馬邊芭蕉溪水電站引水隧洞及渠道設(shè)計

1、馬邊芭蕉溪水電站引水隧洞及渠道設(shè)計信息與工程技術(shù)學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè) 鄧招貴（指導(dǎo)教師：張順芳 工程師）摘 要 本文是無壓引水式水電站引水隧洞及渠道的設(shè)計報告，主要包括斷面設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分。主要任務(wù)是根據(jù)已定的流量來選定隧洞和渠道的斷面尺寸、糙率、縱坡、水深。設(shè)計按照一定的程序，根據(jù)相關(guān)的地形、地貌、地質(zhì)、水文等原始資料和大量的設(shè)計規(guī)范，運用工程類比法、方案比較法和試算法，在同時滿足防沖、防淤及施工、技術(shù)方面要求的基礎(chǔ)上，以明渠恒定流理論作為隧洞、渠道水力設(shè)計的基本依據(jù)，擬定幾個可能的方案，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，選定經(jīng)濟、安全、美觀，便于施工的最優(yōu)設(shè)計方案。最終確定隧洞的斷面為圓拱直墻式，

2、拱頂中心角為120o，渠道為矩形斷面，均采用底坡1/500，糙率0.017，底寬1.4m的矩形過水?dāng)嗝?。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從安全、經(jīng)濟以及便于施工的角度出發(fā)，采用漿砌塊石找平,混凝土抹面，取得很好效果。關(guān)鍵詞 糙率；水力半徑；水頭損失The Design of Diversion Tunneland Channel of MaBian Power StationAbstract This article is about the design of diversion tunnel and channel of diversion type hydropower station. It inclu

3、des two major parts of the section design and structural design mainly. Design according to certain procedure，according to such firsthand information as relevant topography, landform , geology , hydrology ,etc. and a large number of design specifications, use the analogy law of the project , scheme

4、comparative law and try algorithms, on the basis of meeting to defending washing, defending the silt, specification requirement。Via more technical more economic comparison, choose optimum design scheme eventually, the section of tunnel is round arch straight wall type, vault central angle is 120, th

5、e cross section of channel is rectangle. The cross section of flow of them is rectangle. Its base slope is 1 / 500, roughness coefficient is 0.017 and the base width is 1.4 m. In structural design, from safety and economy as well as construction easily, make level with the block stone of thick liqui

6、d, concretes wipe surface, get very good effect.Key words Roughness coefficient；Hydraulic radius；Head loss 馬邊芭蕉溪水電站是集發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖為一體的綜合性水利樞紐，為?。ǎ┬偷裙こ?，永久與臨時性建筑物等級均為5級，主要包括首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三大部分。本設(shè)計是引水系統(tǒng)中的隧洞與渠道部分，即隧0+000.000隧0+898.910和渠0+000.000渠1+135.059兩部分的斷面設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，全長2033.969米，要求設(shè)計流量為3.0m3/s,隧洞進水口高程為1826.7

7、00米，且必須滿足設(shè)計規(guī)范，便于施工，再考慮經(jīng)濟最優(yōu)。本設(shè)計運用方案比較法、工程類比法、試算法，很好地完成了設(shè)計任務(wù)。1設(shè)計方案與評價本設(shè)計分為兩大步驟：一、斷面設(shè)計；二、結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1斷面設(shè)計（水力計算）1.1.1計算公式的選定本設(shè)計中隧洞與渠道的總長達2000多米，可以把水流作為均勻流分析，則水力坡度J等于道底坡i, 那么謝才公式:或 （1）可以寫為: 或 （2）,采用曼寧公式: （3）把（3）代入（2）中得到： (4) 式中 Q流量，m3/s；R水力半徑，m；n糙率，按規(guī)范選??；A過水面積，A=b×h, m2；i隧洞或渠道底坡根據(jù)要求，Q=3.0m3/s，n為糙率，是衡量隧洞渠

8、道壁面粗糙情況的綜合性系數(shù)。n越大，相應(yīng)的水流阻力越大，在斷面相同的情況下，通過的流量越小。但是，如果施工質(zhì)量達不到設(shè)計的要求，將嚴重影響工程效益，造成嚴重經(jīng)濟損失。所以，根據(jù)水力學(xué)，考慮到是民工隊伍施工，所達到的質(zhì)量不高，采用混凝土襯砌，以保證糙率要求。因為流量小，相應(yīng)的水力半徑較大，糙率較大。所以雖然是混凝土抹面，但仍取用較差情況n=0.017，這樣可以合理地保證流量。i為底坡，以勻速恒定流計算，由于是動力渠道,根據(jù)小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范(試行)GBJ71-84，無壓隧洞的底坡i=1/5001/1000；b為底寬，一般情況下應(yīng)滿足施工要求大于或等于1.3m。則公式（4）中，流量Q,底寬b,

9、糙率n以及底坡i,均為已知，僅h未知,但（4）式為h的高次隱函數(shù)，難直接求解，則采用試算法并結(jié)合電子表格的強大計算功能，來解決這個問題。1.1.2計算確定斷面尺寸1.1.2.1選定底坡i的取值根據(jù)小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范（試行）GBJ7184，無壓引水隧洞底坡可選用12的單一底坡。根據(jù)大量的計算比較，流量Q=3.0m3/s時，取同一底坡，底寬為1.4m，S總的值最小。那么，取底寬1.4米，對不同底坡的情況進行比較，選取合適的i值。由工程類比法，i的取值如下表：表1 底坡i的選取ih(m)A(m2)H(m)S總(m2)S凈(m2)Q(m3/s)X凈空比H總(m)1/5001.3601.9052 0

10、.4252.9015 0.4363 3.0015%4.2485 1/7501.6092.2528 0.4683.3095 0.4967 3.0015% 2.8342 1/10001.8152.5409 0.5053.64920.5483 3.00 15%2.1356 注：1、 上表計算時糙率n=0.017，底寬b=1.4m 2、 凈空比為15%，在水工隧洞設(shè)計規(guī)范中為最經(jīng)濟情況 3、 h總為總的水頭損失，包括局部水頭損失和沿程水頭損失顯然，滿足Q的情況下，i越小，斷面積S的計算值越大。由于隧洞和渠道合計達2000多米長，使開挖方量大大增加，同時相應(yīng)的水力損失卻減小不多， 1.3m以內(nèi)的水頭不影

11、響裝機容量，選取i=1/500，減少開挖面積，也更加經(jīng)濟、美觀。1.1.2.2選取滿足Q的b、h當(dāng)流量Q確定后，i，n的值也確定，取一系列的b以確定對應(yīng)h的系列，見下表：表 2 選擇一系列滿足Q的b、hinb(m)H0(m)A(m2)R(m)Q(m3/s)0.002 0.017 1.3001.4881.934 0.452 3.00 0.002 0.017 1.350 1.4211.918 0.458 3.00 0.002 0.017 1.4001.3611.905 0.462 3.00 0.002 0.017 1.450 1.3071.895 0.466 3.00 0.002 0.017 1.

12、5001.2571.886 0.470 3.00 0.002 0.017 1.5501.2121.878 0.473 3.00 0.002 0.017 1.600 1.1701.872 0.475 3.00 0.002 0.017 1.650 1.1311.867 0.477 3.00 0.002 0.017 1.700 1.0961.863 0.479 3.00 0.002 0.017 1.9270.9631.856 0.482 3.00 注：上表的h由根據(jù)公式（4）反算得到則由表格知，共選得10組數(shù)據(jù)滿足流量Q=3.0m3/s，最后一組為水力最佳斷面的情況。1.1.2.3圓心角的確定在同一

13、底寬時，中心角的確定根據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范SD134-84的要求，為無壓隧洞時，地質(zhì)條件較好的情況下，用圓拱直墻式斷面，圓拱中心角9001800，當(dāng)需要加大拱端推力時才選用小于900的中心角， 根據(jù)工程類比法，主要選用的中心角為900、1200、1800。（如圖所示）圖1 不同頂角斷面由上圖隧洞總的斷面積S的計算如下： （5） 式中：頂拱中心角； b: 底寬，m根據(jù)圖示和計算可以明顯的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)頂拱中心角越小時，開挖斷面的總面積最小，但為了便于施工放線，選擇中心角為1200選擇最經(jīng)濟斷面的b、h在滿足以下幾條的情況下，選擇最小斷面積：根據(jù)設(shè)計要求，流量Q=3.00m3/s；根據(jù)小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)

14、范（試行）GBJ71-84的要求，安全超高h0.4m；根據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范SD134-84，凈空比介于15%25%，接近小值時為最佳，凈空高（在本設(shè)計中是總高減去正常高水深與安全超高兩項的最后結(jié)果）e0.4m；根據(jù)水電站及泵站，流速要求滿足1.52.0 m/s的經(jīng)濟流速。表3 b、h的比較與選擇b(m)h(m)e(m) h(m)S總(m2)S凈(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%1.55

15、0 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

16、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為凈空高，X為凈空比 2、上表的計算是建立在底坡為1/500，糙率為0.017基礎(chǔ)之上的經(jīng)圖表比較后，根據(jù)總的開挖面積最小，確定隧洞斷面為1.4m×1.36m的矩形過水?dāng)嗝?，正常高水深?.36m,流速為1.572m/s。由于渠道的水力計算和隧洞相同，為了更好地銜接，使水利條件更好，且方便施工，選取和隧洞一樣的過水?dāng)嗝妗Ｋ?/p>

17、力損失的計算（局部水頭損失和沿程水頭損失）（1）局部水頭損失hj 根據(jù)選線資料,取轉(zhuǎn)彎半徑滿足大于或等于底寬 b的5倍,再根據(jù)公式： (6)其中： 局部水頭損失系數(shù)；： 彎道中心角；R ：水力半徑， m結(jié)合現(xiàn)在有的設(shè)計資料，列表求局部水頭損失表4 局部水頭損失的計算隧洞渠 道11009307708201100980970780790860660R(m)5b6b6b6b5b7b5b6b7b6b7b0.1450.1330.1210.1250.1450.1370.1370.1220.1230.1280.112Hj(m)0.0180.0170.0150.0160.0180.0170.0170

18、.0150.0150.0160.014H總0.0350.145 注：在隧洞中b為隧洞的總高度，在渠道中b為渠道的正常過水寬度在渠道設(shè)計中，為了抵消局部水頭損失，在每間隔3個轉(zhuǎn)彎后設(shè)跌坎，抵消因為前3個轉(zhuǎn)彎形成的水頭損失。（2）沿程水頭損失 (7)其中 ：沿程水頭損失系數(shù)，C：謝才系數(shù)，根據(jù)總的水頭損失：那么可以計算出隧洞和渠道各自的水頭損失，見下表：表5 水頭損失的計算結(jié)果L(m)V2/2ghf(m)hj(m)h總(m)隧洞898.9100.1261.7980.0351.833渠道1135.0590.1262.2700.1452.4151.1.3隧洞與渠道底坡的校核 （渠道的局部水頭由跌坎抵消

19、） 顯然，計算出的底坡和最初擬定的底坡相當(dāng)接近，認為相同。由于隧洞的局部水頭損失較小，所以隧洞底板高程的推算由擬定的i=1/500和進水口底板高程控制；渠道的局部水頭損失較大，在轉(zhuǎn)彎后設(shè)置跌坎抵消局部水頭損失。那么，可以根據(jù)以上的計算來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計1.2.1確定最終尺寸根據(jù)試算及驗證，最終確定隧洞底寬1.4m，直墻高1.79m，凈高2.185，選用120度圓心角拱。渠道隧洞底寬1.4m，高1.79m，二者的底坡i均為1/500。隧洞進口高程1826.7m，那么：×898.91=1824.902 m×1135.059=1822.487 m 1.2.2襯砌的類型

20、根據(jù)原始資料，隧洞穿過地層圍巖為泥盆系下統(tǒng)巨厚層狀白云巖及泥質(zhì)灰?guī)r，巖石致密堅硬，風(fēng)化微弱，采取襯砌主要是為了承受巖石壓力，內(nèi)水壓力，防止漏水，減小糙率，防止巖石風(fēng)化，為了盡量減少滲漏損失，為了保證過水安全，應(yīng)該選擇耐久,防滲性好的材料，根據(jù)開挖后巖體的具體情況，分別對不同的地段分別采取組合式襯砌和混凝土襯砌。組合式襯砌的內(nèi)層為30cm 厚M10砂漿漿砌塊石、外層襯砌細石混凝土20cm厚。根據(jù)水利工程施工，若巖層較破碎，宜采用噴錨支護，錨桿長度2m（洞徑較?。?，每個斷面至少35根，視巖層深度取16螺紋鋼筋。根據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范（試行）SD134-84，圍巖分為以下五種情況：表6 圍巖形式及分類

21、類圍巖整體結(jié)構(gòu)或大塊狀結(jié)構(gòu)的堅硬巖體新鮮或微風(fēng)化，延伸短,多閉合,無或偶有單薄軟弱結(jié)構(gòu)面，無夾泥充填，層狀巖為巨厚層，層間結(jié)合良好，結(jié)構(gòu)面起伏粗糙咬合，結(jié)構(gòu)面無不穩(wěn)定組合。洞壁干燥或潮濕或有微弱滲水，不影響圍巖自身穩(wěn)定類圍巖塊狀結(jié)構(gòu)的堅硬巖體,新鮮或微風(fēng)化,受地質(zhì)構(gòu)造影響一般,節(jié)理裂隙較發(fā)育，但連續(xù)性不強，裂隙微張或局部張開稍有夾泥充填，結(jié)構(gòu)面粗糙,結(jié)構(gòu)面組合基本穩(wěn)定或局部有人字形或梯形不穩(wěn)定組合，地下水活動微弱,除軟弱帶外,一般不影響圍巖穩(wěn)定類圍巖碎裂結(jié)構(gòu)或鑲嵌結(jié)構(gòu)堅硬巖體呈微風(fēng)化或弱風(fēng)化，多張開或局部張開，有夾泥充填連續(xù)性差軟弱，結(jié)構(gòu)面多，塊狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的中硬巖呈微風(fēng)化或弱風(fēng)，地下水活

22、動顯著有大量滴水，線狀流水或噴水，對軟弱巖體穩(wěn)定影響嚴重類圍巖碎裂狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝钏榱呀Y(jié)構(gòu)的破碎硬巖體或中硬巖體，呈強風(fēng)化,受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，地下水活動強烈,并有一定滲透壓力,有小量涌水，嚴重影響巖體強度和抗沖刷能力類圍巖散體結(jié)構(gòu)：1、圍巖呈現(xiàn)全風(fēng)化,受地質(zhì)構(gòu)造影響很嚴重，節(jié)理裂隙密集有較厚泥質(zhì)充填,有含泥碎裂結(jié)構(gòu)； 2、非粘性的松散土層、砂卵、礫石、碎石等，地下水活動劇烈,滲透壓力較大,巖體沒有抗沖刷能力當(dāng)為類圍巖時，地質(zhì)條件非常好，可以不作處理；當(dāng)為類圍巖時，采用35cm厚噴混凝土；類圍巖采用噴混，要求厚度大于5cm；對于類圍巖，則采用57cm厚的噴混凝土，加錨桿支護；類圍巖要求加鋼筋網(wǎng)，鋼

23、筋選用6，網(wǎng)格25cm×25cm,與錨桿外露部分連結(jié)牢靠。渠道和隧洞都采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，設(shè)置分縫，根據(jù)渠道防滲工程設(shè)計規(guī)范SL18-91，橫縫間距15m，縫的寬度23cm，縫中設(shè)置止水，可設(shè)塑料止水帶或橡膠止水帶，施工縫和沉降縫二縫合一。1.2.3灌漿（回填灌漿）為了使襯砌與巖石緊密貼合，使巖石承受一部分內(nèi)水壓力并保證巖石壓力均勻傳遞于襯砌上，在頂拱處進行回填灌漿。布置灌漿孔如下：同一斷面內(nèi)，在洞頂和偏離洞頂中心45度處，設(shè)3個灌漿孔，排距5m，灌漿壓力0.3MPa。灌漿孔直徑是50mm.為了防止砂漿堵塞，應(yīng)該深入巖石至少10cm。并且與排水孔交錯布置。（如右圖所示） 圖2 隧洞灌

24、漿孔1.2.4排水防滲對于渠道，由于已經(jīng)進行襯砌，可以不作其他防滲處理。但是，對于隧洞卻不行，因為外水壓力對城門洞型無壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響很大，為使減少外水壓力，在隧洞底，設(shè)直徑為100mm的縱向排水盲溝。徑向設(shè)直徑為50mm的排水孔，每排相距4m，深入巖石2m。（如左圖所示）圖3 隧洞排水孔2設(shè)計方法在設(shè)計方法上，本文主要運用設(shè)計中常用的工程類比法和試算法，結(jié)合大量的已建工程的成功之處，來選定一系列滿足流量的底寬b和其對應(yīng)的高度h的值。運用方案比較法，在底坡i的選取和底寬b、直墻高h的擬定過程中，運用多組對比。在總的開挖面積的比較，水頭損失的比較上進行綜合分析，選擇最經(jīng)濟的斷面作為最終的設(shè)

25、計斷面。設(shè)計優(yōu)越之處在于與電子表格很好地結(jié)合，避免了非常煩瑣的重復(fù)計算，較容易地試算出最經(jīng)濟斷面，這是電腦在工程設(shè)計中的又一運用。本文嚴格按照規(guī)定的設(shè)計步驟，根據(jù)實際的地質(zhì)情況進行設(shè)計，非常圓滿地完成了設(shè)計任務(wù)。3設(shè)計成果根據(jù)以上的設(shè)計要求，設(shè)計成果如下表所示表7 設(shè) 計 成 果b(m)h(m)S總(m2)首尾不同圍巖的斷面形式樁號高程(m)樁號高程(m)隧洞1.42.192.900+000.0001826.7000+898.9101824.902隧一隧一隧二隧二隧二渠道1.41.762.390+000.0001824.9021+135.0591822.487渠二渠二渠一渠一渠一 注：1表中隧

26、一、隧二分別表示隧洞不同的斷面形式（見成果圖） 2表中渠一、渠二分別表示渠道不同的斷面形式（見成果圖）綜上所述，以上表中的成果是在大量的工程比較，試算，并且經(jīng)過反復(fù)驗證之后形成的。在這個過程中，主要以減少成本為主線，結(jié)合方便施工考慮，所以無論是在投資還是在縮短建設(shè)工期上都有比較好的效果。設(shè)計的引水渠道為非自動調(diào)節(jié)渠道，渠頂大致平行于渠底，渠道深度沿途不變，當(dāng)引用流量為設(shè)計流量時，水流處于均勻流，渠內(nèi)水深為正常水深，壓力前池水位低于堰頂。這樣的渠道適應(yīng)地形變化，有轉(zhuǎn)彎和陡坡的時候，工程量比較小。4問題討論在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)一些問題，提出來大家討論4.1渠道或隧洞超高是考慮運行中不可預(yù)見的因素為工程安全提供儲備的綜合措施。根據(jù)工程經(jīng)驗，超高主要是受幾點影響：（1）風(fēng)引起水面波動，