完整版XX水库供水隧洞结构计算书doc.docx
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龙洞河水电站有压引水隧洞结构计算书
1工程概况
公明供水调蓄工程供水隧洞是从鹅颈至公明水库连通隧洞L0+387桩号接往石岩水库
的一条供水隧洞,全长6.397km,桩号为G0+000~G6+397。
根据初步设计报告供水隧洞为2级建筑物,设计流量为10.24m3/s,采用圆型断面,内径为3.4m。
供水隧洞进口底高程为
29.60m,出口底高程为27.50m,隧洞全段纵坡为-0.0328%。
供水隧洞Ⅱ类围岩3576m、Ⅲ类围岩1836m、Ⅳ类围岩345m、Ⅴ类围岩310m。
2设计依据
2.1规范、规程
《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)(以下简称“隧洞规范”)
《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)(电力行业标准,下称“电力隧洞规范”)
《水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)》(SDJ20-78)(以下简称“砼规”)
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)
2.2参考资料
《深圳市公明水库调蓄工程初步设计报告》(深圳市水利规划设计院,2007.05)《G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序》
《PC1500程序集地下结构计算程序使用中的几个问题》(新疆水利厅,张校正)《取水输水建筑物丛书-隧洞》
《水工设计手册-水电站建筑物》(水利电力出版社,1989)
《水击理论与水击计算》(清华大学出版社,1981)
《水力学-下册》(吴持恭,高等教育出版社,1982)
3计算方法
隧洞支护及衬砌结构按新奥法理论进行设计,支护型式采用锚喷支护通过工程类比确
定,喷锚支护类型及其参数参照电力隧洞规范附录F表F.1选取;衬砌型式采用钢筋混凝
土衬砌。
根据隧洞规范6.1.8条第2点规定,围岩具有一定的抗渗能力、内水外渗可能造
成不良地质段的局部失稳,经处理不会造成危害者,宜提出一般防渗要求,本工程按限制
-1-
裂缝宽度设计,裂缝宽度短期组合不超过0.3mm,长期组合不超过0.25mm。
隧洞衬砌采用结构力学方法计算。
隧洞结构计算软件采用PC1500程序集中的G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序。
4计算工况
4.1基本组合
工况1:
正常运行期(衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+设计内水压力+外水压力)
工况2:
检修期(衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+外水压力)
4.2特殊组合
工况3:
施工期(衬砌自重+弹性抗力+外水压力或灌浆压力)
工况4:
校核工况(衬砌自重+围岩压力+弹性抗力+校核内水压力+外水压力)
5典型计算断面及其选择原则
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及土洞典型断面按荷载受力不利原则选取。
计算围岩压力时,采用围
岩压力最大处断面;计算弹性抗力时,采用地勘提供参数的小值平均值;计算内水压力时,
采用各类围岩承受最大静水压力处断面;计算外水压力时,对无内水组合工况采用地下水
作用最大水头处断面,对有内水组合工况采用地下水作用最小水头处断面。
各类围岩断面几何初步拟定情况见表5-1。
表5-1
各类围岩断面几何参数
围岩
断面
内径
初衬厚度
二衬厚度
开挖洞径
弹性抗力计
结构计算半
类别
形式
(m)
(m)
(m)
(m)
算半径(m)
径(m)
Ⅱ
圆形
3.4
0.05
0.3
4.1
2.05
1.85
Ⅲ
圆形
3.4
0.1
0.3
4.2
2.1
1.85
Ⅳ
圆形
3.4
0.1
0.4
4.4
2.2
1.9
Ⅴ
圆形
3.4
0.2
0.4
4.6
2.3
1.9
土洞
圆形
3.4
0.2
0.4
4.6
2.3
1.9
6荷载计算
6.1围岩压力
1.Ⅱ、Ⅲ类围岩自稳条件好并采取了有效的支护,不考虑围岩压力。
2.Ⅳ类围岩能自稳数日,采取了有效的支护,围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计算:
-2-
Q4=0.2×γr×B=0.2×23×4.4=20.24kN/m=2.02410kN/m×
Q2=Q3=0.05×γr×H=0.05×23×4.4=5.06kN/m=0.50610kN/m×
3.Ⅴ类围岩自稳能力较差,采用有效支护后能自稳,围岩压力按隧洞规范6.2.4-1~2式计
算:
Q4=0.3×γr×B=0.3×21×4.6=28.98kN/m=2.898×10kN/m
Q2=Q3=0.1×γr×H=0.1×21×4.6=9.66kN/m=0.966×10kN/m
4.土洞围岩压力计算
1)计算依据
土洞围岩压力按隧洞规范8.1.2条确定:
对能形成塌落拱的土洞,可按松动介质平衡
理论估算围岩压力;不能形成塌落拱的浅埋土洞,围岩压力宜按顶拱的上覆土体重力计算
围岩压力,并根据地形条件、施工所采取的稳定措施予以修正。
2)计算断面的确定
对供水隧洞进出口处深埋土洞根据北线隧洞经验可以形成塌落拱,故土洞围岩压力最
大处为深浅埋土洞的分界处,计算断面亦取深浅埋土洞的分界处。
3)塌落拱高度计算
查《取水输水建筑物丛书-隧洞》P54表3-2岩石坚固系数及其它力学指标表,密实
粘土及粘质土坚固系数fK=1.0,换算内摩擦角为
Φ=45°。
b1=2.3m,b2=b1+b1×tg(45-
Φ/2
。
)=3.253m
计算塌落拱高度等于拱跨度之半b2除以岩石的坚固系数fK,即h=b2/fK=3.253/1=3.253m。
根据《取水输水建筑物丛书-隧洞》3-9式,取
曲线形洞顶实际塌落拱高度为计算塌落拱高度的0.7
倍,荷载等效高度(塌落拱高度)Hg=0.7h=2.277m。
4)垂直围岩压力计算
根据规范8.1.2条条文说明,深浅埋土洞的分界深度Hpg
×
2.277=5.69m
=2.5H=2.5
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》第4.4.7条规定:
浅埋土质隧洞采用钢架喷混凝土
支护时,钢架应有足够的刚度和强度,应能承受40~60kN/m2的垂直土压力。
《铁路隧道新奥法指南》第3.4.13条规定:
钢架的设计强度,应保证能单独承受2~4m高的松动岩柱重量。
-3-
本次计算按初期支护承担2m土重考虑,则折减以后土洞围岩压力为:
Q4=(5.69-2)×18=66.42kN/m=6.642×10kN/m
5)侧向围岩压力计算
侧向水平围岩压力计算按松散体理论,根据《取水输水建筑物丛书-隧洞》P57页公
式3-10及3-11计算。
Q2=0.7
Q3=(0.7
=(0.7
×γ×h×tg2(45°-Φ/2)=0.718××3.253×tg2(45-45/2)=7.03kN/m=0.70310kN/m×
2
×h+H)×γ×(45°tg-Φ/2)
3×.253+4.6)18××tg2(22.5°)
=22.17kN/m=2.21710kN/m×
6.2弹性抗力
围岩单位弹性抗力主要根据初步设计报告第
3章表3.6.2.2选取(P89),如表6-1所示。
表6-1
公明水库输水隧洞围岩主要物理力学参数
围岩
密度γ内摩擦
凝聚力C
变形模量E
单位弹性抗力系数
泊松比μ
K0(MPa/cm)
备注
类别
(g/cm3)
角φ(°)
(MPa)
(GPa)
有压洞
无压洞
Ⅱ
2.5~2.7
40~45
1.7~3.5
10.0~20.0
0.17~0.23
50~100
15~20
Ⅲ-1
2.4~2.5
37~40
1.0~1.7
7.0~10.0
0.23~0.26
35~50
10~15
偏于Ⅱ类岩特征
Ⅲ-2
2.3~2.4
35~37
0.4~1.0
5.0~7.0
0.26~0.29
20~35
5~10
偏于Ⅳ类岩特征
Ⅳ-1
2.2~2.3
32~35
0.25~0.4
2.0~5.0
0.29~0.32
12~20
3~5
位于地下水位以上
或偏于Ⅲ类岩特征
Ⅳ-2
2.1~2.2
30~32
0.1~0.25
0.5~2.0
0.32~0.35
5~12
1~3
位于地下水位以下
或偏于Ⅴ类岩特征
Ⅴ-1
1.9~2.1
20~30
0.05~0.1
0.05~0.5
0.35~0.36
2~5
0.75~1
位于地下水位以上
Ⅴ-2
1.8~1.9
10~20
0.02~0.05
0.02~0.05
0.36~0.38
1~2
0.5~0.75
位于地下水位以下
6.2.1有内水压力时弹性抗力
有压隧洞围岩弹性抗力系数k=k0/r,单位弹性抗力系数偏安全考虑采用小值平均值,
计算结果如下:
Ⅱ类围岩弹性抗力系数k2=((50+75)/2)/2.15=29.07MPa/cm=290700×10kN/m3Ⅲ类围岩弹性抗力系数k3=((20+35)/2)/2.2=12.5MPa/cm=125000×10kN/m3Ⅳ类围岩弹性抗力系数k4=((5+12)/2)/2.3=3.7MPa/cm=37000×10kN/m3Ⅴ类围岩弹性抗力系数k5=((1+2)/2)/2.4=0.625MPa/cm=6250×10kN/m3
土洞根据隧洞规范8.1.3条按不计土体联合作用考虑,根据《水工隧洞设计规范》
(SD134-84)附录程序说明取弹性抗力系数k6=100×10kN/m3
-4-
6.2.2无内水压力时弹性抗力
根据《水工设计手册》第七卷P7-47页,无压隧洞围岩弹性抗力系数(又称地基系数)
k=b×k0,其中b为弹性地基梁宽度,取单宽b=1m;单位弹性抗力系数偏安全考虑采用小
值平均值,计算结果如下:
Ⅱ类围岩弹性抗力系数k2=(15+17.5)/2=16.25MPa/cm=162500×10kN/m3Ⅲ类围岩弹性抗力系数k3=(5+10)/2=7.5MPa/cm=75000×10kN/m3Ⅳ类围岩弹性抗力系数k4=(1+3)/2=2MPa/cm=20000×10kN/m3Ⅴ类围岩弹性抗力系数k5=(0.5+0.75)/2=0.625MPa/cm=6250×10kN/m3
土洞根据隧洞规范8.1.3条按不计土体联合作用考虑,根据《水工隧洞设计规范》
(SD134-84)附录程序说明取弹性抗力系数k6=100×10kN/m3
6.3内水压力
鹅颈水库正常蓄水位(扩建后)为66.70m,设计洪水位为67.43m,校核洪水位为67.8m;公明水库正常蓄水位为59.70m,设计洪水位为60.25m,校核洪水位为60.58m;石岩水库正常蓄水位为36.59m,设计洪水位为38.98m,校核洪水位为39.94m。
正常运行期设计水位采用正常蓄水位,校核工况采用校核水位;供水隧洞桩号L6+397(出口处)洞底高程最低,为27.50m,此处为Ⅴ类围岩,供水隧洞正常运行由公明水库向石岩水库供水,正常运行期最大内水压力(静水压力)为59.7-27.5=32.2m,考虑到供水隧洞纵坡较缓(0.0238%),不远处就有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩,高程相差不到0.4m,故所有类别
围岩正常运行期最大内水压力(静水压力)偏安全考虑均取32.2m。
考虑北线鹅颈-石岩隧洞检修或事故情况下可利用本工程供水隧洞供水,故校核内水压力(静水压力)取67.8-27.5
=40.3m。
6.4外水压力
作用在衬砌结构上的外水压力根据隧洞规范第6.2.5式进行估算。
Pe=βe×γw×He
根据不同的地下水活动情况按隧洞规范表6.2.5对外水压力进行折减:
干燥或潮湿βe=0~0.2
渗水或滴水βe=0.1~0.4
大量滴水或线状流水βe=0.25~0.6
-5-
严重滴水或小量涌水βe=0.4~0.8
股状流水或大量涌水βe=0.65~1.0
当有内水组合时,βe取较小值;无内水组合时,βe取较大值。
根据初设报告P87-P89供水隧洞地质描述(摘录见斜体字)及供水隧洞纵断面图,对无内水组合工况,典型断面选地下水作用最大处水头处;对有内水组合工况,典型断面选
地下水作用最小外水头处,典型断面桩号、计算水头、折减系数及作用水头详见表6-2。
表6-2
外水压力水头计算表
工
无内水组合
(最大地下水作用水
头处断面)
有内水组合
(最小地下水作用水
头处断面)
况
桩号
βe
He(m)
Pe(m)
桩号
βe
He(m)
Pe(m)
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
土洞
L4+860
L4+840
L0+240
L2+530
L1+000
0.4
0.6
0.8
1.0
1.0
122.8
122.8
39.1
26.1
4.3
49.12
73.68
31.28
26.1
4.3
L6+250
L1+356
L2+450
L1+340
L1+010
0.1
0.25
0.4
0.65
0.65
11.2
3.5
8.7
0
3.7
1.12
0.875
3.48
0
2.4
(15)、G2+737~G6+250,段长3513m,隧洞埋深27.8~180.1m,地下水位至隧洞顶板27.8~120.2m,
Ⅱ类围岩,局部Ⅲ类(约占10%),弱-微风化花岗岩,岩体呈整体块状结构,较完整,裂隙不发育,潮湿,沿裂隙有滴水,在局部可形成线状流水,围岩基本稳定,但局部可能掉块。
局部裂隙相对集中区域成Ⅲ类围岩,完整性稍差,围岩局部稳定性差,可能出现坍塌和变形。
(8)、G1+355~G1+465,段长110m,隧洞埋深11.5~44.7m,地下水位至隧洞顶板2.1~20.9m,
Ⅲ类围岩,弱风化片麻岩,岩体完整性较差,裂隙较发育,围岩局部稳定性差,可发生坍落或掉块。
以滴水为主,沿裂隙有线状流水。
(2)、G0+080~G0+280,段长200m,隧洞埋深60.5~77.5m,地下水位至隧洞顶板32.3~37.5m,
Ⅳ类围岩,弱风化片麻岩,岩体完整性差,裂隙发育,围岩稳定性差,易坍塌或掉块。
沿裂隙多有线状流水。
(13)、G2+435~G2+648,段长213m,隧洞埋深10.4~48m,地下水位至隧洞顶板7.6~24.5m,Ⅳ
-Ⅴ类围岩,f4断层及影响带,形成构造碎裂岩糜棱岩,裂隙极发育,岩体极破碎(但有初步胶结,胶结力较弱),沿裂隙有线状流水,部分股状,围岩不稳定,易坍塌或变形。
(7)、G1+340~G1+355,段长15m,隧洞埋深3.7~11.5m,地下水位至隧洞顶板0~2.1m,V类围岩,全-强风化片麻岩,不稳定,极易坍塌,滴水及线状流水。
(5)G0+922~G1+010,段长88m,隧洞埋深12.2~44.3m,地下水位至隧洞顶板2.1~12.2m,V
类围岩,强风化片麻岩,呈风化岩块状和半岩土状,不稳定,极易坍塌,滴水及线状流水。
鉴于有内水组合工况外水压力仅0~3.48m,数值较小;另处根据北线隧洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、
Ⅴ类围岩及土洞初期支护后部分洞壁较为干燥,偏安全考虑本次计算有内水组合工况时有
外水压力取值为0。
-6-
6.5动水压力
发电引水隧洞进水口设有检修闸门和工作闸门,下接压力钢管,设计引水流量8m3/s,
下游接冲击式水轮机的控制阀门,引水隧洞运行时可考虑关闸水锤动水压力增加值。
6.5.1水位组合
参考有压引水隧洞的水力计算成果,取满足发电要求的最低水位1294.0m为计算水锤
动水压力的上游水位,对应下游尾水位为1087.7m,尾水坎高程1087.05m。
6.5.2计算方法
本次计算对是否考虑有引水隧洞和压力钢管水力损失分别进行计算,不考虑水损时采
用《水工设计手册》简化方法计算;考虑水损时采用《水击理论与水击计算》中的特征线
法编制程序求解。
6.5.3初始条件
洞径分两种:
起始段为有压引水隧洞,D1=2.2m,隧洞长L1=2644m;末段为紧接水
轮机的压力钢管,D2=1.44m,隧洞长L2=263.77m。
隧洞上游进口水位Z0=1294.0m,下
游压力钢管出口水位Zn=1087.7m,水头差H=1294-1087.7=206.3m,出口尾水坎高程为
Zn=1087.05m。
6.5.4水锤传播速度
根据《水工设计手册》P7-100:
除均质薄壁管外,各组合管的水锤波速公式都是近似
的,水锤波速对第一相水锤影响较大,对于最大水锤压强出现在第一相末的情况,可取一
个略为偏小的数值以策安全。
水锤波速应对以后各相水锤的影响逐渐减小,对大多数电站,
最大水锤压强出现在开度变化接近终了时刻,此时不必过分追求水锤波速的精度。
根据《水工设计手册》第七卷(以下称《手册》)P7-99,水锤波速按式(33-1-7)计
算:
C
Ewg/
(33-1-7)
1
2Ew/kr
式中:
Ew、
γ------水的体积弹性模量和容重,在一般温度和压力下,
w=
×
4
E
2.1
10kg
/cm2,γ=0.001kg/cm3;
r------管道半径
k------抗力系数,引水隧洞为钢筋混凝土管,按式(
33-1-11)计算k值;压力钢管
-7-
为薄壁管,按式(33-1-8)计算k值。
k
Ec
Esf
(33-1-11)
r2
Ec
式中:
r——管道半径;
Es和Ec——钢筋和混凝土的弹性模量,取C25砼弹性模量Ec=2.85×105kg/cm2,
钢筋弹性模量Es=2.09×106kg/cm2。
f——每厘米长管壁中钢筋的截面积;
——管壁厚度,取30.0cm
kks
Ess
(33-1-8)
r2
式中:
r------
管道半径;
Es------
管材的弹性模量,取E=2.1×106kg/cm2
s——管壁厚度,取1.0cm
由上述公式(33-1-11)和(33-1-8)计算水锤波速值如下:
1、前段引水隧洞r=2.2m,=30cm
k
Ec
Es
f
2.85
105
2.09
106
1200
5.210
4
kg/cm
2
r
2
Ec
2
30
5
220
2.85
10
C1
2.1
104
9.8
100/0.001
1
22.1104/5.2
104
143120cm/s=1431.2m/s
220
2、后段压力管道r=1.44m,s=1.0cm
kks
Es
s
2.1
106
1.0
1.013106kg/cm2
r2
1.442
C1
2.1
104
9.8
100/0.001
2
2.1104/1.013
143457cm/s=1434.57m/s
1
106144
根据《手册》式(33-1-17),计算隧洞平均波速为:
L
2907.77
C
1432.4m/s
L1/C1L2/C2
2644/1431.2263.77/1434.57
6.5.5
相长:
根据《手册》式(
33-1-18),水锤的相长为:
2L
22907.77
tr
4.06s
C
1432.4
6.5.6
等价隧洞中的流速
-8-
《水力学》计算公式:
8g
8g
c2
R1/6/n
2
1、引水隧洞R=D1/4=0.55m,n=0.015
代入上式得:
λ=0.02
考虑10%局部水头损失,λ1=
×λ=
0.022
1.1
Φ=Cv0/(2gH0)=1432.4×2.1/(2×9.8×15.213)=10.088m
1
ζ=2Φ=2×10.088=20.176
阀门断面水头增值为
H1=20.176×15.213=306.94m
关闭阀门后阀门前水头为
H1=H0+H1=15.213+306.94=322.153m
引水隧洞中最大流速:
1
2gVH
1
v12gVH
19.6306.94264.27
l/d
0.0222644/2.2
2、供水隧洞R=D2
/4=0.85m,n=0.015代入上式得:
λ2=0.01864
考虑10%局部水头损失,λ2=1.1×λ=0.0205
供水隧洞水头差为
H2=6397/10670×23.11=13.855m
供水隧洞中最大流速:
v2
2
9.81
13.855
0.0205
2.6548m/s
6397/3.4
3、等价最大流速:
根据《手册》式33-1-57,根据管道中水体动能不变的要求得:
L1v1L2v2
42732.758863972.6548
va
2.696m/s
L
10670
4、等价过流断面面积根据水电站33-1-57及各断面过流量不变原则反推:
A
10670
9.485m2
4273/(3.14*1.8
2)6397/(3.14*1.72)
5、等价直径:
D
A
3.476m
2
6.5.7边界条件与基本假设
1
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