最新圆形隧洞设计
圆形隧洞设计
隧洞设计实例
一、隧洞的基本任务和基本数据
1、隧洞的基本任务
泄水隧洞的进口全部淹没在水下，进口高程接近河床高程，其担负的任务如下：
(1) 预泄库水，增大水库的调蓄能力。
(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。
表1
二、隧洞的工程布置
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，圆形断面的水流条件和受力条件比较好，并且可以充分利用围岩的弹性抗力，从而减小衬砌的工程量，降低施工的难度和造价。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，在井的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 为了与孔口的水流型态相适应，使水流平顺，避免产生不利的负压和空蚀破坏，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的矩形断面喇叭口形，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
22
=?+
y x ，用下列坐标绘制侧面曲线，见表2。
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 的平面钢闸门，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，致使门槽及附近的边墙或底板发生空蚀。为此，将门槽的下游壁削去尖角，用半径为R=10cm 的圆弧代替，并做成1:12的斜坡，错距采用8cm 。
3) 通气孔 在闸室右部设置通气孔，其作用是在关闭检修门，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，向检修闸门和工作闸门之间充水时，排出洞中空气，使洞中充满水。通气孔的断面积一般取泄水孔断面积的0.5%~1%，此泄水孔的断面积为9.62m
2
)4
5.314.3(2 ，所
以通气孔取0.25×0.25m ，通气孔的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的安全。
4)渐变段 为使水流平顺过渡，防止产生负压和空蚀，设置渐变段，由于渐变段施工复杂，故不宜太长，但是为使水流过渡平顺，又不能太短，一般用洞身直径的2~3倍，取渐变段长度为8.0m 。
根据本隧洞的任务，其进口高程应设置得低一些，河床的平均高程为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 考虑到所选洞线的地形、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和检修时排除积水，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—作用于隧洞的有效水头；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的洞径：
表3
比较以上数据，考虑一定的安全储备，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 有压隧洞的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的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的冲刷，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的顺坡，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—作用在隧洞上的有效水头，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 ωω
ζωωμ∑+∑+=
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)