水工隧洞设计规范Word下载.docx
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对SD134-84进行修改的主要内容如下:
———水工隧洞的级别与洪水标准;
———围岩及土质分类的依据;
———高地应力区水工隧洞进行地应力测验的要求;
———水工隧洞遇有较大地质构造、不良地质洞段等不同地质问题时的布置原则;
———对最小厚度覆盖抵抗水力劈裂和保持围岩渗透稳定的要求,引入地应力准则和挪威准则;
———去掉了有关进水口设计的部分内容;
———混凝土和钢筋混凝土衬砌结构不作为有严格防渗要求的抗裂结构;
———按围岩自稳定能力确定支护形式的设计原则;
———衬砌结构与围岩联合承受内水压力的设计原则;
———按照对衬砌结构的抗渗要求确定衬砌结构进行抗裂、限裂、不限裂设计的结构设计原则,以及确定防渗要求的原则;
———考虑结构的抗渗要求、围岩承担内水压力的能力、围岩分类及最小覆盖厚度等因素,确定衬砌型式的原则;
———有关选择衬砌结构静力计算方法的某些内容,并推荐了有限元计算的力学模型;
———锚喷结构设计的部分参数;
———部分附录。
对SD134-84相比增加的内容如下:
———本规范适用于土洞设计;
———环境保护和水土保持的要求;
———洞内和出口消能的条款;
———隧洞充、放水的规定;
———施工和安全监测中反馈设计的要求;
———土洞、预应力混凝土灌浆设计的要求。
具体增加如下章节:
“7不良地质洞段设计”
“8土洞设计”
“6.4预应力混凝土衬砌”
“6.6埋藏式高压钢筋混凝土岔管设计”
“6.8封堵体设计”
“附录C灌浆式预应力衬砌的结构计算”
本规范的强制性条款有:
2.0.5、3.2.9第1款、3.3.3、4.1.2、4.1.3、5.2.1、6.5.1、6.6.2、6.6.6、6.7.4、6.8.5、8.2.3、9.1.1、9.1.9共14条款,用黑体字表示。
本规范解释单位:
水利部水利水电规划设计总院
本规范主编单位:
本规范主要起草人:
林玉枢刘世煌金正浩孙荣博仝壮信宋守平顾一新
郑太然赵玉玺
目次
1总则
1.0.1为统一水工隧洞设计标准,保证设计质量,做到因地制宜、安全适用、技术先进、经济合理,特制定本规范。
1.0.2水工隧洞是以输水为目的,在岩、土体中通过开挖形成的隧洞,不包括埋管和回填管。
本规范适用于水利水电工程1、2、3级水工隧洞设计,但不适用于岩、土体中有钢板衬砌的水工隧洞设计。
1.0.3水工隧洞的级别按现行GB50201-1994《防洪标准》和SL252-2000《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》的规定执行,对于下列情况,经论证可予提高或降低:
1地质条件特别复杂、水头和流速特别高以及失事后将会造成严重损失的隧洞,可提高一级(最高不高于1级隧洞);
2低水头低流速失事后不致造成严重损失的隧洞,可降低一级。
1.0.4水工隧洞设计应满足工程总体规划和环境及水土保持要求。
1.0.5凡本规范未包括的问题,或由于新技术的发展某些条文不尽适宜时,设计单位应通过充分论证,提出专题报告,报设计审批单位批准执行。
1.0.6水工隧洞的设计除符合本规范外,尚应符合国家现行有关标准的规定。
2基本资料
2.0.1水工隧洞设计应根据隧洞用途和不同设计阶段的要求,搜集下列基本资料:
1流域规划、工程任务、枢纽布置、水库(河道)特征水位、隧洞引用流量、隧洞泄洪或导流标准、水库调度运行方式、河道取(用)水原则等;
2区域地质资料,地震基本烈度,隧洞进、出口及沿线的地形、工程地质和水文地质资料;
3有关的水文、气象资料及水文设计成果,建筑材料及施工组织设计成果,机电设备以及调压(减泄压)设施、压力钢管、闸门(阀)设置等;
4隧洞区的环保要求。
2.0.2水工隧洞的进、出口及隧洞沿线的地质勘察工作,应根据地形、地质条件的复杂程度,枢纽及水工隧洞级别,不同的设计阶段,按照有关规范执行。
对1、2级水工隧洞和洞线区有不良地质问题的水工隧洞,应根据各设计阶段的不同要求,在现场选择有代表性的地段进行有关的试验、测试工作。
设计人员应根据设计需要及有关标准会同地质人员共同提出试验、测试要求。
2.0.3水工隧洞开工前,设计人员应掌握隧洞地区下列基本地质情况:
1进、出口及沿线的岩层分界、产状、岩性和主要地质构造,围岩的分类及主要物理、力学参数;
2进、出口及沿线的水文地质情况;
3进、出口成洞条件及洞脸边坡的稳定性;
4对不良工程地质问题的预测。
2.0.4开挖后,设计人员应及时掌握隧洞各部位的实际地质情况,及时校核、补充或修改设计。
对可能危及施工和运行安全的不良地质问题应进行专门研究。
2.0.5水工隧洞的围岩分类,岩洞应按GB50287-1999《水利水电工程地质勘察规范》的规定执行,土洞应按SL237-1999《土工试验规程》的规定执行。
2.0.6对高地应力区1、2级水工隧洞的重要洞段,设计人员应在初设阶段掌握地应力测验成果,并做出评价。
施工阶段应根据地应力的现场复核成果,对设计进行校核、补充或修改。
3隧洞布置
3.1洞线选择
3.1.1水工隧洞的线路应根据隧洞的用途,综合考虑地形、地质、水力学、施工、运行、沿线建筑物、枢纽总布置及对周围环境的影响等因素,通过技术经济比较选定。
3.1.2在满足枢纽总布置要求的条件下,洞线应选在线路短、沿线地质构造简单、岩体完整稳定、上覆岩层厚度适中、水文地质条件有利及施工方便的地区。
3.1.3洞线布置宜避免相邻建筑物的不利影响。
当水工隧洞与其他建筑物交叉、穿越或跨越时,应符合本规范3.1.9的规定。
3.1.4洞线布置应根据隧洞区岩层及主要地质构造的分布特性,满足下列要求:
1洞线与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向宜有较大的交角。
对整体块状结构岩体及厚层并胶结紧密、岩石坚硬完整的岩体,交角不宜小于30°
;
对薄层岩体,特别是层间结合疏松的陡倾角薄岩层,交角不宜小于45°
2隧洞所通过地段有较大地质构造(断层及其影响带、裂隙卸荷带、软弱构造、不整合带)时,洞线布置应根据不利构造及其组合对隧洞围岩稳定的影响程度,并考虑施工、运行、工期、投资等各种因素,通过可行方案的技术经济比较后决定;
3选择洞线时应对不同洞段可能出现的局部不稳定岩体进行分析、预测,采取适宜的工程措施,保证所选洞线顺利实施。
3.1.5隧洞沿线遇有断裂构造、不利构造面、软弱带、蚀变带、膨胀岩等时,应充分考虑地下水活动的影响,注意围岩的稳定条件。
洞线宜避开可能造成地表水强补给的冲沟。
3.1.6在高地应力区,水工隧洞的轴线方向宜与最大水平地应力方向有较小交角。
3.1.7水工隧洞垂直和侧向最小覆盖厚度,应根据地质条件、隧洞断面形状及尺寸、施工成洞条件、内水压力、支护(衬砌)型式、围岩渗透特性等因素,按下列要求综合分析决定。
1隧洞(有压、无压)进、出口和无压隧洞洞身,在采取了合理的施工方法和工程措施可保证施工期及运行期安全时,对垂直及侧向最小覆盖厚度不作具体规定;
2有压隧洞洞身的垂直和侧向覆盖厚度(不包括覆盖层),当围岩较完整无不利结构面,采用混凝土或钢筋混凝土衬砌时,可按不小于0.4倍内水压力水头控制;
无衬砌或采用锚喷衬砌时,可按不小于1.0倍内水压力水头控制。
有山谷、边坡影响时,可采用有限元分析或按式(3.1.7)判断:
γrDcosα>KγωH(3.1.7)
式中γω———水的重度,kN/m3;
γr———岩体重度,kN/m3;
D———最小覆盖厚度,m;
H———最大内水压力水头,m;
K———经验系数,K=1.1;
α———坡面倾角,α>45°
时取45°
。
3有压隧洞洞身的垂直及侧向最小覆盖厚度应保证围岩不产生渗透失稳和水力劈裂。
对高水头有压隧洞洞身,在初步设计和技施设计阶段宜通过工程类比和有限元分析,复核垂直及侧向最小覆盖厚度,满足不发生渗透失稳和水力劈裂的要求。
3.1.8相邻两隧洞间的岩体厚度,应根据布置需要、地质条件、围岩承受的内水压力、围岩的应力和变形、隧洞横断面尺寸和形状、施工方法和运行情况(如一洞有水邻洞无水)等因素综合分析决定。
岩体厚度不宜小于2.0倍开挖洞径(或洞宽)。
岩体较好时,经分析岩体厚度可适当减小,但不应小于1.0倍开挖洞径(或洞宽)。
应保证运行期围岩不发生渗透失稳和水力劈裂。
3.1.9经论证必须穿过坝基、坝肩或其他建筑物基础的水工隧洞,与建筑物基础之间的围岩应有足够的厚度,满足建筑物基础和隧洞对应力、应变、稳定和渗透的要求。
不能满足要求时,应采取必要的工程措施,保证施工运行安全。
3.1.10洞线遇有沟谷时,应根据地形、地质、水文及施工条件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。
对跨沟建筑物基础、隧洞的连接部位及洞脸边坡,应加强工程措施。
3.1.11沿河傍山地段的土洞,洞线应向山里侧内移,避免产生偏压,防止水流冲刷山体影响洞身稳定。
3.1.12洞线在平面上宜布置为直线。
如需要设置弯段时,应符合下列要求:
1对于流速小于20m/s的无压隧洞,弯曲半径不宜小于5.0倍洞径(或洞宽),转角不宜大于60°
对于流速小于20m/s的有压隧洞,可适当降低要求,但弯曲半径不应小于3.0倍洞径(或洞宽),转角不宜大于60°
2高流速无压隧洞不应设置曲线段。
高流速有压隧洞设置曲线段时,其弯曲半径和转角宜通过试验确定。
3应在弯段的首尾设置直线段,其长度不宜小于5.0倍洞径(或洞宽)。
3.1.13洞身段设置竖向曲线时,对高流速隧洞(有压或无压),其型式和竖向曲线半径应通过试验确定。
低流速无压隧洞的竖向曲线半径不宜小于5.0倍的洞径(或洞宽)低流速有压隧洞可适当降低要求。
3.1.14水工隧洞设置平面或竖向曲线时,其弯曲半径尚应考虑施工方法和大型施工设备的要求。
3.1.15洞身段的纵坡应根据运用要求、上下游衔接、沿线建筑物的底部高程以及施工和检修条件等综合分析决定。
水工隧洞纵坡应满足不淤流速的要求,沿程纵坡不宜变化过多,不宜设置平坡和反坡。
长输水隧洞(灌溉隧洞和供水隧洞)的纵坡应考虑沿程分水(取水)设施的布置要求。
3.1.16布置在多泥沙河流上的排沙隧洞,其平面和竖向的转弯曲线、转弯角度、纵坡坡度均应通过水工模型试验确定。
3.1.17长隧洞需设置施工支洞时,支洞的数目及长度应根据隧洞沿线地形地质条件、施工方法、对外交通情况,并有利于均衡各段隧洞的工程量及工期的要求分析决定。
地质条件较差时,应研究施工支洞对主洞的影响。
3.1.18布置水工隧洞时应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。
宜使原自然环境较少破坏,较易恢复,环境投资最小。
3.2进、出口布置
3.2.1进、出口布置,应根据枢纽总体布置要求,地形地质条件,使水流顺畅,进流均匀,出流平稳,满足使用功能和运行安全的要求,并应考虑闸门、拦污清淤设备的设置及对外交通。
3.2.2进、出口宜选在地质构造简单、岩体完整、风化覆盖层较浅的地区,避开不良地质构造和容易发生崩塌、冲沟、危崖、滑坡的地区。
3.2.3进、出口布置应充分考虑水工隧洞的布置。
在地形地质条件较复杂地区,应通过技术经济论证,选择最佳布置方案。
3.2.4进、出口洞脸和两侧边坡宜避免高边坡开挖。
无法避免时,应分析开挖后的稳定性,采取相应的加固措施。
3.2.5进、出口应有必要的清坡范围,并采取适当的工程措施,防止覆盖层、坡积物、松动岩块等在风力、地面径流、水位变化等自然因素作用下滚落,影响其正常运行。
3.2.6土洞洞口应选在山坡稳定、土质条件较好处,不宜布置在卸荷带上。
土洞洞口的设计边坡,应视土质和开挖高度通过边坡稳定分析确定。
3.2.7土洞洞口与渡槽、岩洞等建筑物连接处应设永久缝。
在寒冷地区,应结合防冻要求加深洞口基础埋深,基底标高应符合SL211-1998《水工建筑物抗冻设计规范》的规定。
3.2.8有压泄水隧洞的出口洞段体形设计应符合下列要求:
1若隧洞沿程体形无急剧变化,出口段断面面积宜收缩为洞身断面的85%~90%。
若沿程体形变化较大,洞内水流条件差,宜收缩为洞身断面的80%~85%。
收缩方式宜采用洞顶压坡的形式,对重要的隧洞工程宜进行水工模型试验验证;
2出口洞段的底坡宜平缓,侧向扩散宜平顺,应与下游水流良好衔接。
采用突扩或底部跌落的出口时,应经过水工模型试验验证。
当出口邻近主河道(主流)时,宜采用适当的出流导向措施,防止与主流对冲。
3.2.9泄水隧洞的出口,应根据地形地质和水力学条件,运行方式,下游水深和变幅,下游河床的抗冲能力,水流衔接、消能防冲要求以及对相邻建筑物的影响,通过技术经济比较选择适宜的消能防冲措施。
消能防冲措施应遵守下列规定:
1消能防冲建筑物的洪水标准按SL252-2000执行。
2消能防冲建筑物的布置、结构型式、水力学计算及消能防冲要求应符合SL253-2000《溢洪道设计规范》的规定。
防空蚀设计应符合本规范5.2的规定。
3泄洪洞出口宜采用挑流或底流消能,当条件允许时也可采用其他消能方式。
采用挑流消能时,应注意减少泄水产生的雾化、泥化、溅水对其他建筑物的影响。
3.2.10布置泄水隧洞时,应根据可能出现的泄洪运行工况,充分研究泄水隧洞出口的位置、水流流态、冲淤范围和对相邻建筑物的影响,并宜通过技术经济比较和水工模型试验验证确定合理方案。
3.2.11对有压隧洞排水补气、充水排气和无压隧洞水面线以上的通气以及其他需要通气的洞段,应估算通气面积,并留有余地。
通气面积计算方法应按SL74-1995《水利水电工程钢闸门设计规范》规定执行。
3.2.12进水口布置和设计除应符合本规范外,尚应符合行业标准SD303-88《水电站进水口设计规范》的规定。
3.3多用途隧洞的布置
3.3.1选择隧洞布置方案时,应根据隧洞的用途、使用和施工条件,在保证隧洞可靠运行的前提下,研究临时与永久相结合以及一洞多用的合理性。
3.3.2临时与永久相结合的隧洞,应对洞线、纵坡、支护及衬砌型式、进出口高程及位置、运行及检修条件等进行综合比较论证。
3.3.3泄洪与发电共用一条主洞布置时,必须保证各自的运行要求和较好的水力条件,安全宣泄规定的泄洪流量,保证发电隧洞的压力状态及发电时的最小水头,并采取适当的措施,防止机组振动和分岔附近空蚀破坏。
泄洪洞宜布置在主洞上,发电洞宜布置在支洞上。
3.3.4主、支洞的分岔角宜在30°
~60°
范围内选取,在满足布置和结构要求的条件下,应采用较小的分岔角度。
3.3.5泄洪、发电共用一条主洞时,分岔型式宜根据水头、流量以及分流比确定,必要时应进行水工模型试验验证。
分岔后发电洞的长度不宜小于10倍洞径或洞宽(若泄洪时不发电或发电引水系统有稳压设施,则长度可适当减小)。
泄洪洞出口断面面积,如主洞泄洪,不宜大于85%的泄洪洞洞身断面面积;
如支洞泄洪,不宜大于70%的支洞洞身断面面积。
当发电洞设置调压(减压)设施时,其分岔位置、型式、分流比等,都应经过整体水工模型试验验证。
3.3.6永久泄洪洞与导流洞结合时,除采用常规的外部消能外,可结合工程条件进行内部消能(如孔板消能、漩涡消能)或内、外结合消能的方案比选。
采用内部消能或内、外结合消能时,必须经过试验验证。
4隧洞压力状态及洞型尺寸
4.1压力状态选择
4.1.1发电引水隧洞宜采用有压隧洞。
当上游水位变化不大、引用流量比较稳定时,可采用无压隧洞。
发电尾水隧洞宜采用无压隧洞。
在下游水位变化大,或者机组安装高程较低时,可采用有压隧洞。
采用有压尾水隧洞时,应研究是否需要设置尾水调压室。
与调压室连接的有压尾水隧洞,应满足调压室涌浪和稳定运行的要求。
4.1.2有压隧洞严禁出现明满流交替运行的运行方式,在最不利运行条件下,洞顶以上应有不小于2.0m的压力水头。
4.1.3高流速的泄水隧洞,严禁采用明满流交替运行方式。
低流速泄水隧洞,正常情况下按明流方式运行者,可在校核洪水位时出现明满流交替的运行方式。
无压隧洞出口段允许在汛期有短时间的明满流交替运行方式。
4.1.4导流隧洞经论证在设计过流条件下水流流态不致造成洞身破坏时,可采用明满流交替的运行方式。
4.1.5土洞宜采用无压隧洞。
采用有压隧洞时,应根据土体抗力、内水压力、土体的渗流变形等情况,选定适宜的衬砌型式。
4.2横断面形状
4.2.1隧洞的横断面形状应根据隧洞的用途,水力学、工程地质与水文地质、衬砌工作条件以及地应力情况、施工方法等因素,通过技术经济分析确定。
4.2.2有压隧洞宜采用圆形断面。
在围岩稳定性较好,内、外水压力不大时,可采用便于施工的其他断面形状。
无压隧洞地质条件较好时宜采用圆拱直墙式断面,圆拱中心角为90°
~180°
当需要加大拱端推力时,也可选用小于90°
的中心角。
断面的高宽比应根据水力学条件、地质条件选用,宜为1.0~1.5,洞内水位变化较大时宜采用大的比值。
无压隧洞地质条件较差时,可选用圆形或马蹄形断面。
4.2.3高地应力区采用非圆形断面时,断面的高宽比应与地应力条件相适应,若水平地应力大于垂直地应力时,宜采用高度较小而宽度较大的断面;
若垂直地应力大于水平地应力时,宜采用高度较大而宽度较小的断面。
4.2.4对发电与泄洪、导流与发电或导流与泄洪等共用的多用途隧洞,断面形状应经技术经济比较后确定,必要时宜通过水工模型试验验证。
4.2.5较长隧洞可采用多种断面形状和衬砌型式,但不宜过多过密。
不同断面或衬砌型式之间应设置过渡段,过渡段的边界应采用平缓曲线,并便于施工。
有压隧洞过渡段的圆锥角宜采用6°
~10°
,对承受双向水流的过渡段应取小值。
过渡段的长度不应小于1.5倍洞径(或洞宽)。
高流速无压隧洞过渡段的体形应通过试验选定。
4.3横断面尺寸
4.3.1水电站、抽水蓄能电站或泵站输水隧洞(引水及尾水洞)的横断面尺寸,应进行经济断面论证。
4.3.2灌溉隧洞的横断面尺寸,应根据隧洞的进、出口高程和加大流量确定。
4.3.3泄洪隧洞的横断面尺寸,应在各种可能运行条件下均能满足规定的过流能力要求。
并应通过技术经济比较确定。
4.3.4导流隧洞的横断面尺寸,应根据导流流量的要求,结合进口高程、围堰的高度、出口水流衔接以及过木、通航、过冰、施工要求等,通过技术经济比较确定。
4.3.5多用途隧洞的横断面尺寸,除应满足各自的运行要求外,共用部分应通过技术经济比较确定。
4.3.6横断面的最小尺寸除应满足运行要求外,还应符合施工要求。
圆形断面的内径不宜小于1.8m;
非圆形断面的高度不宜小于1.8m,宽度不宜小于1.5m。
采用掘进机、架钻台车、钢模台车等较大型设备施工时,断面尺寸应通过技术经济分析确定。
4.3.7在低流速无压隧洞中,若通气条件良好,在恒定流情况下,洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面面积的15%,且高度不应小于400mm;
在非恒定流条件下,若计算中已考虑了涌波时,上述数值允许适当减小。
对较长的隧洞和不衬砌或锚喷衬砌的隧洞,上述数值可适当增加。
有过木或通航要求的隧洞,弯曲半径和转角,过水断面尺寸和水面线以上的空间应符合有关标准的规定。
4.3.8高流速无压隧洞的横断面尺寸宜通过试验确定,并宜考虑掺气的影响。
在掺气水面线以上的空间,宜为断面面积的15%~25%。
当采用圆拱直墙形断面时,水面线不宜超过直墙范围。
当水流有冲击波时,应将冲击波波峰限制在直墙范围内。
5隧洞水力计算
5.1计算原则
5.1.1水工隧洞水力计算应根据隧洞用途和不同设计阶段在下列项目中选择:
1过流能力;
2上、下游水流衔接;
3水头损失;
4压坡线;
5水面线;
6掺气、充放水方式及其他水力现象。
5.1.2水工隧洞的沿程水头损失和局部水头损失应分别进行计算,并应符合下列规定:
1沿程水头损失计算中的粗糙系数n值,应根据衬砌型式和施工方法及运行后可能的变化,参照已有工程综合分析选用。
2局部水头损失计算中采用的局部阻力系数,可参照水力学资料分析决定,必要时可通过试验确定。
3无压隧洞洞身的过流能力,对长洞按均匀流计算;
对短洞可按非均匀流计算。
5.1.3水工隧洞的过流能力计算应符合下列规定:
1有压隧洞按管流计算。
2无压隧洞,对开敞式进口按堰流情况计算;
对深式进口按管流计算。
5.1.4计算无压隧洞的水面线,首先应判别水面线的类型,在选定控制断面后,可按分段求和法或其他方法计算。
5.1.5对高流速、大流量、水流条件复杂的水工隧洞,应进行整体或局部水工模型试验,验证水力计算和建筑物布置的合理性。
5.2高流速的防空蚀设计
5.2.1高流速的水工隧洞,应根据试验选定各部位的体形,并使选定体形最低压力点(或可疑点)的“初生空化数”小于该处的“水流空化数”,否则必须采取相应的措施。
空蚀可能性的判别方法参见附录A。
5.2.2高流速的水工隧洞应特别重视下列容易发生空蚀的部位:
1有压隧洞的进口、闸门槽、过渡段、分岔段、弯曲段、出口及水流边壁突变的部位。
2无压洞的陡坡泄流曲线段、反弧段、扩散或收缩段、闸墩、门槽及其出口段等部位。
3出口消能部位。
5.2.3对易于发生空蚀的部位,可采用下列防空蚀措施:
1选择合适的体形。
2控制水流边壁表面的局部不平整度,其标准可按附录A采用。
3向水流中掺气。
掺气设施的型式、尺寸和位置,可通过局部模型试验或参照已建工程的原型观测资料决定。
4采用抗蚀材料。
5选用合理的运行方式。
5.2.4对多泥沙河流泄水建筑物的过水部位,应选用抗磨损能力较强的材料。
6隧洞支护与衬砌
6.1一般规定
6.1.1隧洞支护应保持围岩稳定或提供必要的稳定时间。
6.1.2隧洞衬砌应符合下列规定:
1保持围岩稳定;
2满足运行所要求的水力学条件;
3满足防渗要求;
4防止水流冲刷以及温度、湿度、大气等因素对围岩的破坏作用;
5满足环境保护要求。
6.1.3隧洞支护和衬砌设计应充分发挥围岩的自承和承载能力,支护结构宜按围
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- 水工 隧洞 设计规范