发电或引水有压隧洞设计大纲范本.docx
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发电或引水有压隧洞设计大纲范本
FJD34090FJD
水利水电工程技术设计阶段
发电或引水有压隧洞
设计大纲范本
水利水电勘测设计标准化信息网
1997年11月
水电站技术设计阶段
发电或引水有压隧洞
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.设计基本资料5
4.隧洞布置与洞径复核与优化12
5.隧洞水力设计18
6.隧洞结构设计20
7.隧洞围岩稳定分析及一次性支护设计30
8.不衬砌与锚喷衬砌设计34
9.预应力混凝土衬砌及其它衬砌型式设计36
10.降低外水压力的措施36
11.不良地质洞段处理37
12.回填灌浆及固结灌浆处理38
13.隧洞原型观测、检修及运行40
14.专题研究41
15.工程量计算41
16.应提供的设计成果42
1引言
1.1工程概况
本工程为水电站（水利）枢纽，位于，本枢纽是以为主，兼有等综合利用的水利水电枢纽工程。
枢纽采用条有压引水隧洞，作为引水建筑物。
引水隧洞单条长分别为、m，直径m，引用流量m3/s。
电站装机台MW的式机组，总装机容量MW。
1.2设计范围
本大纲为发电（引水）有压隧洞技术设计大纲。
设计范围，包含从隧洞挂口开始到发电（引水）有压隧洞同引水系统中另一建筑物（指调压井、钢管或明渠等）连接处止。
设计内容，包含设计参数选择、隧洞总体设计、水力设计、一次及二次支护设计、不良地质洞段处理、细部设计、专题研究（含试验）、施工期监测及运行期观测设计、施工技术要求、工程量计算及其他辅助设施设计。
1.3设计主要思想及考虑的因素
设定本引水隧洞埋深较大，所经过的大部分地段围岩地质条件较好。
但因隧洞穿越地层多，沿线工程地质条件、水文地质条件复杂，且不易搞清。
目前地下结构设计理论尚不完善，要用多种理论和方法进行分析计算。
充分考虑隧洞沿线的复杂地质条件，特别是不良地质洞段，针对不同地质条件，作出合理的设计。
设计中应详细地对各种条件下的围岩稳定进行分析，注重围岩的加固，采用新奥法（NATM法）施工，充分发挥围岩的承载能力，做到简化衬砌结构，加快施工进度，缩短工期，降低工程造价。
2设计依据文件和规范
2.1本工程的依据文件
（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）工程地质报告；
（4）工程专题研究（试验）报告；
（5）工程有关文件。
2.2主要设计规范
（1）SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定（山区、丘陵区部分）（试行）；
（2）SDJ21787水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（平原、滨海部分）（试行）；
（3）SD_13484水工隧洞设计规范（试行）；
（4）SDJ20782水工混凝土施工规范；
（5）SL6294水工建筑物水泥灌浆施工技术规范；
（6）SDJ1078水工建筑物抗震设计规范（试行）；
（7）SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；
（8）SDJ5785水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范；
（9）SDJ21283水工建筑物地下开挖工程施工技术规范；
（10）SL4794水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范；
（11）SD30388水电站进口设计规范（试行）；
（12）SD14485水电站压力钢管设计规范（试行）；
（13）DL/T50581996水电站调压室设计规范；
（14）GB5024092钢筋混凝土工程施工及验收规范；
（15）GBJ8685锚杆喷射混凝土支护技术规范；
（16）GBJ789建筑地基基础设计规范；
（17）GBJ1089混凝土结构设计规范及局部修改条文；
（18）GBJ1785钢结构设计规范。
2.3主要参考资料
（1）《水力计算手册》（武汉水利电力学院编）；
（2）《水力学》上、下册（成都科技大学编）；
（3）《水力学》上、下册（清华大学编）；
（4）灌区水工建筑物丛书《涵洞》、《隧洞》；
（5）《水工设计手册》；
（6）《地下建筑物设计手册》（1993版）；
（7）《铁路工程设计技术手册》；
（8）《喷射混凝土》程良奎编（1990版）；
（9）《铁路隧道新奥法指南》（1988版）；
（10）《水工隧洞设计》潘家铮编；
（11）《水力学设计》（美国陆军工程兵团）。
3设计基本资料
3.1工程等别与建筑物级别
根据本工程规模，按照《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定（山区、丘陵区部分）》（SDJ1278）（试行）及其补充规定，本工程属等工程，发电（或引水）隧洞为本工程之建筑，应按级建筑物设计。
3.2气象资料
3.2.1气温
本隧洞区多年平均气温℃，极端最高气温℃，极端最低气温℃。
各月气温如表1：
表1各月气温表单位：
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年平均气温
极端最高气温
极端最低气温
3.2.2水温
本库区多年平均水温℃，极端最高水温℃，极端最低水温℃。
各月水温如表2：
表2各月水温表单位：
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年平均水温
极端最高水温
极端最低水温
3.3设计洪水标准
（1）设计情况洪水重现期，TS=a；
（2）校核情况洪水重现期，TX=a；
3.4水的重度
（1）清水重度：
kg/cm3；
（2）浑水重度：
kg/cm3。
3.5水位及引用流量
（1）水库水位
水库正常蓄水位：
m；
水库设计洪水位：
m；
水库校核洪水位：
m；
水库死水位（最低）：
m；
水库防洪限制水位：
m；
（2）调压井水位（或隧洞出口水位）
调压井最高涌浪水位：
m；
调压井最低涌浪水位：
m；
调压井正常运行水位：
m；
（3）引用流量
本引水系统引用流量m3/s，单条隧洞最大引用流量：
m3/s。
（4）隧洞允许最大水头损失
隧洞允许最大水头损失：
m。
3.6地震烈度
（1）基本地震烈度：
度；
（2）设计地震烈度：
度。
提示:
线路较长时，可分洞段列出不同的地震烈度。
3.7水库淤积和泥沙
（1）进水口推移质粒径：
mm；
（2）进水口推移质含量：
kg/m3；
（3）进水口悬移质粒径：
mm；
（4）进水口悬移质含量：
kg/m3；
（5）年推移质总量：
t；
（6）年输沙量：
t。
3.8污物情况
（1）污物来源：
；
（2）污物种类：
；
（3）污物数量：
；
（4）漂浮规律：
。
3.9地质资料
3.9.1区域工程地质及水文地质资料
提示:
本节由地质专业根据区域地质条件提供，供隧洞布置使用。
（1）简述地形地貌、地层岩土性质地质、构造产状、有无有害气体等；
（2）简述含水层的类型、地下水的化学性质、地下水的补给与排泄、沿线地表水与地下水动态等；
（3）提供地下水的排堵措施，供设计参考。
3.9.2隧洞沿线围岩工程地质、水文地质资料
隧洞沿线围岩分类及稳定评价、岩性、围岩物理力学指标、地应力、水文工程地质条件及一次支护的措施等汇总见表3。
表3隧洞围岩地质、水文地质条件汇总表
代表
性剖
面桩
号
分
段
长
度
围岩
地质
特征
及段号
最大
隧洞
埋深
最大
洞上
地下
水头
单位
弹性
抗力
系数
K0
坚
固
系
数
f
结构面
对围岩
的影响
程度
地应力及洞轴线与地应力主应力方向夹角
岩
体
状
态
RQD
岩体
弹性
模量
E
岩体
变形
模量
E0
岩体抗拉强度及允许值
m
m
m
kN/m3
（）
%
MPa
MPa
MPa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
岩体
抗压
强度
岩体
泊松
比
岩体
内摩
擦角
岩体抗
剪（断）
强度
C
岩体
重度
岩体
完整
性能
I
岩石
质量
S
岩体
工程
质量
M
水文
地质
条件
渗透
系数
围
岩
分
类
建议
施工
支护
措施
类别
名称
MPa
（）
MPa
kN/m3
m/d
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
提示:
如遇围岩为溶洞、软基等不良地质段，上述地质参数中还应包括基础沉陷量，各段地基的承载力、软基与混凝土间摩擦系数，以及关键复杂部位节理、裂隙面抗剪强度等。
3.9.3隧洞沿线地应力资料
提示:
由地质专业根据区域地质和实测地应力资料，按隧洞桩号提供地应力值及方向。
3.9.4枢纽平面地质图及洞线地质剖面图
3.9.5隧洞沿线地温及岩石热常数
（1）地温梯度：
度。
（2）岩石热常数，见表4。
表4岩石热常数表
岩石名称
导热系数c
J/（Mh℃）
比热系数
J/（kg℃）
线胀系数
℃-1
（3）隧洞沿线地温。
提示:
按桩号和埋深提供地温（列成表）。
3.10材料特性及安全系数
3.10.1钢筋
（1）钢筋设计强度及弹性模量，见表5。
表5钢筋设计强度及弹性模量表单位：
MPa
钢筋种类
符号
钢筋受拉设计强度Rg
钢筋受压设计强度Rg
弹性模量E
I级钢筋（3号钢）
240
240
2.1×105
II级钢筋（16Mn）
直径28mm
320
320
2.0×105
直径<28mm
340
340
2.0×105
III级钢筋（25Mn）
380
380
2.0×105
5号钢筋
280
280
2.0×105
（2）钢筋泊松比：
=0.30。
3.10.2钢材
（1）钢材为钢；
钢板为钢。
（2）钢材设计强度及弹模，见表6。
表6钢材设计强度及弹性模量表单位：
MPa
钢材号
符号
钢材受拉设计强度Rg
钢材受压设计强度Rg
弹性模量E
I级钢材（3号钢）
A3
240
240
2.1×105
II级钢材
板厚大于mm
16Mn
320
320
2.0×105
板厚小于、
等于mm
16Mn
340
340
2.0×105
III级钢材
25Mn
380
380
2.0×105
5号钢材
A5
280
280
2.0×105
（3）钢材泊桑比：
=0.30。
（4）钢板强度指标及弹模，见表7。
表7钢板强度指标及弹性模量表单位：
MPa
钢材号
钢板厚度，mm
钢板屈服强度Rg
钢板极限强度Rg
弹性模量E
（5）钢板允许应力，见表8。
表8钢板允许应力表单位：
MPa
钢板
钢号
钢板厚
mm
荷载
组合
埋管
明管
直管
弯、锥管
按明管校核
直管
弯、锥管
基本
特殊
基本
特殊
（6）焊缝系数：
。
（7）钢板泊桑比：
=0.30。
（8）线膨胀系数：
。
（9）钢板抗外压失稳安全系数。
3.10.3混凝土和钢筋混凝土
（1）混凝土的标号：
。
（2）混凝土重度：
=24kN/m3。
（3）钢筋混凝土重度：
=25kN/m3。
（4）混凝土泊松比：
=1/6。
（5）混凝土设计强度及弹性模量，见表9。
表9混凝土设计强度及弹性模量表单位：
MPa
项目
符号
混凝土标号
混凝土标号
C
C15
C20
C25
C30
轴心抗压
Ra
弯曲抗压
RW
抗拉
R1
抗裂
Rf
弹性模量
E
（6）强度安全系数，见表10。
表10强度安全系数表
结构
受力特征
荷载组合
基本
特殊
混凝土
按抗压强度计算的受压构件、局部承压
按抗拉强度计算的受压、受弯、受拉构件
钢筋混凝土
轴心受压、偏心受压、局部承压、斜截面受剪、受扭构件
轴心受拉、受弯、偏心受拉构件
（7）钢筋混凝土轴心受拉、小偏心受拉构件抗裂安全系数：
。
（8）钢筋混凝土结构构件允许最大裂缝宽度：
mm。
（9）混凝土抗渗标号：
。
（10）混凝土与围岩粘结强度不得小于MPa；
（11）混凝土的热学常数：
导热系数c=J/（mh℃）；
比热系数=J/（kg℃）；
线胀系数=℃-1。
3.10.4喷混凝土设计指标
（1）喷混凝土标号：
；
（2）喷混凝土重度：
kN/m3。
（3）喷混凝土泊松比：
；
（4）喷混凝土强度及弹性模量，见表11。
表11喷混凝土设计强度及弹性模量表单位：
MPa
项目
符号
喷混凝土标号
喷混凝土标号
C
C15
C20
C25
C30
轴心抗压
Ra
弯曲抗压
RW
抗拉
R1
抗裂
Rf
弹性模量
E
（5）强度及抗裂安全系数；
（6）喷混凝土抗渗标号。
3.10.5钢纤维喷射混凝土设计指标
（1）普通炭素钢纤维抗拉强度不低于MPa；
（2）钢纤维直径为mm；
（3）钢纤维长度为mm；
（4）钢纤维的参量为混合料重的%；
（5）钢纤维喷射混凝土重度kN/m3。
3.11衬砌糙率
（1）钢模混凝土衬砌：
n=；nmax=；nmin=；
（2）木模混凝土衬砌：
n=；nmax=；nmin=；
（3）喷混凝土衬砌：
n=；nmax=；nmin=；
（4）浆砌石衬砌：
n=；nmax=；nmin=；
（5）钢板衬砌：
n=；nmax=；nmin=；
（6）不衬砌：
n=；nmax=；nmin=。
3.12隧洞开挖、衬砌施工方法
（1）隧洞开挖采用开挖；开挖起伏差控制为mm；
（2）隧洞衬砌采用模及模进行混凝土衬砌施工，浇筑块长度为模m；模m。
提示:
（1）说明开挖，是采用手风钻，还是多臂钻或掘进机。
（2）说明浇筑是钢模还是木模，支护是喷混凝土还是预制混凝土构件衬砌。
（3）根据采用的浇筑模板不同，说明衬砌分缝、分块、分期浇筑情况。
3.13初设阶段设计、研究报告及隧洞布置图
提示:
着重叙述上阶段的成果、方案和需要研究的问题。
4隧洞布置与洞径复核与优化
4.1隧洞轴线及进出口布置
4.1.1隧洞轴线及进口布置
提示:
（1）洞线布置系在批准的初设方案上，根据隧洞的开挖机械和方法，考虑隧洞挂口地质条件及进水口布置条件，进一步结合地形、地质、防沙等条件，进行局部的洞线修正。
（2）原则上应复核选择作为隧洞挂口处的地质条件及进水口布置。
本引水隧洞末端与调压井等连接，为改善调压井和压力管道连接处的水流条件，隧洞进入调压井的轴线应在压力管道上水平段的对称轴上。
（3）进行洞线修正时，应考虑下列条件：
1）隧洞选线时应当研究满足水力枢纽总布置的要求；
2）应考虑隧洞沿线的岩性、产状、断层、节理等结构特征、地下水分布规律等因素，应尽可能避开对隧洞不利的工程地质和水文地质条件的区段（如地质构造有很大破坏、逸出气体、地下水渗流、坍塌和喀斯特等），避开具有不利卫生环境条件的区段（如坟墓、垃圾厂以及渗滤场地等）；
3）洞线的长度对工程造价、施工工期及施工的难易程度，有着直接的关系。
洞线修改时，平面布置应力求直线型，使洞线为最短，工程量最小，对洞内水流条件有利，且施工方便，便于机械化施工；对弯道弯曲的几何尺寸，要求弯道的转角不大于60，弯曲半径不小于5倍洞径或洞宽。
与上列数值相比，增大转折角度、减少弯曲半径以及提高水流速度时，它们的允许值，必须经试验验证论证后采用。
为了使水流顺畅，在弯道的首尾尚应设置一定长度的直线段，其长度不宜小于5倍洞径（或洞宽）。
4）在满足上列要求的条件下，洞线宜选在沿线地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、上覆厚度大、水文地质条件有利、以及施工方便的区段。
地质条件的好坏，影响隧洞设计、施工和运行的安全，但更为突出的是直接关系到隧洞开挖的成败。
隧洞的破坏大部分发生在施工开挖阶段。
不良地质条件的存在。
将降低围岩的承载能力，增加加固设施。
为了充分发挥隧洞围岩自身的潜力，保证施工安全，简化加固结构和降低工程造价，在洞线选择时，应尽量把隧洞设置于坚硬、完整、稳定的山体中，避开大范围的断层破碎带，严重风化区，遇水易泥化、崩解、膨胀和溶蚀的岩体，以及地下水过多、地应力过大的地段。
5）对两条或两条以上隧洞轴线布置时，其轴线中心距应根据围岩地质条件、开挖施工机械和方法对围岩扰动的影响，原则上要求隧洞间岩柱厚度应大于2~3倍隧洞开挖直径。
如岩柱厚度小于2倍隧洞开挖直径，应作专门论证。
6）若洞线遇到沟谷时，应根据地形、地质、沟谷中的水文情况及施工条件等，进行绕沟或跨沟方案的技术经济比较。
当采用跨沟方案时，应合理选择跨沟位置，对跨沟处建筑物的地基、隧洞的连线部位及其洞脸山坡，应加强工程措施。
7）隧洞围岩的覆盖厚度，涉及到围岩的稳定性、围岩抗力及围岩的防渗能力等。
为了维护围岩的稳定，使其具有一定的防渗能力，并考虑一定安全系数后的厚度，对最小覆盖厚度的取值，应结合具体情况，综合分析研究确定。
4.1.2渐变段布置
提示:
（1）隧洞可能有多种断面形状，不同断面之间应设置渐变段。
为了保证洞内水流平顺，渐变段采用平缓过渡。
为简便起见，一般采用直线规律变化的渐变段，其长度取1.5~2.0倍洞径。
圆形断面与圆形断面衔接，扩散角一般为4~8，收缩角一般为7~11。
（2）渐变段布置中，渐变段两端面积及形状不同时，要注意过渡断面面积的变化情况，尽量避免出现鼓肚情况，防止面积变化的不规律。
4.1.3岔洞布置
提示:
（1）为了减少工程项目，降低造价，工程采用发电引水隧洞与隧洞合用一条主洞，而在处分岔过水的布置。
（2）采用这种布置需要解决水力学方面的问题，主要是如何防止岔洞附近的空蚀和减少对发电的影响。
（3）布置形式有两种，一种为主洞发电，支洞泄洪；另一种为主洞泄洪，支洞发电或由一条主洞分为两条支洞等。
岔洞下游主洞和支洞的夹角一般为30~60。
4.1.4隧洞出口布置
提示:
（1）出口是有压隧洞的关键部位，它控制着洞内的压力分布状况，关系着整个隧洞的安全运行问题。
因此，选择论证经济合理的出口布置，是有压隧洞的一项任务。
（2）有压隧洞的出口的体形设计，大致有三个内容：
1）选择合理的出口收缩比，即出口面积与洞身断面积之比；
2）选择合理的出口收缩渐变段体型；
3）选择合理的出口下游（调压井）连接布置形式。
4.2隧洞围岩的覆盖厚度及间壁厚度
4.2.1隧洞围岩的最小覆盖厚度
抗抬理论规定，不衬砌有压隧洞的最小覆盖厚度，一般按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定（图1）。
即
DK×P/r
（1）
式中：
r——岩体的重度；
K——安全系数；
P——内水压力；
D——围岩覆盖厚度。
考虑到山谷边坡的影响，宜采用下式计算不衬砌有压隧洞的覆盖厚度；（图2）。
D=PK/（cos）
（2）
式中：
——山边坡角；
——岩体的重度；
K——安全系数；
P——内水压力；
D——围岩覆盖厚度。
（D为铅直或垂直边坡，见图1、图2）。
4.2.2隧洞围岩的间壁厚度
平行的两条或数条隧洞，其间的净间距称为间壁厚度。
水工隧洞的间壁厚度，应根据工程布置、地质条件、开挖方式、运行条件等因素综合考虑确定。
在设计中通常考虑的有：
（1）间壁厚度尽可能不小于（2～3）倍的开挖洞径（或洞宽）。
（2）以相邻两隧洞的破坏拱互不重叠为条件，见图3。
C01+2+
式中：
1=B1/2+H1tg（45－/2）
2=B2/2+H2tg（45－/2）
——两个破坏拱之间保留的安全距离，对于岩石，取=3m～6m；
——岩石的内摩擦角。
（3）以间壁岩柱应力不超过该处岩石的允许应力为条件。
其应力，可用弹塑性理论分析，用有限单元法计算，或作若干假设以经验对比估计。
（4）运行中，可能有一条隧洞放空，而邻洞有最大的内水压力，此时应充分估计岩壁的稳定性和渗水对抗力有所降低的影响。
提示:
洞线方位与地质条件的关系是个重要的问题，选线时应注意以下几点
（1）洞线方位与地质构造面的交角：
洞线与岩层、构造断裂面及主要的软弱带应尽量具有较大的夹角。
在整体块状结构的岩体中，洞轴线与地质构造面的夹角，一般不宜小于30。
这样布置，岩体发生塌方的机率较小。
层状岩体是典型的正交异性岩体，我国在层状岩体中建造了不少水工隧洞，从实践经验得知：
1）岩层坚硬完整，层间联结紧密，洞线与岩层交角对围岩稳定无影响，即使两者交角很小，甚至近于平行，围岩仍处于稳定状态；
2）岩层虽坚硬，但断裂发育，结构面相互切割，围岩稳定状况主要受临空面切割体控制
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