发电或引水有压隧洞设计大纲范本.docx

1、发电或引水有压隧洞设计大纲范本FJD34090 FJD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 42. 设计依据文件和规范 43. 设计基本资料 54. 隧洞布置与洞径复核与优化 125. 隧洞水力设计 186. 隧洞结构设计 207. 隧洞围岩稳定分析及一次性支护设计 308. 不衬砌与锚喷衬砌设计 349

2、. 预应力混凝土衬砌及其它衬砌型式设计 3610. 降低外水压力的措施 3611. 不良地质洞段处理 3712. 回填灌浆及固结灌浆处理 3813. 隧洞原型观测、检修及运行 4014. 专题研究 4115. 工程量计算 4116. 应提供的设计成果 421 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

3、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

4、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) SDJ 1278 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) SDJ 21787 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_

5、13484 水工隧洞设计规范(试行)； (4) SDJ 20782 水工混凝土施工规范； (5) SL 6294 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范； (6) SDJ 1078 水工建筑物抗震设计规范(试行)； (7) SDJ 2078 水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)； (8) SDJ 5785 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范； (9) SDJ 21283 水工建筑物地下开挖工程施工技术规范； (10) SL 4794 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范； (11) SD 30388 水电站进口设计规范(试行)； (12) SD 14485 水电站压力钢管设计规范(试行)； (13)

6、 DL/T 50581996 水电站调压室设计规范； (14) GB 5024092 钢筋混凝土工程施工及验收规范； (15) GBJ 8685 锚杆喷射混凝土支护技术规范； (16) GBJ 789 建筑地基基础设计规范； (17) GBJ 1089 混凝土结构设计规范及局部修改条文； (18) GBJ 1785 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)

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123456789

8、101112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123456789101112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；

9、 (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；

10、(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

11、。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mmmkN/m3()%MPaMPaMPa12345678910111213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()MPakN/m3m/d14151617181920212223242526提示: 如遇围岩为溶洞

12、、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cJ/(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

13、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EI级钢筋(3号钢)2402402.1105II级钢筋(16Mn)直径28mm3203202.0105直径28mm3403402.0105III级钢筋(25Mn)3803802.01055号钢筋2802802.0105 (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EI级钢材(3号钢)A32

14、402402.1105II级钢材板厚大于 mm16Mn3203202.0105板厚小于、等于 mm16Mn3403402.0105III级钢材25Mn3803802.01055号钢材A52802802.0105 (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：=

15、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CC15C20C25C30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

16、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。

17、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CC15C20C25C30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= ； nma

18、x= ； 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

19、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，

20、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

21、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、

22、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23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

23、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1.52.0倍洞径。圆形断面与圆形断面衔接，扩散角一般为48，收缩角一般为711。(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

24、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3060。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

25、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 DKP/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

26、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(23)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=3m6m； 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

27、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