发电引水隧洞设计计算书.docx

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发电引水隧洞设计计算书

编号：

SG-隧洞-01

工程名称：

xxx电站工程

设计阶段：

施工图设计

发电引水隧洞设计计算书

{

签　名　日　期

审查：

校核：

<

计算：

^

目　录

1引言3

"

2设计依据文件和规范4

有关本工程的文件4

主要设计规范4

主要参考资料4

3设计基本资料5

工程等别与建筑物级别5

洪水标准5

地震烈度5

】

工程地质及水文地质资料5

取水口水位流量及泥沙含量5

风速、风向5

4隧洞线路布置设计6

洞线平面布置6

洞线纵、横剖面布置6

5隧洞水力学计算9

洞身段过流能力9

、

正常运用情况隧洞水面线计算10

设计洪水情况隧洞水力学计算16

非常运用情况（校核洪水）隧洞水力学计算20

6结构计算23

计算程序与方法23

有关的计算系数23

计算工况和荷载组合23

桩号0+000～0+060段结构与配筋计算成果24

}

7工程量计算37

桩号0+000～0+060段37

桩号0+060～0+070段38

桩号0+070～0+120段38

桩号0+120～0+450段39

工程量汇总39

8本次设计方案与xxx方案工程量、投资、发电量比较39

xxx方案正常运行情况水面线计算39

·

工程量及投资比较表40

发电量比较41

9隧洞取水口与出口压力前池设计方案的初步考虑43

隧洞取水口43

压力前池43

1引言

xx水电站位于xx县境内的舞阳河中下游河段上，工程任务以发电为主。

电站装机容量2×3200kW，年发电量3455万kW·h。

发电无压隧洞长450m，引水流量57m3/s。

。

xx电站工程原由xxx院（以下简称xxx院）设计，2004年8月，受业主单位委托，由本项目组承担该工程发电引水系统和厂房枢纽工程的施工图设计。

根据xxx设计，xx电站水库正常蓄水位412m，大坝采用水力自控翻板闸坝，闸门坝段总长120m，固定坝堰顶高程407m，闸门高度5m，单扇宽度10m，共12扇。

发电引水系统布置于右岸，设计引用流量57m3/s。

发电引水隧洞后接压力前池，压力前池直接接厂房（相当于河床式厂房）。

发电引水隧洞采用无压隧洞，按自动调节渠道设计（即前池未设溢流堰）。

隧洞洞长L=450m，底坡i=1/2000，进口洞底高程，出口洞底高程。

隧洞断面型式采用圆拱直墙型（城门洞型），衬砌后断面尺寸为B×H=×（直墙高度）。

隧洞进口未设检修闸门。

上述发电引水系统布置存在的主要问题：

隧洞进口未设拦污栅和检修闸门，闸坝固定坝堰顶高程407m，隧洞进口高程，即隧洞底板比固定坝堰顶低，隧洞无检修维护条件。

目前发电引水隧洞已按照xxx的设计完成了隧洞0+000～0+120段的开挖施工，通过对施工单位实测的隧洞断面资料（0+000～0+085）复核，隧洞平均开挖宽度为7m，平均开挖高度，隧洞洞底开挖高程。

经征询业主意见，本次设计维持无压隧洞方案，但结合本工程实际情况，本次设计对发电引水系统进行了优化设计：

⑴隧洞进口设拦污栅和平板检修闸门；⑵根据57m3/s的设计引用流量对未开挖段隧洞断面进行优化调整。

2设计依据文件和规范

有关本工程的文件

⑴《xx省xx县xx水电站项目建议书》（xxx编写）

—

　　⑵《xx省xx县xx水电站初步设计阶段工程地质勘察报告》

根据设计项目部与业主签订的合同书，本次设计所需的：

①工程任务、枢纽布置、水库（河道）特征水位、隧洞引用流量、隧洞级别和防洪标准资料、②区域地质资料，地震基本烈度，隧洞进、出口及沿线的地形地质和水文地质资料、③有关的水文、气象资料及水文、水能设计成果等均采用《xx省xx县xx水电站项目建议书》、《xx省xx县xx水电站初步设计阶段工程地质勘察报告》相关部分资料。

主要设计规范

⑴《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000

⑵《水工隧洞设计规范》SL279-2002

⑶《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96

⑷《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997

⑸《水电站引水渠道及前池设计规范》SL/T205-97

-

⑹《水利水电工程进水口设计规范》SL285-2003

主要参考资料

⑴《水力学计算手册》（武汉水利电力学院水力学教研室编）

⑵《水力学》（成都科技大学水力学教研室编）

⑶《水电站建筑物设计参考资料》（张治滨编）

⑷《高等学校教材水电站》（河海大学张洪楚编）

⑸《水工隧洞的设计理论和计算（第二版）》（汪胡侦编）

⑹《取水输水建筑物丛书　隧洞》（熊启钧编）

【

3设计基本资料

工程等别与建筑物级别

　　⑴工程等别为IV等

　　⑵建筑物级别4级

洪水标准

　　⑴设计洪水重现期：

30年

　　⑵校核洪水重现期：

200年

地震烈度

!

　　⑴地震基本烈度：

小于6度

　　⑵设计地震烈度：

不考虑地震设防

工程地质及水文地质资料

　　发电引水隧洞全线穿越Pt3q板岩，岩石强度高，结构上多属中厚层板岩，围岩工程特性较好，除进出口强风化段外，其余属III类围岩。

　　隧洞通过地层为单斜构造，岩石走向基本与洞线斜交，角度约30°～40°。

地下水位在洞线以下，对成洞条件无影响。

（详见有关报告与图件）

取水口水位流量及泥沙含量

　　⑴取水口底板高程，设计引用流量57m3/s

　　⑵泥沙含量：

m3

￥

风速、风向

　　⑴多年平均风速：

s

　　⑵多年最大风速：

10m/s

　　⑶风向：

NE

4隧洞线路布置设计

洞线平面布置

根据原xxx设计，发电引水系统布置于右岸，设计引用流量57m3/s。

发电引水隧洞后接压力前池，压力前池直接接厂房（相当于河床式厂房）。

发电引用隧洞采用无压隧洞，按自动调节渠道设计（即前池未设溢流堰）、轴线方位角°E。

隧洞洞长L=450m，底坡i=1/2000，进口洞底高程，出口洞底高程。

隧洞断面型式采用圆拱直墙型（城门洞型），衬砌后断面尺寸为B×H=×（直墙高度）。

　　由于发电引水隧洞目前已经按照xxx的设计完成了隧洞0+000～0+120段的开挖施工，经征询业主意见，本次设计维持原洞线平面布置、洞身无压方案不变。

￥

　　本次设计根据隧洞地形地质条件、过流能力、目前隧洞0+000～0+085段的开挖现状对隧洞纵、横剖面布置进行适当优化。

洞线纵、横剖面布置

根据水力学计算并结合桩号0+000～0+085段开挖现状，本次设计考虑将隧洞纵向分为两段，第一段为桩号0+000至0+060段，纵坡i=1/2000，进口底板高程，末端底板高程。

第二段为桩号0+070至0+450段，纵坡i=1/2000，进口底板高程，末端底板高程。

中部0+060至0+070段为渐变段。

桩号0+000至0+060段：

根据业主提供的隧洞0+000～0+085段的开挖实测断面资料复核，桩号0+000至0+060段隧洞平均开挖宽度为7m，平均开挖高度，隧洞洞底平均开挖高程，洞顶平均开挖高程。

该段围岩为中风化砂质板岩，岩层产状N75°W，NE∠15°，与洞轴线交角32°，岩层较平缓。

围岩类别为III类，岩石弹性抗力系数k0=10～15MPa/cm，坚固系数f=。

　　根据开挖揭露的地质条件来看，该段围岩稳定性较好，可以采用底板与边墙部分现浇砼、顶拱挂网喷锚的衬砌型式，但考虑到校核洪水时若厂房未发电，此种情况下隧洞将会形成静水有压（洞顶水头），另外上游水位在～时，该段隧洞也处于全断面有压状态。

结合开挖现状本次设计仍考虑用厚的钢筋砼全断面衬砌，断面如下：

（

桩号0+060至0+070段：

为渐变段，断面型式如下：

桩号0+070至0+120段：

围岩为砂质板岩，该段出露有F1、F2、F3、F4共4条断层，受断层影响，岩层风化程度高，结构松散，目前桩号0+085处已经发生顶拱塌方。

围岩类别V类，岩石弹性抗力系数k0=0MPa/cm，坚固系数f=。

根据0+070至0+085段的实测开挖断面图，隧洞平均开挖宽度为6m，平均开挖高度，隧洞洞底平均开挖高程，洞顶平均开挖高程。

结合开挖现状该段采用厚的钢筋砼衬砌，断面如下：

桩号0+120至0+450段：

围岩为该段围岩为中风化砂质板岩，岩层产状N45°～15°W，SW∠25°～35°，岩层较平缓。

地表尚未发现明显断层，施工中有可能出现小断裂结构。

围岩类别为III类，岩石弹性抗力系数k0=10～15MPa/cm，坚固系数f=。

考虑水流平稳衔接，该段隧洞衬砌后的断面尺寸与桩号0+070～0+120段相同，钢筋砼衬砌厚度，断面如下：

|

5隧洞水力学计算

洞身段过流能力

由于第一段（桩号0+000～0+060）的洞身断面较第二段（桩号0+70～0+450）大，而两段纵坡一致，所以洞身段的过流能力由第二段控制。

无压隧洞（长洞）洞身段的过流能力，按明渠均匀流公式计算：

对于矩形断面：

ω=bh0

》

　　　　　　　x=b+2h0

　　　　　　　R=ω/x

　　　　　　　C=R1/6/n

第二段隧洞底坡i=1/2000，断面宽度b=，满足无压净空面积界限（15%）时的水深h0=，对于钢筋砼衬砌n=。

ω=bh0=×=

x=b+2h0=+2×=

R=ω/x==

C=R1/6/n=6/=

；

=××2000）1/2=s＞Q设=57m3/s

洞身过流能力满足要求。

正常运用情况隧洞水面线计算

　　⑴第一段（桩号0+000～0+060）

　　正常运用情况隧洞洞前水位412m，引用流量Q=57m3/s。

　　隧洞长度L1=60m，进口底板高程，纵坡i=1/2000，宽度b=，单宽流量q=57/=s·m，n=。

①长短洞判别：

判别公式：

lk=（5～12）H

…

上游水深H=412－=

lk=（5～12）×=32～，取lk=＞L1=60m，属短洞。

②隧洞底坡的判别：

根据《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P394页，对隧洞底坡的判别：

可设无压均匀流水深h0趋于洞高a。

求此时的流量，继求出临界水深hk。

当h0>hk，为缓坡，反之为陡坡。

h0=a=，过水断面面积ω=，湿周x=

R=ω/x==

C=R1/6/n=6/=

=××2000）1/2=s

@

临界水深：

h0>hk，为缓坡隧洞。

③泄流能力复核

由于该段隧洞为短洞，泄流能力不受洞长的影响，进口水流为宽顶堰流，泄流能力按宽顶堰流公式计算：

式中：

σs为淹没系数，当进口断面处的水深hc′＞时，为淹没出流，σs与hc′/H0有关，可通过查《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P403页图6-1-8求取。

当hc′＜时，为自由出流，σs=1。

当hc′/H0=，即hc′==×=时，σs=1。

取流量系数m=、b=、H0=，将以上数值代入上式可求当上游水位为412m时隧洞的极限过流能力：

=

=s＞Q设=57

。

满足要求。

　　④求Q=57m3/s时洞内正常水深h0：

　　计算公式：

　　经试算：

h0=

　　⑤求Q=57m3/s时洞内临界水深hk：

　　计算公式：

hk=

　　α=，经计算：

hk=

　　⑥求Q=57m3/s时洞内水面线（即求进口断面处的水深hc′与隧洞末端水深hs）：

~

　　由于隧洞的实际过流流量Q设=57m3/s，小于淹没出流与自由出流界限时的流量s，所以此时洞内应为淹没出流。

　　进口断面处水深hc′的计算公式：

　　即

　　根据进口条件，流量系数m取

　　隧洞进口底板高程起算的上游总水头H0=412－=

　　b=，Q=57m3/s

=

　　查《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P403页图6-1-8可知：

`

　　σs=时hc′/H0=

　　则hc′==×=，即隧洞进口断面处水面高程为。

　　隧洞末端断面处水深hs的计算：

按明渠非均匀流用分段求和法计算。

即已知隧洞起始断面水深h1，假设系列h2、h3、…、hn、hn+1、…，求ΔSn-n+1与∑S=ΔS1-2+S2-3+…+ΔSn-n+1+…，当∑S等于隧洞长度时对应断面的水深即为hs。

计算公式：

，

，

，

，

　　经计算hs=（计算详见表1），即该段隧洞末端断面处水面高程为。

　　hk=＜h0=＜hs=，洞内为a1型雍水曲线。

…

　　⑦净空面积和净空高度复核：

　　该段隧洞洞内水深为（进口断面处）～（末端断面处），净空高度～，均大于，满足净空高度要求。

隧洞净空面积～，隧洞总面积，净空面积为总面积的%～%，考虑到洞内流速不大，仅为s，基本满足要求。

⑵第二段（桩号0+070～0+450）

　　隧洞洞前水位即为第一段末端水位，引用流量Q=57m3/s。

　　隧洞长度L2=380m，进口底板高程，纵坡i=1/2000，宽度b=，单宽流量q=57/=s·m，n=。

①长短洞判别：

上游水深H=－=

~

lk=（5～12）×=～，取lk=＜L2=380m，属长洞。

②隧洞底坡的判别：

h0=a=，过水断面面积ω=，湿周x=

R=ω/x==

C=R1/6/n=6/=

=××2000）1/2=s

临界水深：

h0>hk，为缓坡隧洞。

.

　　③求Q=57m3/s时洞内正常水深h0：

　　计算公式：

　　经试算：

h0=

　　④求Q=57m3/s时洞内临界水深hk：

　　计算公式：

hk=

　　α=，经计算：

hk=

　　⑤求Q=57m3/s时洞内水面线

　　根据进口条件，流量系数m取

…

　　隧洞进口底板高程起算的上游总水头H0=－=

　　b=，Q=57m3/s

=

　　查《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P403页图6-1-8可知：

　　σs=时hc′/H0=

　　则hc′==×=。

　　隧洞出口断面处水深hs的计算：

按明渠非均匀流用分段求和法计算。

-

　　经计算hs=（计算详见表2），即隧洞末端断面处水面高程为。

⑤净空面积和净空高度复核：

　　该段隧洞洞内水深为（进口断面处）～（末端断面处），净空高度～，均大于，满足净空高度要求。

隧洞净空面积～，隧洞总面积，净空面积为总面积的%～%，满足要求。

　　hk=＜h0=＜hs=，洞内为a1型雍水曲线。

表1正常情况第一段（桩号0+000～0+060）无压隧洞水面曲线表

备注：

h为洞内水深，b为洞底宽度，d为直墙高度。

α1、α2、ω、x等断面参数根据《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P404～P405页公式计算。

表2正常情况第二段（桩号0+070～0+450）无压隧洞水面曲线表

设计洪水情况隧洞水力学计算

　　⑴第一段（桩号0+000～0+060）

　　设计洪水情况隧洞洞前水位，引用流量Q=57m3/s。

　　隧洞长度L1=60m，进口底板高程，纵坡i=1/2000，宽度b=，单宽流量q=57/=s·m，n=。

　　进口断面处水深hc′的计算公式：

　　即

　　根据进口条件，流量系数m取

　　隧洞进口底板高程起算的上游总水头H0=－=

　　b=，Q=57m3/s

=

　　查《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P403页图6-1-8可知：

　　σs=时hc′/H0=

　　则hc′==×=，即隧洞进口断面处水面高程为。

隧洞末端断面处水深hs的计算：

按明渠非均匀流用分段求和法计算。

经计算hs=（计算详见表3），即该段隧洞末端断面处水面高程为。

⑵第二段（桩号0+070～0+450）

　　隧洞洞前水位即为第一段末端水位，引用流量Q=57m3/s。

　　隧洞长度L2=380m，进口底板高程，纵坡i=1/2000，宽度b=，单宽流量q=57/=s·m，n=。

　　隧洞进口底板高程起算的上游总水头H0=－=

　　b=，Q=57m3/s

=

　　查《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P403页图6-1-8可知：

　　σs=时hc′/H0=

　　则hc′==×=。

　　隧洞出口断面处水深hs的计算：

按明渠非均匀流用分段求和法计算。

　　经计算hs=（计算详见表4），即隧洞末端断面处水面高程为。

表3设计洪水情况第一段（桩号0+000～0+060）无压隧洞水面曲线表

备注：

h为洞内水深，b为洞底宽度，d为直墙高度。

α1、α2、ω、x等断面参数根据《水力学计算手册》（武汉水利电力学院）P404～P405页公式计算。

表4设计洪水情况第二段（桩号0+070～0+450）无压隧洞水面曲线表