马边芭蕉溪水电站引水隧洞及渠道设计.doc
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马边芭蕉溪水电站引水隧洞及渠道设计
信息与工程技术学院农业水利工程专业邓招贵
（指导教师：
张顺芳工程师）
摘要本文是无压引水式水电站引水隧洞及渠道的设计报告，主要包括断面设计和结构设计两大部分。
主要任务是根据已定的流量来选定隧洞和渠道的断面尺寸、糙率、纵坡、水深。
设计按照一定的程序，根据相关的地形、地貌、地质、水文等原始资料和大量的设计规范，运用工程类比法、方案比较法和试算法，在同时满足防冲、防淤及施工、技术方面要求的基础上，以明渠恒定流理论作为隧洞、渠道水力设计的基本依据，拟定几个可能的方案，经过技术经济比较，选定经济、安全、美观，便于施工的最优设计方案。
最终确定隧洞的断面为圆拱直墙式，拱顶中心角为120o，渠道为矩形断面，均采用底坡1/500，糙率0.017，底宽1.4m的矩形过水断面。
在结构设计中，从安全、经济以及便于施工的角度出发，采用浆砌块石找平,混凝土抹面，取得很好效果。
关键词糙率；水力半径；水头损失
TheDesignofDiversionTunnel
andChannelofMaBianPowerStation
AbstractThisarticleisaboutthedesignofdiversiontunnelandchannelofdiversiontypehydropowerstation.Itincludestwomajorpartsofthesectiondesignandstructuraldesignmainly.Designaccordingtocertainprocedure，accordingtosuchfirsthandinformationasrelevanttopography,landform,geology,hydrology,etc.andalargenumberofdesignspecifications,usetheanalogylawoftheproject,schemecomparativelawandtryalgorithms,onthebasisofmeetingtodefendingwashing,defendingthesilt,specificationrequirement。
Viamoretechnicalmoreeconomiccomparison,chooseoptimumdesignschemeeventually,thesectionoftunnelisroundarchstraightwalltype,vaultcentralangleis120,thecrosssectionofchannelisrectangle.Thecrosssectionofflowofthemisrectangle.Itsbaseslopeis1/500,roughnesscoefficientis0.017andthebasewidthis1.4m.Instructuraldesign,fromsafetyandeconomyaswellasconstructioneasily,makelevelwiththeblockstoneofthickliquid,concreteswipesurface,getverygoodeffect.
KeywordsRoughnesscoefficient；Hydraulicradius；Headloss
马边芭蕉溪水电站是集发电、灌溉、养殖为一体的综合性水利枢纽，为小（Ⅰ）型Ⅳ等工程，永久与临时性建筑物等级均为5级，主要包括首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三大部分。
本设计是引水系统中的隧洞与渠道部分，即隧0+000.000～隧0+898.910和渠0+000.000～渠1+135.059两部分的断面设计和结构设计，全长2033.969米，要求设计流量为3.0m3/s,隧洞进水口高程为1826.700米，且必须满足设计规范，便于施工，再考虑经济最优。
本设计运用方案比较法、工程类比法、试算法，很好地完成了设计任务。
1设计方案与评价
本设计分为两大步骤：
一、断面设计；二、结构设计
1.1断面设计（水力计算）
1.1.1计算公式的选定
本设计中隧洞与渠道的总长达2000多米，可以把水流作为均匀流分析，则水力坡度J等于道底坡i,那么谢才公式:
或
（1）可以写为:
或
（2）,采用曼宁公式:
（3）
把（3）代入
（2）中得到：
（4）
式中Q——流量，m3/s；
R——水力半径，m；
n——糙率，按规范选取；
A——过水面积，A=b×h,m2；
i——隧洞或渠道底坡
根据要求，Q=3.0m3/s，n为糙率，是衡量隧洞渠道壁面粗糙情况的综合性系数。
n越大，相应的水流阻力越大，在断面相同的情况下，通过的流量越小。
但是，如果施工质量达不到设计的要求，将严重影响工程效益，造成严重经济损失。
所以，根据《水力学》，考虑到是民工队伍施工，所达到的质量不高，采用混凝土衬砌，以保证糙率要求。
因为流量小，相应的水力半径较大，糙率较大。
所以虽然是混凝土抹面，但仍取用较差情况n=0.017，这样可以合理地保证流量。
i为底坡，以匀速恒定流计算，由于是动力渠道,根据《小型水力发电站设计规范》（试行）GBJ71-84，无压隧洞的底坡i=1/500～1/1000；b为底宽，一般情况下应满足施工要求大于或等于1.3m。
则公式（4）中，流量Q,底宽b,糙率n以及底坡i,均为已知，仅h未知,但（4）式为h的高次隐函数，难直接求解，则采用试算法并结合电子表格的强大计算功能，来解决这个问题。
1.1.2计算确定断面尺寸
1.1.2.1选定底坡i的取值
根据《小型水力发电站设计规范》（试行）GBJ71—84，无压引水隧洞底坡可选用1‰～2‰的单一底坡。
根据大量的计算比较，流量Q=3.0m3/s时，取同一底坡，底宽为1.4m，S总的值最小。
那么，取底宽1.4米，对不同底坡的情况进行比较，选取合适的i值。
由工程类比法，i的取值如下表：
表1底坡i的选取
i
h（m）
A（m2）
△H（m）
S总（m2）
S净（m2）
Q（m3/s）
X净空比
H总（m）
1/500
1.360
1.9052
0.425
2.9015
0.4363
3.00
15%
4.2485
1/750
1.609
2.2528
0.468
3.3095
0.4967
3.00
15%
2.8342
1/1000
1.815
2.5409
0.505
3.6492
0.5483
3.00
15%
2.1356
注：
1、上表计算时糙率n=0.017，底宽b=1.4m
2、净空比为15%，在《水工隧洞设计规范》中为最经济情况
3、h总为总的水头损失，包括局部水头损失和沿程水头损失
显然，满足Q的情况下，i越小，断面积S的计算值越大。
由于隧洞和渠道合计达2000多米长，使开挖方量大大增加，同时相应的水力损失却减小不多，1.3m以内的水头不影响装机容量，选取i=1/500，减少开挖面积，也更加经济、美观。
1.1.2.2选取满足Q的b、h
当流量Q确定后，i，n的值也确定，取一系列的b以确定对应h的系列，见下表：
表2选择一系列满足Q的b、h
i
n
b（m）
H0（m）
A（m2）
R（m）
Q（m3/s）
0.002
0.017
1.300
1.488
1.934
0.452
3.00
0.002
0.017
1.350
1.421
1.918
0.458
3.00
0.002
0.017
1.400
1.361
1.905
0.462
3.00
0.002
0.017
1.450
1.307
1.895
0.466
3.00
0.002
0.017
1.500
1.257
1.886
0.470
3.00
0.002
0.017
1.550
1.212
1.878
0.473
3.00
0.002
0.017
1.600
1.170
1.872
0.475
3.00
0.002
0.017
1.650
1.131
1.867
0.477
3.00
0.002
0.017
1.700
1.096
1.863
0.479
3.00
0.002
0.017
1.927
0.963
1.856
0.482
3.00
注：
上表的h由根据公式（4）反算得到
则由表格知，共选得10组数据满足流量Q=3.0m3/s，最后一组为水力最佳断面的情况。
1.1.2.3圆心角的确定
在同一底宽时，中心角的确定根据《水工隧洞设计规范》SD134-84的要求，为无压隧洞时，地质条件较好的情况下，用圆拱直墙式断面，圆拱中心角900～1800，当需要加大拱端推力时才选用小于900的中心角，根据工程类比法，主要选用的中心角为900、1200、1800。
（如图所示）
图1不同顶角断面
由上图隧洞总的断面积S的计算如下：
（5）
式中：
：
顶拱中心角；
b:
底宽，m
根据图示和计算可以明显的发现：
当顶拱中心角越小时，开挖断面的总面积最小，但为了便于施工放线，选择中心角为1200
1.1.2.4选择最经济断面的b、h
在满足以下几条的情况下，选择最小断面积：
①根据设计要求，流量Q=3.00m3/s；②根据《小型水力发电站设计规范》（试行）GBJ71-84的要求，安全超高△h≥0.4m；③根据《水工隧洞设计规范》SD134-84，净空比介于15%～25%，接近小值时为最佳，净空高（在本设计中是总高减去正常高水深与安全超高两项的最后结果）e≥0.4m；④根据《水电站及泵站》，流速要求满足1.5～2.0m/s的经济流速。
表3b、h的比较与选择
b（m）
h（m）
e（m）
△h（m）
S总（m2）
S净（m2）
R（m）
Q（m3/s）
X
V（m/s）
1.93
0.96
0.56
0.400
3.387
0.760
0.482
3.00
22%
1.616
1.30
1.49
0.38
0.467
2.889
0.433
0.452
3.00
15%
1.550
1.35
1.42
0.39
0.445
2.894
0.434
0.458
3.00
15%
1.563
1.40
1.36
0.40
0.425
2.901
0.436
0.462
3.00
15%
1.572
1.45
1.31
0.42
0.405
2.912
0.438
0.466
3.00
15%
1.582
1.50
1.26
0.43
0.400
2.946
0.461
0.469
3.00
15%
1.589
1.55
1.21
0.45
0.400
2.989
0.492
0.473
3.00
15%
1.596
1.60
1.17
0.46
0.400
3.036
0.524
0.475
3.00
17%
1.602
1.65
1.13
0.48
0.400
3.086
0.557
0.477
3.00
18%
1.606
1.70
1.10
0.49
0.400
3.135
0.592
0.478
3.00
19%
1.609
注：
1、表中e为净空高，X为净空比
2、上表的计算是建立在底坡为1/500，糙率为0.017基础之上的
经图表比较后，根据总的开挖面积最小，确定隧洞断面为1.4m×1.36m的矩形过水断面，正常高水深为1.36m,流速为1.572m/s。
由于渠道的水力计算和隧洞相同，为了更好地衔接，使水利条件更好，且方便施工，选取和隧洞一样的过水断面。
1.1.2.5水力损失的计算（局部水头损失和沿程水头损失）
（1）局部水头损失hj
根据选线资料,取转弯半径满足大于或等于底宽 b的5倍,再根据公式：
（6）
其中：
ζ：
局部水头损失系数；
θ：
弯道中心角；
R：
水力半径，m
结合现在有的设计资料，列表求局部水头损失
表4局部水头损失的计算
θ
隧洞
渠道
1100
930
770
820
1100
980
970
780
790
860
660
R（m）
5b
6b
6b
6b
5b
7b
5b
6b
7b
6b
7b
ζ
0.145
0.133
0.121
0.125
0.145
0.137
0.137
0.122
0.123
0.128
0.112
Hj（m）
0.018
0.017
0.015
0.016
0.018
0.017
0.017
0.015
0.015
0.016
0.014
H总
0.035
0.145
注：
在隧洞中b为隧洞的总高度，在渠道中b为渠道的正常过水宽度
在渠道设计中，为了抵消局部水头损失，在每间隔3个转弯后设跌坎，抵消因为前3个转弯形成的水头损失。
（2）沿程水头损失 （7）
其中λ：
沿程水头损失系数，
C：
谢才系数，
根据总的水头损失：
那么可以计算出隧洞和渠道各自的水头损失，见下表：
表5水头损失的计算结果
L（m）
V2/2g
hf（m）
hj（m）
h总（m）
隧洞
898.910
0.126
1.798
0.035
1.833
渠道
1135.059
0.126
2.270
0.145
2.415
1.1.3隧洞与渠道底坡的校核
（渠道的局部水头由跌坎抵消）
显然，计算出的底坡和最初拟定的底坡相当接近，认为相同。
由于隧洞的局部水头损失较小，所以隧洞底板高程的推算由拟定的i=1/500和进水口底板高程控制；渠道的局部水头损失较大，在转弯后设置跌坎抵消局部水头损失。
那么，可以根据以上的计算来进行结构设计。
1.2结构设计
1.2.1确定最终尺寸
根据试算及验证，最终确定隧洞底宽1.4m，直墙高1.79m，净高2.185，选用120度圆心角拱。
渠道隧洞底宽1.4m，高1.79m，二者的底坡i均为1/500。
隧洞进口高程1826.7m，那么：
隧洞出口高程以及渠道的进口高程为：
1826.7-0.002×898.91=1824.902m
渠末高程为：
1824.902-0.145-0.002×1135.059=1822.487m
1.2.2衬砌的类型
根据原始资料，隧洞穿过地层围岩为泥盆系下统巨厚层状白云岩及泥质灰岩，岩石致密坚硬，风化微弱，采取衬砌主要是为了承受岩石压力，内水压力，防止漏水，减小糙率，防止岩石风化，为了尽量减少渗漏损失，为了保证过水安全，应该选择耐久,防渗性好的材料，根据开挖后岩体的具体情况，分别对不同的地段分别采取组合式衬砌和混凝土衬砌。
组合式衬砌的内层为30cm厚M10砂浆浆砌块石、外层衬砌细石混凝土20cm厚。
根据《水利工程施工》，若岩层较破碎，宜采用喷锚支护，锚杆长度2m（洞径较小），每个断面至少3～5根，视岩层深度取φ16螺纹钢筋。
根据《水工隧洞设计规范》（试行）SD134-84，围岩分为以下五种情况：
表6围岩形式及分类
Ⅰ类围岩
整体结构或大块状结构的坚硬岩体新鲜或微风化，延伸短,多闭合,无或偶有单薄软弱结构面，无夹泥充填，层状岩为巨厚层，层间结合良好，结构面起伏粗糙咬合，结构面无不稳定组合。
洞壁干燥或潮湿或有微弱渗水，不影响围岩自身稳定
Ⅱ类围岩
块状结构的坚硬岩体,新鲜或微风化,受地质构造影响一般,节理裂隙较发育，但连续性不强，裂隙微张或局部张开稍有夹泥充填，结构面粗糙,结构面组合基本稳定或局部有人字形或梯形不稳定组合，地下水活动微弱,除软弱带外,一般不影响围岩稳定
Ⅲ类围岩
碎裂结构或镶嵌结构坚硬岩体呈微风化或弱风化，多张开或局部张开，有夹泥充填连续性差软弱，结构面多，块状结构或层状结构的中硬岩呈微风化或弱风，地下水活动显著有大量滴水，线状流水或喷水，对软弱岩体稳定影响严重
Ⅳ类围岩
碎裂状结构或层状碎裂结构的破碎硬岩体或中硬岩体，呈强风化,受地质构造影响严重，地下水活动强烈,并有一定渗透压力,有小量涌水，严重影响岩体强度和抗冲刷能力
Ⅴ类围岩
散体结构：
1、围岩呈现全风化,受地质构造影响很严重，节理裂隙密集有较厚泥质充填,有含泥碎裂结构；2、非粘性的松散土层、砂卵、砾石、碎石等，地下水活动剧烈,渗透压力较大,岩体没有抗冲刷能力
当为Ⅰ类围岩时，地质条件非常好，可以不作处理；当为Ⅱ类围岩时，采用3～5cm厚喷混凝土；Ⅲ类围岩采用喷混，要求厚度大于5cm；对于Ⅳ类围岩，则采用5～7cm厚的喷混凝土，加锚杆支护；Ⅴ类围岩要求加钢筋网，钢筋选用φ6，网格25cm×25cm,与锚杆外露部分连结牢靠。
渠道和隧洞都采用现浇混凝土衬砌，设置分缝，根据《渠道防渗工程设计规范》SL18-91，横缝间距15m，缝的宽度2～3cm，缝中设置止水，可设塑料止水带或橡胶止水带，施工缝和沉降缝二缝合一。
1.2.3灌浆（回填灌浆）
为了使衬砌与岩石紧密贴合，使岩石承受一部分内水压力并保证岩石压力均匀传递于衬砌上，在顶拱处进行回填灌浆。
布置灌浆孔如下：
同一断面内，在洞顶和偏离洞顶中心45度处，设3个灌浆孔，排距5m，灌浆压力0.3MPa。
灌浆孔直径是50mm.为了防止砂浆堵塞，应该深入岩石至少10cm。
并且与排水孔交错布置。
（如右图所示）
图2隧洞灌浆孔
1.2.4排水防渗
对于渠道，由于已经进行衬砌，可以不作其他防渗处理。
但是，对于隧洞却不行，因为外水压力对城门洞型无压隧洞衬砌结构应力影响很大，为使减少外水压力，在隧洞底，设直径为100mm的纵向排水盲沟。
径向设直径为50mm的排水孔，每排相距4m，深入岩石2m。
（如左图所示）
图3隧洞排水孔
2设计方法
在设计方法上，本文主要运用设计中常用的工程类比法和试算法，结合大量的已建工程的成功之处，来选定一系列满足流量的底宽b和其对应的高度h的值。
运用方案比较法，在底坡i的选取和底宽b、直墙高h的拟定过程中，运用多组对比。
在总的开挖面积的比较，水头损失的比较上进行综合分析，选择最经济的断面作为最终的设计断面。
设计优越之处在于与电子表格很好地结合，避免了非常烦琐的重复计算，较容易地试算出最经济断面，这是电脑在工程设计中的又一运用。
本文严格按照规定的设计步骤，根据实际的地质情况进行设计，非常圆满地完成了设计任务。
3设计成果
根据以上的设计要求，设计成果如下表所示
表7设计成果
b
（m）
h
（m）
S总
（m2）
首
尾
不同围岩的断面形式
桩号
高程（m）
桩号
高程（m）
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
隧洞
1.4
2.19
2.90
0+000.000
1826.700
0+898.910
1824.902
隧一
隧一
隧二
隧二
隧二
渠道
1.4
1.76
2.39
0+000.000
1824.902
1+135.059
1822.487
渠二
渠二
渠一
渠一
渠一
注：
1表中隧一、隧二分别表示隧洞不同的断面形式（见成果图）
2表中渠一、渠二分别表示渠道不同的断面形式（见成果图）
综上所述，以上表中的成果是在大量的工程比较，试算，并且经过反复验证之后形成的。
在这个过程中，主要以减少成本为主线，结合方便施工考虑，所以无论是在投资还是在缩短建设工期上都有比较好的效果。
设计的引水渠道为非自动调节渠道，渠顶大致平行于渠底，渠道深度沿途不变，当引用流量为设计流量时，水流处于均匀流，渠内水深为正常水深，压力前池水位低于堰顶。
这样的渠道适应地形变化，有转弯和陡坡的时候，工程量比较小。
4问题讨论
在设计中发现一些问题，提出来大家讨论
4.1渠道或隧洞超高是考虑运行中不可预见的因素为工程安全提供储备的综合措施。
根据工程经验，超高主要是受几点影响：
（1）风引起水面波动，一般为10～30cm，作为超高取其半波高5～15cm；
（2）流速水头转为静水头可能的升高值；
（3）糙率n值的变化对水深的影响，一般在0.001左右，作为超高应该留的余地为正常高水深的5%～7%；
（4）突然丢失负荷或者增加负荷时，产生的涌波对超高的影响
据此，对于渠道和隧洞的超高计算公式为：
（8）
（9）
式中：
ξ:
设计流量下，电站突然丢失全部负荷时的最大涌波高度，m;
h:
实际流量时的水深,m；
:
相应于h的流速水头，m。
本人认为在设计中，由于没有细化小型水电引水渠道的超高具体计算方法，直接取用规范的取值，显得不够经济。
4.2在设计中发现，若设计的断面深宽比太大，将导致开挖周长太长，在长度很大的情况下，最后的衬砌成本将大大增加。
由于现有的设计资料有限，无法进行更加全面的经济比较的计算，建议在设计过程中加入造价的比较，这样可以更加合理地选择经济断面。
参考文献：
[1]李家星，赵振兴主编.水力学[M].河南大学出版社，2001
[2]袁光裕主编.水利工程施工[M].中国水利水电出版社，2004
[3]戚筱俊主编.工程地质及水文地质[M].中国水利水电出版社，1996
[4]马善定，汪如泽主编.水电站建筑物[M].中国水利水电出版社，1996
[5]温新丽主编.水电站及泵站建筑物[M].中央广播电视大学出版社，2002
[6]张彦法，陈尧隆，刘景翼合编.水利工程[M].中国水利水电出版社，2003
[7]华东水利学院主编.水工设计手册.第七卷.水电建筑物.水利水电出版社，1989
[8]GBJ71-84小型水力发电站设计规范（试行）
[9]SD134-84水工隧洞设计规范（试行）
[10]SL18-91渠道防渗工程设计规范
[11]SL/T205-97水电站引水渠道及前池设计规范
[12]GB50288-99灌溉与排水工程设计规范
[13]SL252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准
致谢
本设计是在张顺芳老师的悉心指导下完成的,设计无论是选题、确定提纲还是最终定稿，都倾注了张老师无数的心血和智慧，在此向张老师表示最诚挚的谢意！
同时，对信息与工学院全体教师、同学的关心和帮助表示感谢！
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