泄洪隧洞设计

/FJD32020FJD水利水电工程技术设计阶段泄洪隧洞设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1999年3月

工程技术设计阶段泄洪隧洞设计大纲主编单主编单位总工程师:参编单员:::勘测设计探讨院年月

目次1.引言 42.设计依据文件和规范 43.基本资料 44设计原则和假定 6水力设计 7稳定分析 12结构设计 13细部设计 14临时及永久支护处理 14构造设计 15灌浆设计 15抗磨损、防空蚀设计 16消能防冲设计 16专题探讨 16观测设计 16工程量计算 17设计成果 17

1引言工程位于，是以为主，、、等综合利用的水利水电枢纽工程。坝，最大坝高m。电站装机容量MW，保证出力MW，年发电量104kW·h，总库容亿m3。本工程可行性探讨报告于年月审查通过。选定坝址为。泄洪建筑物有、、。泄洪隧洞为。2设计依据文件和规范2.1有关工程文件（1）工程可行性探讨报告；（2）工程可行性探讨报告审批文件；（3）技术设计任务书；（4）工程可行性探讨阶段水工模型试验报告；（5）可行性探讨阶段中间报告及审批文件；（6）有关专题报告。2.2主要设计规范（1）SD134—84水工隧洞设计规范（2）SDJ12—78及水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（试行）及补充规定SDJ217—87（3）GB50201-94防洪标准（4）SDJ20—78水工钢筋混凝土结构设计规范（5）SDJ10—78水工建筑物抗震设计规范（6）SL47—94水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范（7）SL62—94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（8）SDJ57—85水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范（9）SL46—94水工预应力锚固施工规范(10)GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范(11)(88)水规设字水利水电工程设计工程量计算规定（试行）第8号3基本资料3.1工程等别及建筑物级别依据可行性探讨成果，本工程为等工程，泄洪洞为级建筑物。3.2设计洪水标准（1）泄洪洞设计洪水重现期为a；（2）泄洪洞校核洪水重现期为a。3.3宣泄流量及相应上、下游水位（1）校核洪水位m，宣泄流量m3/s，相应下游水位m；（2）设计洪水位m，宣泄流量m3/s，相应下游水位m；（3）正常蓄水位m，相应下游水位m。3.4泄洪隧洞主要结构尺寸（1）泄洪隧洞全长m，其中引渠段m，限制段（含闸室、溢流堰和渐变段）m，隧洞段m，出口明渠m；（2）限制段闸门尺寸m，闸门底坎高程m；（3）进口底板高程m，隧洞净宽m，净高m，隧洞底坡i=；（4）进口顶板曲线，侧墙曲线；（5）溢流堰型式。3.5地形、地质资料（1）工程地质和水文地质报告；（2）枢纽地形图（1/1000～1/2000）；（3）坝址地质平面图（1/1000～1/500）；（4）泄洪洞地质纵、横剖面图（1/1000～1/500）；（5）围岩分类及物理力学特性，见表1表1围岩分类及物理力学特性表洞段岩性围岩分类容重kN/m3单位弹性抗力系数K0MPa/cm坚硬系数f弹性模量EGPa泊桑比μ抗剪断强度渗透系数kcm/sf′c′MPa（6）沿泄洪洞轴线全部断层、软弱夹层及溶洞资料；（7）河床岩体抗冲流速m/s；（8）地震烈度度；（9）有关地应力资料。3.6水工建筑物设计资料（1）枢纽总平面布置图；（2）可行性探讨阶段本工程有关的设计图；（3）泄洪洞平面布置及纵、横剖面图。3.7水流泥沙资料（1）水容重kN/m3；（2）年均输沙量万t，含沙量kg/m3；（3）推移质含量%，悬移质含量%；（4）泥沙容重kN/m3，干容重kN/m3；（5）泥沙颗粒级配曲线；（6）矿物成分有、、。3.8水工模型试验资料（1）枢纽整体水工模型试验报告；（2）泄洪洞水工模型试验报告。3.9闸门门槽、启闭机布置和荷载资料（1）门槽尺寸；（2）启闭机型式，重量t；（3）作用于闸门的总水推力t，夹角（°）；（4）闸门开启时地脚螺栓受力分别为t、t、t、t。3.10建筑材料混凝土（1）混凝土标号C；（2）线膨胀系数℃-1；（3）容重kN/m3；（4）允许抗压强度MPa；（5）允许抗拉强度MPa；（6）泊桑比；（7）弹性模量GPa；（8）抗渗标号S（9）抗冻标号D；（10）抗磨损强度kg/(h·m3)；（11）抗空蚀强度h·m2/kg。钢筋(1)钢材品种；(2)弹性模量GPa；(3)抗拉强度MPa；(4)抗剪强度MPa。4设计原则和假定4.1设计原则(1)泄洪隧洞属地下建筑物，设计前应深化现场踏勘，细致收集、分析探讨有关水文、泥沙、地形、地质、施工条件等有关设计资料；(2)细致复核可行性探讨阶段的设计成果；(3)设计除执行本《大纲》外，还应符合有关规范、标准的规定和要求；(4)充分考虑泄洪洞频繁运行的特殊性和维护检修的可能性；(5)隧洞衬砌按限制裂缝开展宽度设计，如渗水对环境和建筑物的平安无影响时可按开裂设计；(6)在枢纽布置时应按“一洞多用”原则，尽量利用临时建筑物改建成泄洪洞；(7)高流速泄洪洞应通过水工模型试验确定平面布置、竖曲线进出口体型、门槽型式等。4.2设计假定(1)泄洪隧洞断面的结构计算一般按平面问题分析；(2)泄洪洞进、出口边坡、底板基础抗滑稳定，按刚体极限平衡法接受抗剪或抗剪断公式计算；(3)泄洪洞断面设计按基本荷载组合限制，由特殊荷载组合复核；(4)泄洪洞进、出口一倍洞径或洞宽的长度内结构计算不计围岩的弹性抗力。5水力设计5.1泄洪洞泄量复核计算无压明流隧洞泄量计算公式（1）非沉没堰流：(1)（2）沉没堰流：(2)式中：Q——流量，m3/s；σc——侧收缩系数；σs——沉没系数；m——流量系数；b——溢流面净宽，m；H0——计入行进流速水头的堰前水头，m；g——重力加速度，m/s2有压短管出口泄量计算公式(3)式中：μ——流量系数；A——限制断面孔口面积，m2；hc0——闸门全开时的收缩断面水深，m；其余符号同(1)式。有压隧洞泄量计算公式（1）非沉没出流：(4)（2）沉没出流：(5)(6)当非沉没出流时，ω/ωi=1式中：Z0——上、下游水位差(计入行进流速水头的有效水头)，m；μc——流量系数；ξi——某一局部能量损失系数；li——隧洞某一段长度，m；ω——隧洞出口断面面积，m2；Ci——谢才系数；Ri——水力半径；ωi——断面面积；g——重力加速度。5.2沿程水面线计算进水口闸室段水面线计算无压开敞式进水口需计算限制断面（图1和图2的C-C断面）水深hK：(7)式中：hk——限制断面水深，m；q——计算断面单宽流量，m3/(s·m)；H0——计算断面渠底以上的总水头，m；ψ——泄槽底板和水平面的夹角，（°）；φ——考虑了水头损失的流速系数。提示：好用堰限制断面为反弧末端处断面；宽顶堰限制提示：好用堰限制断面为反弧末端处断面；宽顶堰限制断面可近似为连接点以下3hk处断面。（1）计算洞口断面水深提示：依据提示：依据进口型式及进口段水面线计算结果确定。（2）洞身水面计算(图3)，其公式如下：(8)式中：Esd——Δs流段末端的断面比能，m；Esu——Δs流段始端的断面比能，m；i——洞身材底坡；J——Δs流段的平均水力坡度。且(9)图1J=(Ju+Jd)/2(10)(11)式中：h——断面清水水深；α——流速系数；Ju——△s流段第一点的水力坡度；Jd——△s流段其次点的水力坡度；v——△s流段平均流速，m/s；C——谢才系数；R——水力半径，m；g——重力加速度，m/s。收缩段水面线计算急流通过渐变的收缩段时冲击波计算公式：(12)(13)(14)式中：θ——边墙转折角度；Fr——弗劳德数；β——波角；y——水流深度。提示：假如泄洪洞在平面上有弯道，应计算出边墙收缩产生的冲击波及弯道横向水面高度。提示：假如泄洪洞在平面上有弯道，应计算出边墙收缩产生的冲击波及弯道横向水面高度。(15)式中：hb——计入波动及掺气的水深，m；h——不计入波动及掺气的水深，m；v——不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；ξ——修正系数，一般为1.0～1.4，视流速和断面收缩状况而定，当流速大于20m/s时，宜接受较大值。沿程水面线计算成果表及沿程水面线（1）沿程水面线计算成果。表2沿程水面线计算成果统计表编号计算断面（桩号）平均流速vm/s不计入掺气及波动的水深hm计入掺气及波动的水深hm（2）绘制沿程水面线。有压泄洪隧洞需绘制沿程顶板水头线（压坡线）提示：（1）绘制压坡线时，先算出局部水头损失和沿程水头损失，以出口断面底板高程为基准面，从进口断面起先绘制总水头线，再用总水头线减去流速水头，便得压坡线。(2)设计中严禁有压流和无压流交替出现的水力学现象。5.3提示：（1）绘制压坡线时，先算出局部水头损失和沿程水头损失，以出口断面底板高程为基准面，从进口断面起先绘制总水头线，再用总水头线减去流速水头，便得压坡线。(2)设计中严禁有压流和无压流交替出现的水力学现象。挑流消能(图4)图4（1）挑流距离L计算L=χp+Lc(16)(17)(18)(19)式中：h、v——分别为鼻坎出口断面的水深，m和流速，m/s；θ——水舌射出角；△s——鼻坎顶点至河床面的高差，m；g——重力加速度，m/s2；T——从下游水位起算的冲刷深度，m；β——水舌外缘和下游水面的夹角。（2）冲刷深度t计算(20)式中：t——冲刷坑深度，m；q——单宽流量，m3/s；Z——上、下游水位差，m；ht——下游水深，m；K——冲坑系数，坚硬完整的基岩，K=0.9～1.2.；坚硬但完整性较差的基岩，K=1.2～1.5；软弱裂开、裂隙发育的基岩，K=1.5～2.0。提示：若出口接受新型的消能型式，挑距及冲坑应依据提示：若出口接受新型的消能型式，挑距及冲坑应依据水工模型试验来确定。水流弗劳德数：（21）式中：v′、h′——跃前平均流速，m/s和水深，m；g——重力加速度，m/s2。（1）当Fr≥4.5，护坦上不设帮助消能工时，护坦消力池长度L为：L=b(h″-h′)(22)式中：h″——为跃后共轭水深，m。（2）当Fr＞4.5，消力池首断面v′＜16m/s～18m/s时，护坦上可设挑流坎、消力墩及尾坎时：L=(2.3～2.8)h″(23)（3）当Fr＞4.5，v′＞16m/s～18m/s，护坦上可设挑流坎及尾坎，不设消力墩时：L=(3.2～4.3)h″(24)内部消能如受地形地质条件和枢纽布置的限制，泄洪洞不能接受挑流消能和底流消能型式，或将导流洞改建成泄洪洞时，则可接受内部消能方式。（1）涡漩式内部消能工：通过涡室、竖井、消力井联合消能。（2）突扩式孔板洞型内消能工：通过单级或多级孔板洞塞消能。提示：内部消能型式，应用不多，缺乏阅历，其结构型式和尺寸应通过试验确定。5.4水流空化数σ提示：内部消能型式，应用不多，缺乏阅历，其结构型式和尺寸应通过试验确定。(25)式中：σ——空化数；Pt——水流靠近绕流体或建筑物构件处的时均确定压强，MPa；Pv——水在相应温度时的饱和蒸气压强，MPa；ρ——水的密度，kN/m3；g——重力加速度，m/s2；ht——特征压强水头，m，ht=Pt/γ；hv——饱和蒸汽压强水头m，hv=Pv/γ；γ——水的容重，kN/m3；ut——绕流体或建筑物构件旁边具有代表性的时均特征流速，m/s。提示：设计时应使σ大于初生空化数σi提示：设计时应使σ大于初生空化数σi。各种体型不平整体的σi通过减压箱试验测定，当水流空化数σ小于0.3时，需设掺气设施。提示：在混凝土溢流面需爱惜的范围内，掺气浓度不应小于3%，当水流空化数σ提示：在混凝土溢流面需爱惜的范围内，掺气浓度不应小于3%，当水流空化数σ<0.2的部位不应小于5%，按风速为60m/s～80m/s来确定掺气设施尺寸。6.1进出口底板基础稳定分析提示：依据断层、提示：依据断层、软弱夹层及可能产生滑动的断面，进行抗滑稳定验算。K=(f1∑W+CA)/∑P(26)式中：K——抗剪断强度计算的抗滑稳定平安系数；f1——结构和基岩接触面的抗剪断摩擦系数；C——结构和基岩接触面的凝合力；∑W——作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的法向重量；∑P——作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的切向重量；A——结构和基岩接触面的面积，m2。按抗剪强度公式验算K=f2∑W/∑P(27)式中：K——按抗剪强度计算的抗滑稳定平安系数；f2——结构和基岩接触面的抗剪摩擦系数；其余符号同前。提示：泄洪洞进、出口边坡除按公式(26)和(27)进行抗滑稳定验算外，还应进行抗倾覆验算，若为高边坡应作特地的稳定分析。边坡稳定分析应考虑施工期和运行期水库放空时的最不利工况。6.2提示：泄洪洞进、出口边坡除按公式(26)和(27)进行抗滑稳定验算外，还应进行抗倾覆验算，若为高边坡应作特地的稳定分析。边坡稳定分析应考虑施工期和运行期水库放空时的最不利工况。7结构设计7.1拟定结构断面尺寸表3结构断面尺寸表编号断面桩号断面尺寸部位衬砌厚度或断面尺寸7.2荷载计算（1）内水压力（即为设计水位时的动水压力）提示：对一洞多用的泄洪隧洞，应进行必要的水工模型试验，确定最低运行水位，并列入设计文件中。（2）外水压力（或扬压力）提示：对一洞多用的泄洪隧洞，应进行必要的水工模型试验，确定最低运行水位，并列入设计文件中。提示：先绘制各种设计水位下考虑帷幕灌浆后的渗流曲线。若防渗帷幕穿过泄洪洞，应计算出各断面相应的外水压力。对无压洞，顶拱又有足够的排水孔，可不计外水压力的作用。（3）山岩压力提示：先绘制各种设计水位下考虑帷幕灌浆后的渗流曲线。若防渗帷幕穿过泄洪洞，应计算出各断面相应的外水压力。对无压洞，顶拱又有足够的排水孔，可不计外水压力的作用。Ⅰ类围岩：可不计围岩的松动压力。Ⅱ、Ⅲ类围岩：q=（0.1～0.2）γB(28)式中：q——匀整分布的垂直围岩松动压力，kN/m2；γ——岩石容重，kN/m3；B——隧洞开挖宽度，m。Ⅳ、Ⅴ类围岩：可按松动介质平衡理论估算围岩压力。（4）衬砌自重（5）灌浆压力（6）泥沙压力（7）冰压力（8）地震荷载提示：除上述荷载外，若泄洪洞距拱坝较近，应计入拱端推力对衬砌的影响。若地应力较大，应计入地应力。7.3荷载组合提示：除上述荷载外，若泄洪洞距拱坝较近，应计入拱端推力对衬砌的影响。若地应力较大，应计入地应力。基本荷载组合（1）设计洪水位状况：衬砌自重＋设计洪水位时的内水压力+山岩压力+泥沙压力+弹性抗力（2）正常蓄水位状况：衬砌自重＋正常蓄水位时的外水压力（或扬压力）+山岩压力+泥沙压力+冰压力+弹性抗力（3）运行检修状况：衬砌自重＋山岩压力+外水压力+泥沙压力+冰压力+弹性抗力特殊荷载组合（1）校核洪水位状况：衬砌自重＋校核洪水位时的内水压力+山岩压力+泥沙压力+冰压力+弹性抗力（2）地震状况：衬砌自重＋正常蓄水位时的内水压力＋泥沙压力+地震荷载+弹性抗力7.4结构计算提示：泄洪洞衬砌和进口闸墩、启闭机排架等结构可接受结构力学方法或有限元方法进行计算。高薄闸墩应复核其结构稳定和振动效应，消能工应计水流脉动压力和冲击力，必要时进行结构模型试验，比较计算和试验成果，按各部位均处于平安状态确定结构型式和尺寸。计算时按进口段、提示：泄洪洞衬砌和进口闸墩、启闭机排架等结构可接受结构力学方法或有限元方法进行计算。高薄闸墩应复核其结构稳定和振动效应，消能工应计水流脉动压力和冲击力，必要时进行结构模型试验，比较计算和试验成果，按各部位均处于平安状态确定结构型式和尺寸。计算时按进口段、限制段、洞身材、出口段分别考虑不同工况确定计算简图。各段依据不同计算方法计算出的最不利工况的内力或应力计算配筋量，成果如表4：表4配筋表编号计算断面结构部位结构尺寸钢筋配置提示：细部设计包括启闭机排架基础、工作桥、交通桥、门槽二期混凝土、支承结构、楼梯、爬梯、预埋件、栏杆照明、电气设备和电缆的基础、埋管，以及闸门和启闭机运输、安装时对结构的特殊要求等，除对其进行结构布置外，应进行相应的结构计算。为了便于泄洪洞的检查和修理提示：细部设计包括启闭机排架基础、工作桥、交通桥、门槽二期混凝土、支承结构、楼梯、爬梯、预埋件、栏杆照明、电气设备和电缆的基础、埋管，以及闸门和启闭机运输、安装时对结构的特殊要求等，除对其进行结构布置外，应进行相应的结构计算。为了便于泄洪洞的检查和修理，应在闸门后和出口消能工旁边布置楼梯或爬梯、吊物孔等。9临时及永久支护处理9.1进、出口提示：进、出口边坡处理，应依据专题分析成果实行相应措施。如：卸荷、长、短锚杆、挂钢筋网和喷混凝土相结合、灌浆、排水，必要时提示：进、出口边坡处理，应依据专题分析成果实行相应措施。如：卸荷、长、短锚杆、挂钢筋网和喷混凝土相结合、灌浆、排水，必要时接受预应力锚索加固。提示：(1)Ⅱ类围岩按赤平投影法确定不稳定体作局部锚固处理。(2)Ⅲ提示：(1)Ⅱ类围岩按赤平投影法确定不稳定体作局部锚固处理。(2)Ⅲ类围岩可接受砂浆锚杆、钢筋网、喷混凝土。(3)Ⅳ、Ⅴ类围岩的支护措施应进行专题探讨，包括对施工方法、程序等的改进。提示：泄洪洞洞内断层、溶洞，应提示：泄洪洞洞内断层、溶洞，应依据其发育规模、水文地质条件及对建筑物的影响等，实行相应措施；断层中软弱裂开带和充填物可接受挖除回填、灌浆等处理措施；溶洞可接受开挖回填、防渗墙、抗滑桩等方法进行处理；对有岩溶水的溶洞，应实行妥当的疏流措施。10构造设计10.1结构分缝、分块设计(1)泄洪隧洞洞身和进口段、出口消能工段，应设伸缩缝；洞身材地质条件有明显变更处（如通过较大断层、软弱裂开带等），应设伸缩缝；围岩地质条件均一的洞身材，只设施工缝。(2)洞身材环向施工缝，底拱、边墙和顶拱不得错开；浇筑块长度一般6m～12m。(3)无防渗要求的无压洞衬砌，环向施工缝钢筋可不穿过缝面，混凝土可不凿毛处理。有压洞和有防渗要求的无压隧洞，衬砌的环向施工缝面必需凿毛，钢筋应穿过缝面，相邻块混凝土浇筑间歇期应在14天以上。(4)当先浇顶拱时，应做好反缝结构设计，使边墙混凝土和顶拱混凝土紧密结合。10.2止水设计无防渗要求的无压洞衬砌的环向施工缝可不设止水；对有防渗要求的无压洞（水面线以下）和有压隧洞，应设止水铜片或止水带。10.3排水设计(1)泄洪洞进、出口边坡应设置地表排水沟、渠，以解除地面水和岸坡渗水。(2)无压洞水面线以上设排水孔，以解除山体水，减小外水压力。(3)出口消能反弧段可设排水设施，解除泄流后反弧段积水，以利于检查、修理的交通。11灌浆设计11.1回填灌浆设计隧洞衬砌结束后，在顶拱90°～120°范围内进行回填灌浆，灌浆压力一般为0.2MPa～0.5MPa，孔、排距4m～6m，以水泥砂浆或水灰比0.6～0.5浆液回填，粉煤灰掺量为水泥重的50%～100%。对有压隧洞的回填灌浆，粉煤灰品质应达到一、二级标准。11.2固结灌浆设计(1)依据结构设计原则及对围岩处理要求，确定固结灌浆洞段及参数，一般状况下对围岩地质条件差或有特殊要求的洞段，应进行固结灌浆。(2)洞身材需固结灌浆时，每排不少于6孔，对称布置，排距2m～3m，压力0.5MPa～1.0MPa。(3)进、出口部位一倍洞径（或洞宽）范围内，必需进行固结灌浆，孔、排距2m～3m，压力0.5MPa～0.8MPa。(4)灌浆材料，宜接受一般硅酸盐水泥，水灰比2：1～0.5：1。(5)灌浆质量检查，接受声波检测（弹模、波速）和压水相结合。12抗磨损、防空蚀设计提示：依据计算的水流空化数，结合模型试验，确定抗磨损、防空蚀的具体提示：依据计算的水流空化数，结合模型试验，确定抗磨损、防空蚀的具体措施：（1）使水流空化数σ大于初生空化数σI；（2）限制过流面的不平整度；（3）设置掺气设施；（4）接受抗蚀耐磨材料。13.1设计标准消能防冲标准P=%，相应泄洪洞泄量Q=m3/s，相应下游水位m。提示：(1)泄洪洞出口消能，一般接受挑流型式，消能工常用挑流鼻坎（连续式、倾斜式、曲面贴角型式）。但是，这种消能方式，对下游河床有干脆冲刷、回流淘刷、波浪淘岸等破坏作用，应提示：(1)泄洪洞出口消能，一般接受挑流型式，