隧洞经济洞泾选择、水力计算及调洪演算计算书

1经济洞径的选择
根据江坪河的实际地形条件为山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实，可采故采用隧洞导流，由于每条隧洞的泄流能力有限，加之隧洞的造价比较昂贵，而且根据当前的施工水平，每条隧洞的可宣泄量一般不超过2000～5000m 3/s ，根据确定的设计流量为5100 m 3/s ，由于左、右两岸的地形条件基本相似，施工条件，水流条件基本无差别，故在左、右两岸各设一个导流隧洞。

在进行经济洞径的比较时，按无压洞进行设计。

运用如下公式：
Q μ=Q ：河道的下泄流量 m 3/s ；
μ：管道系统的流量系数，一般取值0.6-0.8，取0.7；
A ：遂洞的截面面积 m 2 ； Z ：上下游水位差 m ；
由上面的公式可转化为：
2
22
2Q Z g A μ= 表1-1 江坪河坝址水位流量关系表
295.50 744 305.50 5170 296.00 867 306.00 5530 296.50 996 306.50 5910 297.00 1130 307.00 6300 297.50 1280 307.50 6720 298.00 1440 308.00 7160 298.50 1610 308.50 7610 299.00 1790 309.00 8060 299.50
1980
309.50
8520
注：水位为黄海基面。

由下泄流量Q=5100m 3/s 查上表，得到相应的下游水位Z 下=305.4m 。

已知上游水位及泄流量而流量系数未定，故需用试算法求洞径。

先设某一洞径，然后根据上述公式求上游水位，看是否满足已知水位，从而求得最适宜的洞径。

又隧洞最大流速V <20m 3/s ，则隧洞断面面积W=Q/V ，得W>255m 2
经估算得270 m 2 、280m 2 、290m 2 对应下列三种洞径尺寸：17×17，18×17 和18×18
现对三种假设进行试算：
方案一：假定隧洞的洞径为17×17 ，采用无压城门洞型，形式和尺寸如下:
经几何关系计算得到隧洞的断面面积： 2264.75A m =
隧洞洞径不能太小，应校核平均流速V=Q/W <20m/s ，否则流速过高会使隧洞破坏。

隧洞的面积校核：
V=Q/W=5100/264.75=19.26m/s <20m/s,所设计的隧洞尺寸符合要求。

所使用的的公式如下：
2Q A gZ μ=
Q ：河道的下泄流量 m 3/s ；
μ：管道系统的流量系数，一般取值0.6-0.8，取0.7；
A ：遂洞的截面面积 m 2 ； Z ：上下游水位差 m ；
由上面的公式可转化为：
2
22
2Q Z g A μ= 带入数据，计算得到 38.64Z m = 坝顶的超高：d=R+e+A
R ：为波浪在坝坡上的设计爬高，m ； e ：为风浪引起的坝前水位壅高，m ； A ：为安全加高，m ；
安全加高可根据大坝的级别按下表采用。

非常运行条件（a ）使用于山区，丘陵区；非常运行条件（b ）适用于平原区，滨海区。

表1–2 土石坝的安全加高
根据江坪河工程围堰的级别为4级，山区属于非常运行条件（a ），所以得安全加高为取0.30。

由于R 和e 的计算公式很多，主要都是经验和 半经验性的，适用于一定的具体条件，可按SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》推荐公式计算确定。

对于中，小型土石坝，R+e 的高度可按照坝前水库中风的吹程D 做近视估计，参见下表。

D ——水库吹程，一般取上游水库最窄处河宽B 的5倍，D=5B
代入江坪河工程数据，由于D<1.6Km ，故波浪爬高和风浪壅高（R+e ）的近似估计值取值为1.2m 。

综上可得，上游水位Z 上=305.438.64344.04m += 安全加高为取0.30m 。

波浪爬高和风浪壅高（R+e ）的近似估计值取值为1.2m 。

则上游围堰的高程：H =Z 下+h+d=305.4+34.4+1.2+0.3=345.54m 最终确定围堰的高为：H-Z 河床=345.54-290=55.54m 。

下游围堰高程：δ++=w h h H 下下=305.4+1.0+0.3=306.7m ，
w h ——波浪高度 δ——围堰的安全超高。

根据H H Z =+上下求上游围堰高程，隧洞的长度可以从地形图中量得，即为1155m 。

下游围堰长度不变为124.5m 。

上游围堰长度根据其高程不同而重新布置。

由于下游围堰长度不变，则其体积不变，下游围堰的造价为一固定值，下面在考虑各方案造价时就不再计算。

总费用=围堰费用+隧洞费用 围堰费用=围堰单价×围堰体积 隧洞费用=隧洞单价×隧洞体积
进行围堰断面设计，尺寸和形式如图1-1所示：
图 1-1围堰断面尺寸
隧洞长度经测量为1155m
则隧洞的总开挖量：3264.751155305786.25V m =⨯=； 隧洞的造价为：305786.2515045867937.5V C ⨯=⨯=元。

上游围堰的体积开挖量12V L L H =⨯⨯
(15181.62)/2(196.0535)/255.54=+⨯+⨯
3630782.3731m =
围堰的造价为：630782.37314528385206.79V C ⨯=⨯=元。

方案一的总造价为45867937.5+ 28385206.79=74253144.29元。

方案二：假定隧洞的洞径为18×17，采用无压城门洞型，形式和尺寸如下：
经几何关系计算得到隧洞的断面面积： 2278.81A m =
隧洞洞径不能太小，应校核平均流速V=Q/W <20m/s ，否则流速过高会使隧洞破坏。

隧
洞
的
面
积
校
核
：
V=Q/W=5100/278.81=18.29<20m/s,所设计的隧洞尺寸符合标准。

利用方案一中的公式带入数据，计算
得到 34.84Z m =
综上可得，上游水位Z 上=305.434.84340.24m += 安全加高为取0.30m 。

波浪爬高和风浪壅高（R+e ）的近似估计值取值为1.2m 。

则上游围堰的高程：H =Z 下+h+d=305.4+34.84+1.2+0.3=341.74m 最终确定围堰的高为：H-Z 河床=341.74-290=51.74m 。

进行围堰断面设计，尺寸和形式如图1-2所示：
图 1-2
计算隧洞的总开挖量：3278.811155322025.55V m =⨯=； 隧洞的总造价为：322025.5515048303832.5V C ⨯=⨯=元。

围堰的体积开挖量12V L L H =⨯⨯
(15170.22)/2(193.7535)/251.74=+⨯+⨯
3548043.9851m =
围堰的造价：V ×C=548043.9851×45=24661979.33元。

方案二的围堰与隧洞的总造价为=48303832.5+24661979.33=72965811.83元。

方案三：假定隧洞的洞径为18×18，采用无压城门洞型，形式和尺寸如下图所示。

经几何关系计算得到隧洞的断面面积：2296.81A m =
隧洞洞径不能太小，应校核平均流速V=Q/W <20m/s ，否则流速过高会使隧洞破坏。

隧
洞
的
面
积
校
核
：
V=Q/W=5100/296.81=17.18m/s <20m/s,所设计的隧洞尺寸符合标准。

利用方案一中的公式带入数据，计算得到 30.74Z m = 综上可得，上游水位Z 上=305.430.74335.78m += 安全加高为取0.30。

波浪爬高和风浪壅高（R+e ）的近似估计值取值为1.2m 。

则上游围堰的高程：H =Z 下+h+d=305.4+30.74+0.3+1.2=337.28m 最终确定围堰的高为：H-Z 河床=337.28-290=47.28m 。

进行围堰断面设计，尺寸和形式如图1-3所示：
图1-3
计算隧洞的总开挖量：3296.811155342815.55V m =⨯=； 隧洞的造价为：342815.515051422332.5V C ⨯=⨯=元。

上游围堰的体积开挖量12V L L H =⨯⨯
(15141.6)/2(35185.25)/247.28=+⨯+⨯
3386690.118m =
围堰的造价为：386690.1184517401055.31V C ⨯=⨯=元。

方案三：围堰与隧洞的总造价为=51422332.5+17401055.31=68823387.81元。

将各个方案造价比汇总表1-4：
方案一
方案二
方案三
隧洞尺寸（m ）
17×17
17×17 18×18 隧洞面积（m 2） 264.75 278.81 296.81 隧洞造价（元） 45867937.5 48303832.5 514422332.5 上游围堰 造价（元）
28385206.79
24661979.33 17401055.31 总 造 价（元） 74253144.29
72965811.83
68823387.81
方
案
项
目
方案造价比较见图1-4：
隧洞
围堰
总造价
隧洞面积（平方米）造价（元）
图 1-4
比较而言方案二中的总造价耗费最低，所以选定方案三中的洞径18×18.
2隧洞水力计算：
2.1判断导流洞是 “长洞” 还是 “短洞”
由试验得到的判别方法：
当底坡为缓坡而趋于平坡，长短洞的界限长度为
mH L k )163~64(=
式中 ：H ——上游水深；m ——进口的流量系统，一般取m =0.365～0.320 上面公式也可以写为
H L k )12~5(=
若洞长k l l >，为长洞；若洞长k l l <，为短洞。

当底坡为缓坡而接近于临界坡k i ，上式中算出的k l 的上限应增加约%30。

当底坡为陡坡（k i i >，例如无压导流洞和泄水涵洞多采用陡坡），泄流能力不受洞长影响，按短洞工作考虑。

所以得(5~12)47.28k L =⨯=236.4~567.361155l m <=，故而此导流洞为长
洞。

隧洞上下游布置高程分别为292.00m 、290.82m 。

底坡i=（292.00-290.82）/1155=0.001
隧洞面积A 为296.81 m 2
，隧洞长L 为1155m ，粗糙系数n 选为0.015(此处为隧洞用水泥衬砌之后的粗糙系数)。

底坡(292290.82)i 0.001070.1%1155h L -===≈。

对于长洞，一般要由下游向上游推算水面曲线，以求得进口断面处的水深
'Hc 。

当下游水深Hs 低于出口断面的临界水深Hk 时，则以出口断面的Hk 为控
制水深向上游推算b1型水面线；当Hs 高于出口断面的Hk 时，则在出口断面处以Hs 为控制水深向上游推算。

其中当Hk<Hs<H0为b1型水面线；Hs>H0>Hk 为a1型水面曲线。

当求出'Hc 之后，以'Hc /H0在《水力计算手册》中查出系数σ再用5.12H g mb Q σ=计算。

其中b —过水断面宽度 Hk —临界水深
Wk —相应于Hk 时的过水断面积 σ--淹没系数
H0—以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头 m---流量系数这里取m=0.32
2.2泄流能力计算
根据来水量的不同，隧洞泄流一般要经过无压流、半有压流及有压流等三个阶段。

（1）当H/a<1.2时为无压过流
由无压过水能力计算公式Ri AC Q =，判断洞内水流是缓流还是急流。

b
18 1 18 0.001 20 0.90 0.015 66.67 0.98 65.51 0.03 35.38 18 2 36 0.001 22 1.64 0.015 66.67 1.09 72.37 0.04 105.39 18 3 54 0.001 24 2.25 0.015 66.67 1.14 76.32 0.05 195.48 18 4 72 0.001 26 2.77 0.015 66.67 1.19 79.01 0.05 299.34 18 5 90 0.001 28 3.21 0.015 66.67 1.21 80.99 0.06 413.27 18 6 108 0.001 30 3.60 0.015 66.67 1.24 82.54 0.06 534.84 18 7 126 0.001 32 3.94 0.015 66.67 1.26 83.78 0.06 662.39 18 8 144 0.001 34 4.24 0.015 66.67 1.27 84.80 0.07 794.72 18 9 162 0.001 36 4.50 0.015 66.67 1.28 85.66 0.07 930.94 18 10 180 0.001 38 4.74 0.015 66.67 1.30 86.40 0.07 1070.36 18 11 198 0.001 40 4.95 0.015 66.67 1.31 87.04 0.07 1212.46 18 12 216 0.001 42 5.14 0.015 66.67 1.31 87.59 0.07 1356.81 18 12.5 225 0.001 43 5.23 0.015 66.67 1.32 87.84 0.07 1429.74 18 12.6 226.8 0.001 43.2 5.25 0.015 66.67 1.32 87.89 0.07 1444.37 18 12.7 228.6 0.001 43.4 5.27 0.015 66.67 1.32 87.94 0.07 1459.03 18 12.8 230.4 0.001
43.6 5.28 0.015 66.67 1.32 87.99 0.07 1473.70
表2-2 根据计算值Q ，求临界水深k h （设a=1）
0.002 930.94 51.72 6.49 116.8 31.0 3.77 0.015 1.25 83.17 6917.04 0.002 1070.36 59.46 7.12 128.1 32.2 3.97 0.015 1.26 83.91 7040.34 0.002 1212.46 67.36 7.74 139.2 33.5 4.16 0.015 1.27 84.55 7148.05 0.003 1356.81 75.38 8.34 150.1 34.7 4.33 0.015 1.28 85.11 7243.09 0.003 1429.74 79.43 8.63 155.4 35.3 4.41 0.015 1.28 85.36 7286.60 0.003 1444.37 80.24 8.69 156.5 35.4 4.42 0.015 1.28 85.41 7295.00 0.003 1459.03 81.06 8.75 157.5 35.5 4.44 0.015 1.28 85.46 7303.32 0.003 1473.7 81.87 8.81 158.6 35.6 4.45 0.015 1.28 85.51 7311.54
0.003
由以上计算可知，k h h >呈缓流，进口堰流属于淹没宽顶堰流，由
5.12H g mb Q σ=计算。

当求流量Q 时，由于要推算水面线，必须用试算法：先假设某一Q 值，有相应的下游水位向上游推算'
Hc ，继而查《水力计算手册》淹没系数表得到淹没系数σ，最后得出'
Q ，看该值是否与所设的Q 值一致，如果一致，该值就是所求结果，如不一致，则要重新假设某一Q 值，重复上述计算，直至求得结果为止。

（2）半有压过流
水流封闭进口，但洞内全为明流的隧洞，称为半有压流短洞；洞内只有部分明流的隧洞，称为半有压长洞。

对于半有压过流，该阶段水流流态不稳定，计算上比较复杂，在此省略。

（3）有压过流
对于有压自由出流水力计算，按设计泄流量的最大值查下游水位～流量关系曲线，得到下游水位
304.16m,即下游水深为
()305.429211550.00114.555--⨯=m 小于洞高18m ，说明下游水位无淹没出流的问题，故无需进行淹没出流计算。

Q
2.67b /nk
h/b h H
1.5H
'Q
105.39 3332.724426 44.94557337 0.105 1.89 2.575328241 4.13284279 105.39 195.48 6181.62037 24.23170645 0.14 2.52 3.887775759 7.665699864 195.48 299.34 9465.961948 15.82419315 0.195 3.51 5.165069347 11.73854408 299.34 413.27 13068.74489 11.46179006 0.24 4.32 6.404062682 16.20628086 413.27 534.84 16913.12584 8.856506576 0.25 4.5 7.605286411 20.97361835 534.84 662.39 20946.61099 7.151095242 0.26 4.68 8.77085973 25.97546006 662.39 794.72 25131.25302 5.96035582 0.29 5.22 9.90320454 31.16474829 794.72 930.94 29438.90765 5.088205445 0.31 5.58 11.00476522 36.50658191 930.94 1070.36 33847.75516 4.425440018 0.33 5.94 12.07775553 41.97390273 1070.36 1212.46 38341.35172 3.906779586 0.35 6.3 13.12435393 47.5463191 1212.46 1356.81 42906.09952 3.491140231 0.38 6.84 14.14639166 53.20696865 1356.81 1429.74 45212.34862 3.313059701 0.48 8.64 14.64887812 56.06690057 1429.74 1444.37 45674.98984 3.279501774 0.49 8.82 14.7486395 56.6406124 1444.37 1459.03 46138.57975 3.24655009 0.492 8.856 14.84826814 57.21550068 1459.03 1473.7
46602.48588
3.214232189
0.495 8.91 14.94763128
57.7907811 1473.7
隧洞水力计算简图
图2-1图2-1 隧洞水力计算图
有压自由出流的计算公式：
)(2p h H g A Q -=μ
式中： 流量系数∑++=
R
C gl
2
211ξμ ∑ξ为总水头损失
湿周弧长++=b h 2χ 水力半径χ
A
R = 谢齐系数61
1
R n C =
平均单位势能a h p
β=
总
水
头
损失
5.05.3)90]()(1632.0
131.0[θρξ∑
+=d =1
3.5
2
18360.1310.163215090⎡⎤⎛⎫
⎛⎫
+⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
⎢⎥⎣⎦=0.0829 湿周1218218265.373h b m χπ=++=+
⨯
-+⨯=弧（
因水力半径296.81 4.5465.37A
R χ==
=，谢才系数11
6
611 4.5485.790.015
C R n ==⨯=，
平均单位势能0.85(1810.88p h a β==⨯=，
流量系数∑+
+=R
C gl
2211ξμ0.7535=
即得公式0.7535296.81Q =⨯
（1-1）
隧洞自由出流时流态演变过程如下：
当
2.1<a
H
时，为无压流； 当5.12.1<<a H
时，为不稳定流态；
当5.1>a H
时，为有压流。

故产生有压流的洞前起始水头为：
a H 5.1==1.5⨯12.8=19.2m 即起始水位为： 上h =292+19.2=311.2m
因此可认为有压流的上游水位起始高程为311.2m 。

然后假设若干大于311.2m 递增的水位，代入式（1-1）中，可得若干对应的流量值。

以此求出有压流情况下上游水位与下泄流量的关系曲线()上h f Q =。

图2-2 泄流曲线图
3调洪演算
3.1上游土石围堰的设计
对全年20年一遇洪水35100Q m =，按典型洪水过程线同倍比放大，进行水库调洪计算，以降低围堰高度。

采用试算法计算，计算公式如下：
()()12121211
22Q q Q Q q q t t
υυυ-∆-=
+-+==∆∆ 式中 1Q 、2Q ——分别为计算时段初、末的入库流量，3m
Q ——计算时段中的平均入库流量，3m
1q 、2q ——分别为计算时段初、末的下泄流量，3m q ——计算时段中的平均下泄流量，3m s
1υ、2υ——分别为计算时段初、末水库的蓄水量，3m
υ∆——为1υ和2υ之差
t ∆——计算时段，一般取1~6小时，需化为秒数
计算结果如表3--1：
调洪计算列表试算法 时间 入库 流量 m3/s 同倍比
放大 流量
m3/s 时段 平均 入库 流量 m3/s 下泄
流量 m3/s 时段 平均 下泄 流量 m3/s
时段内库 存水量变 化亿m3/s 水库存 水 量 亿m3/s 水 库 水位 m
7.10
7.10.0 120 189.48
189.48 0 0.16536 294.24 7.10.2 390 615.81 402.65 219.68 204.58 0.01426 0.17962 294.61 7.10.4 760 1200.04 907.93 329.29 274.49 0.04561 0.22523 295.77 7.10.6 1080 1705.32 1452.68 538.09 433.69 0.07337 0.29860 297.66 7.10.8 1430 2257.97 1981.65 848.69 693.39 0.09275 0.39135 300.03 7.10.10 1760 2779.04
2518.51 1204.20 1026.44 0.10743 0.49878 302.42 7.10.12 2060 3252.74 3015.89 1629.01 1416.60 0.11515 0.61393 304.97 7.10.14 2340 3694.86 3473.80 2099.52 1864.26 0.11589 0.72981 307.55 7.10.16 2580 4073.82 3884.34 2779.88 2439.70 0.10401 0.83383 309.86 7.10.18 2800 4421.2 4247.51 3380.14 3080.01 0.08406 0.91789 311.81 7.10.20 2990 4721.21 4571.21 3604.87 3492.50 0.07767 0.99555 313.62 7.10.22 3120 4926.48 4823.85 3791.05 3697.96 0.08106 1.07662 315.5 7.11
7.11.0 3200 5052.8 4989.64 3969.84 3880.45 0.07986 1.15648 317.36 7.11.2 3230 5100.17 5076.49 4128.14 4048.99 0.07398 1.23046 319.08 7.11.4 3200 5052.8 5076.49 4262.17 4195.16 0.06346 1.29392 320.57 7.11.6 3120 4926.48
4989.64 4363.76 4312.97 0.04872 1.34264 321.73 7.11.8 2980 4705.42 4815.95 4426.81 4395.28 0.03029 1.37292 322.45 7.11.10 2780 4389.62 4547.52 4443.45 4435.13 0.00809 1.38102 322.64 7.11.12 2560 4042.24 4215.93 4411.92 4427.68 -0.01525 1.36577 322.28 7.11.14 2290 3615.91
3829.08
4330.48 4371.20 -0.03903 1.32674 321.35
由上表可作出下面两图：
图 3-1
图 3-2
由表3-1可以知道max q 发生在7.11.87.11.10之间，由于t 要变化，并且
7.11.16 1930 3047.47 3331.69 4190.32 4260.40 -0.06687 1.25987 319.76 7.11.18 1580 2494.82 2771.15 3988.25 4089.28 -0.09491 1.16496 317.56 7.11.20 1240 1957.96 2226.39 3725.19 3856.72 -0.11738 1.04758 314.83 7.11.22 930 1468.47 1713.22 3364.75 3544.97 -0.13189 0.91569 311.76 7.12 7.11.0 670 1057.93 1263.20 2515.15 2939.95 -0.12073 0.79497 309 7.11.2 540 852.66 955.30 1984.07 2249.61 -0.09319 0.70178 306.93 7.11.4
430 678.97 765.82 1675.08 1829.57 -0.07659 0.62519 305.23 7.11.6
380 600.02 639.50 1424.10 1549.59 -0.06553 0.55966 303.77 7.11.8 350 552.65 576.34 1227.32 1325.71 -0.05396 0.50571 302.57 7.11.10 330 521.07 536.86 1076.2525 1151.79 -0.04427 0.46143 301.59 7.11.12 320 505.28 513.18 954.31915 1015.29 -0.03615 0.42528 300.78
无法得出max q 发生的具体时间。

故不能用半图解发法找出切点，采用内插法求解。

经过计算可以得到：max q =4435.13m 3/s=Q 来，max Z =322.64m ，max V =1.381亿m 3，发生在时段7月11日8时至10时之间。

经过调洪演算，最终的上游水位为322.64m 。

坝顶的超高：d=R+e+A R ：为波浪在坝坡上的设计爬高，m ； e ：为风浪引起的坝前水位壅高，m ； A ：为安全加高，m ；
安全加高可根据大坝的级别按下表采用。

非常运行条件（a ）使用于山区，丘陵区；非常运行条件（b ）适用于平原区，滨海区。

表1–15 土石坝的安全加高
根据江坪河工程围堰的级别为4级，山区属于非常运行条件（
a ），所以得安全加高为取0.30。

由于R 和e 的计算公式很多，主要都是经验和半经验性的，适用于一定的具体条件，可按SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》推荐公式计算确定。

对于中，小型土石坝，R+e 的高度可按照坝前水库中风的吹程D 做近视估计，参见下表：
表1–16波浪爬高和风浪壅高（R+e ）的近似估计值
D——水库吹程，一般取上游水库最窄处河宽B的5倍，D=5B
代入江坪河工程数据，由于D<1.6Km，故波浪爬高和风浪壅高（R+e）的近似估计值取值为1.2m。

所以上游土石围堰的高程为：H=322.64+1.2+0.3=324.14m，设计时取H=324.14m
上游围堰的高度确定为：324.24-290=34.14m，所以最终设计取值为35m。

土石围堰挡水标准为20年一遇洪水标准，相应流量为51003
m s。

土石围堰设计为心墙防渗体。

堰顶兼作运输要求，宽度取10m；上游堰壳采用土料，常用1:2.5~1:3.5，取1:1.25；下游堰壳采用土料，常用1:2.0~1:3.0，取1:2.0。

3.2下游土石围堰的确定
天然来水量5100m3/s，对应下游水位Z
=305.4m，江坪河工程下游围堰为不
下
过水围堰。

则所需要安全超高：波浪爬高和风浪壅高（R+e），同样用上面的公式，结合地形平面布置图，所以下游围堰的高程H ：
H= Z
+d=305.4+1.2+0.3=306.9m,
下
=306.9-290=16.9m
得到围堰的高为：H-Z
河床。