

∴第二种情况不需要配筋,按第一种情况配筋。

受拉筋计算面积6.77cm 2,采用7.70cm 2

,520@14φ。

受拉筋计算面积6.70cm 2,采用7.70cm 2

,520@14φ。

则受拉筋得配筋率%2.0%26.0%100301007

.7min =>=??==μμbh Ag 受压筋得配筋率%2.0%26.0%10030

1007

.7''min =>=??==μμbh Ag

∴配筋率满足要求

7、抗裂计算

(1) 校核砼应力:

按正常运用情况计算: N =-112、211KN(拉) M =4、707(KN 、m) Ag =Ag ’=7.70cm 2对偏心受拉构件,砼衬砌中应力按下式计算:

][)(σσ≤--=

np

np T A mN

J x h M

式中:m —折算系数,取1、54

X T —折算断面形心到受压边缘得距离(cm), cm h

X T 152

=≈

; J np —对折算断面形心得惯性矩(cm 4);

Eh

Eg a X Ag X h Ag X h b bX J T T T T np ])(')([)(3131212033-+-+-+=

=22983.36cm 4

;

A np —折算断面面积(cm 2);A np =bh+nAg+nAg’=3125cm 2 ∴2/584)(m KN A mN

J X h M np

np T =+-=

σ

。

，故][16682

.11300

54

.1][σσσ?=?==

T K mRp ∴砼满足抗裂要求

(2) 校核钢筋应力

假设砼出现裂缝,不承担荷载,在验算钢筋应力时,仅考虑主要荷载,即均匀内水压力得作用,其产生得应力按照钢筋与围岩共同承担。Eg

K

g A Ag P

i H i i 01.0)(01.00

γγγγσ+'+=

2/19720m KN =

][/1333308

.1240000][2σσσ<∴===

m KN K Rg ∴钢筋强度满足要求

8、计算断面配筋图,如图1所示。

图1 断面配筋图

五、细部构造 1、缝得布置与构造

在衬砌中设置工作缝与永久性得横向变形缝。缝得构造见图1、2所示。

图1 温度缝剖面图

图2 施工缝剖视图

2、灌浆孔得布置

为保证衬砌与岩石得密切结合,共同工作,在洞顶布置回填灌浆孔,孔间夹角为30°,排距为2.5m。

为提高围岩得整体性,防止地下水渗漏,沿洞身每隔 2.5米布置一排固结灌浆孔,孔深2.0m,见图2。

3、排水

为了降低作用在衬砌上得外水压力,要采取排水铺成措施,在衬砌底部设置纵向排水暗管,暗管由无砂砼做成,并沿洞轴线每隔8m设一道由砾石构成得环向排水,将收集到得渗水由纵向排水管排向下游。排水得布置见图3。

图3 洞身排水布置图