(完整版)XX水库供水隧洞结构计算书

龙洞河水电站有压引水隧洞结构计算书
1 工程概况
公明供水调蓄工程供水隧洞是从鹅颈至公明水库连通隧洞L0+387桩号接往石岩水库的一条供水隧洞，全长6.397km，桩号为G0+000~G6+397。

根据初步设计报告供水隧洞为2级建筑物，设计流量为10.24m3/s，采用圆型断面，内径为3.4m。

供水隧洞进口底高程为29.60m，出口底高程为27.50m，隧洞全段纵坡为-0.0328%。

供水隧洞Ⅱ类围岩3576m、Ⅲ类围岩1836m、Ⅳ类围岩345m、Ⅴ类围岩310m。

2 设计依据
2.1 规范、规程
《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）（以下简称“隧洞规范”）
《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004）（电力行业标准，下称“电力隧洞规范”）《水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）》（SDJ20-78）（以下简称“砼规”）
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）
2.2 参考资料
《深圳市公明水库调蓄工程初步设计报告》（深圳市水利规划设计院，2007.05）
《G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序》
《PC1500程序集地下结构计算程序使用中的几个问题》（新疆水利厅，张校正）
《取水输水建筑物丛书－隧洞》
《水工设计手册－水电站建筑物》（水利电力出版社，1989）
《水击理论与水击计算》（清华大学出版社，1981）
《水力学－下册》（吴持恭，高等教育出版社，1982）
3 计算方法
隧洞支护及衬砌结构按新奥法理论进行设计，支护型式采用锚喷支护通过工程类比确定，喷锚支护类型及其参数参照电力隧洞规范附录F 表F.1选取；衬砌型式采用钢筋混凝土衬砌。

根据隧洞规范6.1.8条第2点规定，围岩具有一定的抗渗能力、内水外渗可能造成不良地质段的局部失稳，经处理不会造成危害者，宜提出一般防渗要求，本工程按限制
裂缝宽度设计，裂缝宽度短期组合不超过0.3mm，长期组合不超过0.25mm。

隧洞衬砌采用结构力学方法计算。

隧洞结构计算软件采用PC1500程序集中的G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序。

4 计算工况
4.1基本组合
工况1：正常运行期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+设计内水压力+外水压力）
工况2：检修期（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力）
4.2特殊组合
工况3：施工期（衬砌自重+弹性抗力+外水压力或灌浆压力）
工况4：校核工况（衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+校核内水压力+外水压力）
5 典型计算断面及其选择原则
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及土洞典型断面按荷载受力不利原则选取。

计算围岩压力时，采用围岩压力最大处断面；计算弹性抗力时，采用地勘提供参数的小值平均值；计算内水压力时，采用各类围岩承受最大静水压力处断面；计算外水压力时，对无内水组合工况采用地下水作用最大水头处断面，对有内水组合工况采用地下水作用最小水头处断面。

各类围岩断面几何初步拟定情况见表5-1。

表5-1各类围岩断面几何参数
6 荷载计算
6.1 围岩压力
1. Ⅱ、Ⅲ类围岩自稳条件好并采取了有效的支护，不考虑围岩压力。

2. Ⅳ类围岩能自稳数日，采取了有效的支护，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.2×γr×B= 0.2×23×4.4=20.24kN/m=2.024×10kN/m
Q2= Q3=0.05×γr×H=0.05×23×4.4=5.06kN/m=0.506×10kN/m
3. Ⅴ类围岩自稳能力较差，采用有效支护后能自稳，围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算：
Q4=0.3×γr×B= 0.3×21×4.6=28.98kN/m=2.898×10kN/m
Q2= Q3=0.1×γr×H=0.1×21×4.6=9.66kN/m=0.966×10kN/m
4. 土洞围岩压力计算
1）计算依据
土洞围岩压力按隧洞规范8.1.2条确定：对能形成塌落拱的土洞，可按松动介质平衡理论估算围岩压力；不能形成塌落拱的浅埋土洞，围岩压力宜按顶拱的上覆土体重力计算围岩压力，并根据地形条件、施工所采取的稳定措施予以修正。

2）计算断面的确定
对供水隧洞进出口处深埋土洞根据北线隧洞经验可以形成塌落拱，故土洞围岩压力最大处为深浅埋土洞的分界处，计算断面亦取深浅埋土洞的分界处。

3）塌落拱高度计算
查《取水输水建筑物丛书－隧洞》P54表3-2岩石坚固系数及其它力学指标表，密实粘土及粘质土坚固系数f K=1.0，换算内摩擦角为
Φ=45°。

b1=2.3m，b2=b1+ b1×tg(45-Φ/2)=3.253m。

计算塌落拱高度等于拱跨度之半b2除以岩石的
坚固系数f K，即h=b2/f K=3.253/1=3. 253m。

根据《取水输水建筑物丛书－隧洞》3-9式，取
曲线形洞顶实际塌落拱高度为计算塌落拱高度的0.7
倍，荷载等效高度（塌落拱高度）H g=0.7h=2.277m。

4）垂直围岩压力计算
根据规范8.1.2条条文说明，深浅埋土洞的分界深度H p=2.5H g=2.5×2.277=5.69m
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》第4.4.7条规定：浅埋土质隧洞采用钢架喷混凝土支护时，钢架应有足够的刚度和强度，应能承受40~60kN/m2的垂直土压力。

《铁路隧道新奥法指南》第3.4.13条规定：钢架的设计强度，应保证能单独承受2~4m 高的松动岩柱重量。

本次计算按初期支护承担2m土重考虑，则折减以后土洞围岩压力为：
Q4=(5.69-2)×18=66.42 kN/m=6.642×10kN/m
5）侧向围岩压力计算
侧向水平围岩压力计算按松散体理论，根据《取水输水建筑物丛书－隧洞》P57页公式3-10及3-11计算。

Q2= 0.7×γ×h×tg2(45°-Φ/2)=0.7×18×3.253×tg2(45-45/2)=7.03 kN/m=0.703×10kN/m
Q3=(0.7×h +H)×γ×tg2(45°-Φ/2)
= (0.7×3.253+4.6)×18×tg2(22.5°)
=22.17 kN/m=2.217×10kN/m
6.2 弹性抗力
围岩单位弹性抗力主要根据初步设计报告第3章表3.6.2.2选取（P89），如表6-1所示。

6.2.1 有内水压力时弹性抗力
有压隧洞围岩弹性抗力系数k=k0/r，单位弹性抗力系数偏安全考虑采用小值平均值，计算结果如下：
Ⅱ类围岩弹性抗力系数k2=((50+75)/2)/2.15=29.07 MPa/cm =290700×10kN/m3
Ⅲ类围岩弹性抗力系数k3=((20+35)/2)/2.2= 12.5MPa/cm =125000×10kN/m3
Ⅳ类围岩弹性抗力系数k4=((5+12)/2)/2.3=3.7 MPa/cm =37000×10kN/m3
Ⅴ类围岩弹性抗力系数k5=((1+2)/2)/2.4=0.625 MPa/cm =6250×10kN/m3
土洞根据隧洞规范8.1.3条按不计土体联合作用考虑，根据《水工隧洞设计规范》（SD134-84）附录程序说明取弹性抗力系数k6=100×10kN/m3
6.2.2 无内水压力时弹性抗力
根据《水工设计手册》第七卷P7-47页，无压隧洞围岩弹性抗力系数（又称地基系数）k=b×k0，其中b为弹性地基梁宽度，取单宽b=1m；单位弹性抗力系数偏安全考虑采用小值平均值，计算结果如下：
Ⅱ类围岩弹性抗力系数k2=(15+17.5)/2=16.25 MPa/cm =162500×10kN/m3
Ⅲ类围岩弹性抗力系数k3=(5+10)/2= 7.5MPa/cm =75000×10kN/m3
Ⅳ类围岩弹性抗力系数k4=(1+3)/2=2 MPa/cm =20000×10kN/m3
Ⅴ类围岩弹性抗力系数k5=(0.5+0.75)/2=0.625 MPa/cm =6250×10kN/m3
土洞根据隧洞规范8.1.3条按不计土体联合作用考虑，根据《水工隧洞设计规范》（SD134-84）附录程序说明取弹性抗力系数k6=100×10kN/m3
6.3 内水压力
鹅颈水库正常蓄水位（扩建后）为66.70m，设计洪水位为67.43m，校核洪水位为67.8m；公明水库正常蓄水位为59.70m，设计洪水位为60.25m，校核洪水位为60.58m；石岩水库正常蓄水位为36.59m，设计洪水位为38.98m，校核洪水位为39.94m。

正常运行期设计水位采用正常蓄水位，校核工况采用校核水位；供水隧洞桩号L6+397（出口处）洞底高程最低，为27.50m，此处为Ⅴ类围岩，供水隧洞正常运行由公明水库向石岩水库供水，正常运行期最大内水压力（静水压力）为59.7-27.5=32.2m，考虑到供水隧洞纵坡较缓（0.0238%），不远处就有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩，高程相差不到0.4m，故所有类别围岩正常运行期最大内水压力（静水压力）偏安全考虑均取32.2m。

考虑北线鹅颈-石岩隧洞检修或事故情况下可利用本工程供水隧洞供水，故校核内水压力（静水压力）取67.8-27.5＝40.3m。

6.4 外水压力
作用在衬砌结构上的外水压力根据隧洞规范第6.2.5式进行估算。

P e=βe×γw×H e
根据不同的地下水活动情况按隧洞规范表6.2.5对外水压力进行折减：
干燥或潮湿βe＝0~0.2
渗水或滴水βe＝0.1~0.4
大量滴水或线状流水βe＝0.25~0.6
严重滴水或小量涌水βe＝0.4~0.8
股状流水或大量涌水βe＝0.65～1.0
当有内水组合时，βe取较小值；无内水组合时，βe取较大值。

根据初设报告P87-P89供水隧洞地质描述（摘录见斜体字）及供水隧洞纵断面图，对无内水组合工况，典型断面选地下水作用最大处水头处；对有内水组合工况，典型断面选地下水作用最小外水头处，典型断面桩号、计算水头、折减系数及作用水头详见表6-2。

表6-2外水压力水头计算表
（15）、G2+737～G6+250，段长3513m，隧洞埋深27.8～180.1m，地下水位至隧洞顶板27.8～120.2m，Ⅱ类围岩，局部Ⅲ类（约占10%），弱-微风化花岗岩，岩体呈整体块状结构，较完整，裂隙不发育，潮湿，沿裂隙有滴水，在局部可形成线状流水，围岩基本稳定，但局部可能掉块。

局部裂隙相对集中区域成Ⅲ类围岩，完整性稍差，围岩局部稳定性差，可能出现坍塌和变形。

（8）、G1+355～G1+465，段长110m，隧洞埋深11.5～44.7m，地下水位至隧洞顶板2.1～20.9m，Ⅲ类围岩，弱风化片麻岩，岩体完整性较差，裂隙较发育，围岩局部稳定性差，可发生坍落或掉块。

以滴水为主，沿裂隙有线状流水。

（2）、G0+080～G0+280，段长200m，隧洞埋深60.5～77.5m，地下水位至隧洞顶板32.3～37.5m，Ⅳ类围岩，弱风化片麻岩，岩体完整性差，裂隙发育，围岩稳定性差，易坍塌或掉块。

沿裂隙多有线状流水。

（13）、G2+435～G2+648，段长213m，隧洞埋深10.4～48m，地下水位至隧洞顶板7.6～24.5m，Ⅳ-Ⅴ类围岩，f 4断层及影响带，形成构造碎裂岩糜棱岩，裂隙极发育，岩体极破碎(但有初步胶结，胶结力较弱)，沿裂隙有线状流水，部分股状，围岩不稳定，易坍塌或变形。

（7）、G1+340～G1+355，段长15m，隧洞埋深3.7～11.5m，地下水位至隧洞顶板0～2.1m，V类围岩，全-强风化片麻岩，不稳定，极易坍塌, 滴水及线状流水。

（5）G0+922～G1+010，段长88m，隧洞埋深12.2～44.3m，地下水位至隧洞顶板2.1～12.2m，V
类围岩，强风化片麻岩，呈风化岩块状和半岩土状，不稳定，极易坍塌，滴水及线状流水。

鉴于有内水组合工况外水压力仅0~3.48m，数值较小；另处根据北线隧洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩及土洞初期支护后部分洞壁较为干燥，偏安全考虑本次计算有内水组合工况时有外水压力取值为0。

6.5 动水压力
发电引水隧洞进水口设有检修闸门和工作闸门，下接压力钢管，设计引水流量8m 3/s ，下游接冲击式水轮机的控制阀门，引水隧洞运行时可考虑关闸水锤动水压力增加值。

6.5.1 水位组合
参考有压引水隧洞的水力计算成果，取满足发电要求的最低水位1294.0m 为计算水锤动水压力的上游水位，对应下游尾水位为1087.7m ，尾水坎高程1087.05m 。

6.5.2 计算方法
本次计算对是否考虑有引水隧洞和压力钢管水力损失分别进行计算，不考虑水损时采用《水工设计手册》简化方法计算；考虑水损时采用《水击理论与水击计算》中的特征线法编制程序求解。

6.5.3 初始条件
洞径分两种：起始段为有压引水隧洞，D1＝2.2m ，隧洞长L1＝2644m ；末段为紧接水轮机的压力钢管，D2＝1.44m ，隧洞长L2＝263.77m 。

隧洞上游进口水位Z 0=1294.0m ，下游压力钢管出口水位Zn ＝1087.7m ，水头差ΔH ＝1294-1087.7=206.3m ，出口尾水坎高程为Zn ＝1087.05m 。

6.5.4 水锤传播速度
根据《水工设计手册》P7-100：除均质薄壁管外，各组合管的水锤波速公式都是近似的，水锤波速对第一相水锤影响较大，对于最大水锤压强出现在第一相末的情况，可取一个略为偏小的数值以策安全。

水锤波速应对以后各相水锤的影响逐渐减小，对大多数电站，最大水锤压强出现在开度变化接近终了时刻，此时不必过分追求水锤波速的精度。

根据《水工设计手册》第七卷（以下称《手册》）P7-99，水锤波速按式（33-1-7）计算：
kr
E g E C w w /21/+=
γ （33-1-7）
式中：E w 、γ------水的体积弹性模量和容重，在一般温度和压力下，E w ＝2.1×104kg
/cm 2，γ＝0.001kg/cm 3；
r ------管道半径
k ------抗力系数，引水隧洞为钢筋混凝土管，按式（33-1-11）计算k 值；压力钢管
为薄壁管，按式（33-1-8）计算k 值。

2c s c E E k f r E δ⎛⎫
=
+ ⎪⎝⎭
（33-1-11） 式中：r ——管道半径；
E s 和E c ——钢筋和混凝土的弹性模量，取C25砼弹性模量E c ＝2.85×105 kg/cm 2，钢筋弹性模量E s ＝2.09×106 kg/cm 2。

f ——每厘米长管壁中钢筋的截面积；
δ——管壁厚度，取30.0cm
2
s s
s E k k r
δ==
（33-1-8）
式中： r ------管道半径；
E s ------管材的弹性模量，取E ＝2.1×106 kg/cm 2
s δ——管壁厚度，取1.0cm
由上述公式（33-1-11）和（33-1-8）计算水锤波速值如下： 1、前段引水隧洞r ＝2.2m ，δ＝30cm
5642
225
2.8510 2.0910301200 5.210kg/cm 220 2.8510c s c E E k f r E δ⎛⎫⎛⎫⨯⨯=+=+⨯=⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭
1143120cm /s=1431.2m/s C =
=
2、后段压力管道r ＝1.44m ，s δ＝1.0cm
66222
2.110 1.0 1.01310kg/cm 1.44
s s s E k k r δ⨯⨯===
=⨯
1143457cm /s=1434.57m/s C =
=
根据《手册》式（33-1-17），计算隧洞平均波速为：
11222907.77
1432.4m/s //2644/1431.2263.77/1434.57
L C L C L C =
==++
6.5.5 相长：根据《手册》式（33-1-18），水锤的相长为： 22290
7.77
4.06s 1432.4
r L t C ⨯=== 6.5.6 等价隧洞中的流速
《水力学》计算公式：()
2
6/12/88n
R g c g ==
λ
1、引水隧洞R ＝D 1/4＝0.55m ，n ＝0.015 代入上式得： λ＝0.02 考虑10%局部水头损失，λ1＝1.1×λ＝0.022
Φ＝Cv 0/(2gH 0)=1432.4×2.1/(2×9.8×15.213)＝10.088m ζ1=2Φ＝2×10.088=20.176 阀门断面水头增值为
ΔH 1=20.176×15.213=306.94m 关闭阀门后阀门前水头为
H 1=H 0+ΔH 1=15.213+306.94=322.153m 引水隧洞中最大流速：
1264.27v ==
=
=
2、供水隧洞R ＝D 2/4＝0.85m ，n=0.015 代入上式得：λ2＝0.01864 考虑10%局部水头损失，λ2＝1.1×λ＝0.0205 供水隧洞水头差为ΔH2＝6397/10670×23.11＝13.855m 供水隧洞中最大流速：()
s m v /6548.24.3/63970205.0855
.1381.922=⨯⨯⨯=
3、等价最大流速：
根据《手册》式33-1-57，根据管道中水体动能不变的要求得：
s m L v L v L v a /696.210670
6548
.263977588.242732211=⨯+⨯=+=
4、等价过流断面面积根据水电站33-1-57及各断面过流量不变原则反推：
2
2
2485.9)
7.1*14.3/(6397)8.1*14.3/(427310670m A =+=
5、等价直径：m A
D 476.32=⨯=π
6.5.7 边界条件与基本假设
1）隧洞末端断面的边界条件
隧洞末端与水库相连，故隧洞末端断面的流动条件与控制设备及其控制规律相关，下
游端闸门按线性开关考虑，闸门开度与时间关系为直线规律变化：s
i
T t -
=1τ 由于闸门的关闭时间可由设计设定，故分别取不同的关闭时间进行试算，选取合适的关门时间，Ts 分别取300s 、360s 、420s 、480s 、540s 。

2）隧洞进口断面的边界条件
隧洞进口与水库相连，由于库容很大，库水位不会因隧洞流量的变化而涨落，所以，进口的边界条件是：水击波的传播过程中，进口断面的水位保持为常数即Z 0。

6.5.8 等价隧洞特性常数
管道断面特征系数：=⨯⨯⨯==
11
.2381.92696
.25.93420max gH CV ρ 5.56 《手册》式（33-1-32） H 0——管道出口初始作用水头，23.11m 。

水锤特征系数：s
s T T gH LV ⨯⨯⨯==
09.981.9696
.2106700max σ 《手册》式（33-1-37） ＝0.423、0.352、0.302、0.264、0.235 （分别为300s 、 360s 、420s 、480s 、540s 的关门时间） 6.5.9 水锤计算
1）不考虑隧洞水力损失：1156.50>⨯=ρτ （τ0------闸门初始开度），根据《手册》P7-103产生极限水锤的判别条件，属极限水锤范畴。

将数据代入《手册》式33-1-43，不同关门条件计算结果见表6-3。

()
42
2++
=
σσσ
ζm 式33-1-43
2）考虑隧洞水力损失：将以上数据代入程序，不同关门条件计算结果同列于表6-3。

表6-3 不同关门时间下游端水锤计算成果表
根据《手册》P7-118说明，在水头较低、压力隧洞较长和阀门关闭时间较长的情况下，进行水锤计算时考虑压力水管的水力损失是必要的。

综合考虑选取关门时间为6min，采用不考虑隧洞水力损失的计算成果，动水压力为11.20m，水锤压力升高系数为0.485。

由于还未考虑调压室（检修支洞）的影响，本计算成果是偏安全的。

6.6 灌浆压力
根据隧洞规范9.1.2条，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段回填灌浆压力采用0.4MPa，对填土洞灌浆压力采用不大于0.2MPa。

根据《水工设计手册－水电站建筑物》荷载组合说明（P7-53），灌浆压力与外水压力不叠加。

灌浆压力大于外水压力时，顶部只计灌浆压力，其余为外水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不计灌浆压力。

6.7 不同工况荷载取值情况
不同工况荷载取值详见表6-3。

表6-3不同工况荷载取值情况表
7 计算简图
供水隧洞计算简图以Ⅳ类围岩段为例，如图6-1所示，其它类围岩段尺寸见表8-1。

8 参数取值
G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序参数含义及取值如表8-1所示。

表8-1G-12通用程序参数含义及取值情况表
9 程序计算结果
表9-1 供水隧洞Ⅱ类围岩段计算成果表
表9-2 供水隧洞Ⅲ类围岩段计算成果表
表9-3 供水隧洞Ⅳ类围岩段计算成果表
表9-4 供水隧洞V类围岩段计算成果表
表9-5 供水隧洞土洞段计算成果表
10 结论
根据砼规第82条规定，当钢筋混凝土构件抗裂度大于1.2时，不再进行裂缝宽度的验算。

当抗裂度不满足要求时，进行裂缝宽度的验算，其最大裂缝宽度的计算值长期组合不超过0.25mm，短期组合不超过0.3mm。

根据实际钢筋利用电子表格计算裂缝宽度。

供水隧洞Ⅱ类围岩段采用双层配筋，均采用Φ16＠100，实配面积20.11cm2，大于计算面积11.691 cm2，抗裂系数最小值为2.542，大于1.2，满足规范要求。

供水隧洞Ⅲ类围岩段采用双层配筋，均采用Φ18＠100，实配面积25.24cm2，大于计算面积16.691 cm2，抗裂系数最小值为1.818，大于1.2，满足规范要求。

供水隧洞Ⅳ类围岩段采用双层配筋，均采用Φ20＠100，实配面积31.42cm2，大于计算面积23.759 cm2，抗裂系数最小值为1.563，大于1.2，满足规范要求。

供水隧洞V类围岩段采用双层配筋，内侧采用Φ25＠100，实配面积49.09cm2，外侧采用Φ22＠100，实配面积38.01cm2，大于计算面积29.294 cm2，最大裂缝宽度长期组合为0.206mm，短期组合为0.091mm，满足规范要求。

供水隧洞土洞段采用双层配筋，内侧采用Φ25＠100，实配面积49.09cm2，外侧采用Φ22＠100，实配面积38.01cm2，大于计算面积35.94 cm2，最大裂缝宽度长期组合为0.206mm，短期组合为0.098mm，满足规范要求。