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

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405.3m，出口洞底高程405.07m。

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=5.5×8.188m（直墙高度6.6m）。

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405.3m，即隧洞底板比固定坝堰顶低1.7m，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8.1m，隧洞洞底开挖高程405.3m。

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：

隧洞进口设拦污栅和平板检修闸门；

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

2.1有关本工程的文件

《xx省xx县xx水电站项目建议书》（xxx编写）

《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：

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、

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、

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。

2.2主要设计规范

《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000

《水工隧洞设计规范》SL279-2002

《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96

《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997

《水电站引水渠道及前池设计规范》SL/T205-97

《水利水电工程进水口设计规范》SL285-2003

2.3主要参考资料

《水力学计算手册》（武汉水利电力学院水力学教研室编）

《水力学》（成都科技大学水力学教研室编）

《水电站建筑物设计参考资料》（张治滨编）

《高等学校教材水电站》（河海大学张洪楚编）

《水工隧洞的设计理论和计算（第二版）》（汪胡侦编）

《取水输水建筑物丛书　隧洞》（熊启钧编）

3设计基本资料

3.1工程等别与建筑物级别

工程等别为IV等

建筑物级别4级

3.2洪水标准

设计洪水重现期：

30年

校核洪水重现期：

200年

3.3地震烈度

地震基本烈度：

小于6度

设计地震烈度：

不考虑地震设防

3.4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）

3.5取水口水位流量及泥沙含量

取水口底板高程405.6m，设计引用流量57m3/s

泥沙含量：

0.154kg/m3

3.6风速、风向

多年平均风速：

1.0m/s

多年最大风速：

10m/s

风向：

NE

4隧洞线路布置设计

4.1洞线平面布置

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N73.24°E。

隧洞洞长L=450m，底坡i=1/2000，进口洞底高程405.3m，出口洞底高程405.07m。

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=5.5×8.188m（直墙高度6.6m）。

　　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。

4.2洞线纵、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405.6m，末端底板高程405.570m。

第二段为桩号0+070至0+450段，纵坡i=1/2000，进口底板高程405.865m，末端底板高程405.675m。

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8.1m，隧洞洞底平均开挖高程405.3m，洞顶平均开挖高程413.4m。

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=4.0。

　　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0.64m），另外上游水位在413.4m～414.04m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0.3m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=0.5。

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8.0m，隧洞洞底平均开挖高程405.3m，洞顶平均开挖高程413.3m。

结合开挖现状该段采用0.6m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=4.0。

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0.4cm，断面如下：

5隧洞水力学计算

5.1洞身段过流能力

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=5.0m，满足无压净空面积界限（15%）时的水深h0=5.95m，对于钢筋砼衬砌n=0.015。

ω=bh0=5.0×5.95=29.75m2

x=b+2h0=5.0+2×5.95=16.9m

R=ω/x=29.75/16.9=1.760m

C=R1/6/n=1.7601/6/0.015=73.256

=29.75×73.256×（1.760/2000）1/2=64.65m3/s＞Q设=57m3/s

洞身过流能力满足要求。

5.2正常运用情况隧洞水面线计算

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405.6m，纵坡i=1/2000，宽度b=6.4m，单宽流量q=57/6.4=8.906m3/s·m，n=0.015。

长短洞判别：

判别公式：

lk=（5～12）H

上游水深H=412－405.6=6.4m

lk=（5～12）×6.4=32～76.8m，取lk=76.8m＞L1=60m，属短洞。

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=7.8m，过水断面面积ω=46.482m2，湿周x=26.044m

R=ω/x=46.482/26.044=1.785m

C=R1/6/n=1.7851/6/0.015=73.424

=46.482×73.424×（1.785/2000）1/2=101.959m3/s

临界水深：

2.958m

h0>hk，为缓坡隧洞。

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′＞0.75H0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′＜0.75H0时，为自由出流，σs=1。

当hc′/H0=0.75，即hc′=0.75H0=0.75×6.4=4.8时，σs=1。

取流量系数m=0.36、b=6.4m、H0=6.4m，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：

=

=165.235m3/s＞Q设=57

满足要求。

求Q=57m3/s时洞内正常水深h0：

　　计算公式：

　　经试算：

h0=4.055m

求Q=57m3/s时洞内临界水深hk：

　　计算公式：

hk=

α=1.0，经计算：

hk=2.007m

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165.235m3/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0.36

　　隧洞进口底板高程起算的上游总水头H0=412－405.6=6.4m

　　b=6.4m，Q=57m3/s

=0.345

　　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=0.345时hc′/H0=0.98

　　则hc′=0.98H0=0.98×6.4=6.272m，即隧洞进口断面处水面高程为411.872m。

　　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=6.293m（计算详见表1），即该段隧洞末端断面处水面高程为411.863m。

hk=2.007m＜h0=4.055m＜hs=6.293m，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6.272m（进口断面处）～6.293m（末端断面处），净空高度1.507m～1.528m，均大于0.4m，满足净空高度要求。

隧洞净空面积6.279m2～6.405m2，隧洞总面积46.481m2，净空面积为总面积的13.51%～13.8%，考虑到洞内流速不大，仅为1.42m/s，基本满足要求。

第二段（桩号0+070～0+450）

　　隧洞洞前水位即为第一段末端水位411.863m，引用流量Q=57m3/s。

　　隧洞长度L2=380m，进口底板高程405.865m，纵坡i=1/2000，宽度b=5.0m，单宽流量q=57/5.0=11.4m3/s·m，n=0.015。

长短洞判别：

上游水深H=411.863－405.865=5.998m

lk=（5～12）×5.998=29.99～71.976m，取lk=71.976m＜L2=380m，属长洞。

隧洞底坡的判别：

h0=a=7.5m，过水断面面积ω=35.326m2，湿周x=23.115m

R=ω/x=35.326/23.115=1.528m

C=R1/6/n=1.5281/6/0.015=71.55

=35.326×71.55×（1.528/2000）1/2=69.863m3/s

临界水深：

2.71m

h0>hk，为缓坡隧洞。

求Q=57m3/s时洞内正常水深h0：

　　计算公式：

　　经试算：

h0=5.359m

求Q=57m3/s时洞内临界水深hk：

　　计算公式：

hk=

α=1.0，经计算：

hk=2.366m

求Q=57m3/s时洞内水面线

　　根据进口条件，流量系数m取0.36

　　隧洞进口底板高程起算的上游总水头H0=411.863－405.865=5.998m

　　b=5.0m，Q=57m3/s

=0.486

　　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=0.486时hc′/H0=0.965

　　则hc′=0.965H0=0.965×5.998=5.788m。

　　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=5.825m（计算详见表2），即隧洞末端断面处水面高程为411.5m。

净空面积和净空高度复核：

　　该段隧洞洞内水深为5.788m（进口断面处）～5.825m（末端断面处），净空高度1.68m～1.798m，均大于0.4m，满足净空高度要求。

隧洞净空面积6.226m2～6.816m2，隧洞总面积35.326m2，净空面积为总面积的17.6%～19.3%，满足要求。

hk=2.366m＜h0=5.359m＜hs=5.825m，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

部位

h

b

d

r

α1

α2

ω

X

R

n

C

Q

v

J

Es

i

△Es

△S

∑S

出口断面

6.293

6.4

5.952

3.695

120.002

107.398

40.199

19.118

2.103

0.015

75.458

57

1.418

0.00017

6.395

0

6.291

6.4

5.952

3.695

120.002

107.456

40.19

19.114

2.103

0.015

75.458

57

1.418

0.00017

6.3935

0.00017

0.0005

0.00033

0.0015

4.545

4.545

6.290

6.4

5.952

3.695

120.002

107.513

40.182

19.11

2.103

0.015

75.458

57

1.419

0.00017

6.3921

0.00017

0.0005

0.00033

0.0014

4.242

8.787

6.288

6.4

5.952

3.695

120.002

107.571

40.173

19.106

2.103

0.015

75.458

57

1.419

0.00017

6.3906

0.00017

0.0005

0.00033

0.0015

4.545

13.332

6.287

6.4

5.952

3.695

120.002

107.629

40.164

19.103

2.103

0.015

75.457

57

1.419

0.00017

6.3892

0.00017

0.0005

0.00033

0.0014

4.242

17.574

6.285

6.4

5.952

3.695

120.002

107.686

40.155

19.099

2.102

0.015

75.457

57

1.420

0.00017

6.3877

0.00017

0.0005

0.00033

0.0015

4.545

22.119

6.284

6.4

5.952

3.695

120.002

107.725

40.149

19.097

2.102

0.015

75.456

57

1.420

0.00017

6.3867

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

25.149

6.283

6.4

5.952

3.695

120.002

107.763

40.143

19.094

2.102

0.015

75.456

57

1.420

0.00017

6.3858

0.00017

0.0005

0.00033

0.0009

2.727

27.876

6.282

6.4

5.952

3.695

120.002

107.801

40.137

19.092

2.102

0.015

75.456

57

1.420

0.00017

6.3848

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

30.906

6.281

6.4

5.952

3.695

120.002

107.84

40.131

19.089

2.102

0.015

75.456

57

1.420

0.00017

6.3838

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

33.936

6.280

6.4

5.952

3.695

120.002

107.878

40.125

19.087

2.102

0.015

75.455

57

1.421

0.00017

6.3829

0.00017

0.0005

0.00033

0.0009

2.727

36.663

6.279

6.4

5.952

3.695

120.002

107.917

40.119

19.084

2.102

0.015

75.455

57

1.421

0.00017

6.3819

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

39.693

6.278

6.4

5.952

3.695

120.002

107.955

40.113

19.082

2.102

0.015

75.455

57

1.421

0.00017

6.3809

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

42.723

6.277

6.4

5.952

3.695

120.002

107.993

40.107

19.079

2.102

0.015

75.455

57

1.421

0.00017

6.3799

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

45.753

6.276

6.4

5.952

3.695

120.002

108.032

40.101

19.077

2.102

0.015

75.454

57

1.421

0.00017

6.379

0.00017

0.0005

0.00033

0.0009

2.727

48.48

6.275

6.4

5.952

3.695

120.002

108.07

40.095

19.074

2.102

0.015

75.454

57

1.422

0.00017

6.378

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

51.51

6.274

6.4

5.952

3.695

120.002

108.108

40.089

19.072

2.102

0.015

75.454

57

1.422

0.00017

6.377

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

54.54

6.273

6.4

5.952

3.695

120.002

108.146

40.083

19.069

2.102

0.015

75.454

57

1.422

0.00017

6.3761

0.00017

0.0005

0.00033

0.0009

2.727

57.267

进口断面

6.272

6.4

5.952

3.695

120.002

108.185

40.077

19.067

2.102

0.015

75.453

57

1.422

0.00017

6.3751

0.00017

0.0005

0.00033

0.001

3.03

60.297

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

部位

h

b

d

r

α1

α2

ω

X

R

n

C

Q

v

J

Es

i

△Es

△S

∑S

出口断面

5.8248

5

5.9824

2.818

125.036

132.15

29.11