1、1结合案例对隧洞设计的一些探讨摘要：本文结合某隧洞工程设计案例对隧洞设计进行了详细和介绍，并重点阐述了有关隧洞的计算和隧洞衬砌的选型原则，希望能够为类似工程提供一些参考。 关键词：水工设计；隧洞设计；水压力计算；隧洞衬砌的选择 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 一、隧洞设计概述 1、隧洞的基本任务 泄水隧洞的进口全部淹没在水下，进口高程接近河床高程，其担负的任务如下： (1) 预泄库水，增大水库的调蓄能力。 (2) 放空水库以便检修。 (3)排放泥沙，减小水库淤积。 (4) 施工导流。 (5) 配合溢洪道渲泄洪水。 2、设计基本数据 (1) 洞壁糙率：泄洪洞采用钢筋砼衬砌，n=
2、0.0140.017，考虑到本隧洞施工质量较好，故取较小值 n=0.014。 (2) 水利计算成果见表 1。 2表 1 二、隧洞的工程布置 1、洞型选择 由于本隧洞地址为石英砂岩，地质条件较好，所以采用圆形有压隧洞，圆形断面的水流条件和受力条件比较好，并且可以充分利用围岩的弹性抗力，从而减小衬砌的工程量，降低施工的难度和造价。同时有压隧洞水流较平顺、稳定，不易产生不利流态。 2、洞线位置 洞轴线布置在右岸，这样出口水流对段村无影响，进口山势较陡，进流条件好，洞线为直线，较短，工程量小又利于泄洪。 3、工程布置 泄洪隧洞由进口段、洞身段、出口段三部分组成。 进口型式 由于进口部位山体岩石条件较好
3、，故采用竖井式进口，在岩体中开挖竖井，将闸门放在竖井底部，在井的顶部布置启闭机及操作室、检修平台，竖井式进口结构简单，不受风浪影响，地震影响也较小，比较安全。 (2) 进口段包括进口喇叭口段、闸室段、通气孔、渐变段等。 1) 进口喇叭口段：为了与孔口的水流型态相适应，使水流平顺，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时尽量减少局部水头损失，提高泄流3能力，在隧洞进口首部，其形状应与孔口锐缘出流流线相吻合，一般顺水流方向做成三向收缩的矩形断面喇叭口形，其收缩曲线为 1/4 椭图曲线，顶面椭圆方程为： ，用下列坐标绘制顶面曲线，见表 2。 表 2 椭圆坐标 侧面曲线方程为：，用下列坐标绘制侧面曲线，见表
4、 3。 表 3 侧面曲线坐标 2) 进口闸室段：闸孔尺寸为 3.53.5m，闸室段长度参照工程经验取 6.0m，在闸门上端设置操作室，后设工作桥与坝面相连，桥面高程为365.81m，与坝顶路面高程一致，在操作室与闸室之间设置检修平台，平台高程在正常高水位 360.52m 以上，取 361.50m。 闸门用 5.04.0m 的平面钢闸门，闸门槽宽度为 1.0m，深度为75cm，由于高速水流通过平面闸门闸孔时，水流在门槽边界突变，容易发生空化水流，致使门槽及附近的边墙或底板发生空蚀。为此，将门槽的下游壁削去尖角，用半径为 R=10cm 的圆弧代替，并做成 1:12 的斜坡，错距采用 8cm。 3)
5、 通气孔:在闸室右部设置通气孔，其作用是在关闭检修门，打开工作门放水时，向孔中充气，使洞中水流顺利排出；检修完毕后，关闭4工作门，向检修闸门和工作闸门之间充水时，排出洞中空气，使洞中充满水。通气孔的断面积一般取泄水孔断面积的 0.5%1%，此泄水孔的断面积为 9.62m2，所以通气孔取 0.250.25m，通气孔的进口必须与闸门启闭机室相分离，以免在充、排气时影响工作人员的安全。 4)渐变段:为使水流平顺过渡，防止产生负压和空蚀，设置渐变段，由于渐变段施工复杂，故不宜太长，但是为使水流过渡平顺，又不能太短，一般用洞身直径的 23 倍，取渐变段长度为 8.0m。 根据本隧洞的任务，其进口高程应设
6、置得低一些，河床的平均高程为 340m，这样既便于施工期导流，降低围墙高程，又可在运用期泄水，力争一洞多用，以求隧洞施工方便，运用安全，造价低廉。 (3) 洞身段:考虑到所选洞线的地形、地质情况，并运用情况，洞线长为 230m，洞身段长 198.5m，为了便于施工时出碴和检修时排除积水，坡降 i=1/500，顺坡。 初拟洞径：按管流公式计算，公式为； 式中 流量系数，=0.740.77 ，这里取 0.74； w出口断面面积(m2)； H0作用于隧洞的有效水头；H0=库水位一出口顶部高程。 分别列表(4)计算设计及校核洪水位时所需的洞径： 表 4 比较以上数据，考虑一定的安全储备，洞径选 3.5
7、m。 (4) 出口段:包括出口渐变段、闸室段。 51) 出口渐变段:有压隧洞的出口都布置有工作闸门，故出口断面也要做成矩形。因此在出口段也须做一渐变段。出口断面积根据工程经验一般为洞身面积的 70%85%，由于在出口水流由压力流突然变为无压流，引起出口附近压力降低，容易在洞顶产生负压，所以出口末端洞顶应设置压坡段，出口断面取为 32.5m，渐变段长度根据工程经验定为8.0m。 2) 出口闸室段:在出口渐变段后设置工作闸门室。本隧洞工作门采用平面钢闸门，尺寸为 3.54.0m，闸室长度参照已建工程经验，定为6.0m，在闸室上部设置操作室。采用矩形收缩形门槽。 (5) 消能工及尾水渠布置:在出口之
8、后设置消能工，使下泄水流消能后再泄入下游河道，从而减小下泄水流对河床的冲刷，由于隧洞出口处地质条件较好，下游河道水位也较低，故采用挑流式消能，消能工后设尾水渠，渠底宽为 15.0m，采用 1/100 的顺坡，断面形式也为梯形，开挖边坡为 1:1.5。 三、水力计算 1、过流能力校核 因下游水位 335.8m，低于隧洞出口高程 341.54m，故隧洞为自由出流。 (1) 校核洪水位时过流能力校核 在校核洪水位时，洞前水深 H=363.62-342=21.6m 1.5D=5.25 m，洞中水流按有压流计算。 有压隧洞自由出流公式为： 6式中：隧洞出面面积 ， =32.5=7.5m2； H0作用在隧
9、洞上的有效水头，因隧洞上游为水库，故行近流速V00，则 H0=363.62-341.54-3=19.08m。 c流量系数，按下式计算， 式中：系数 0.00384 按下列方法求得：2gn2=29.80.0142=0.00384。 首先确定各局部水头损失系数 i。 1) 拦污栅； 2) 进口喇叭口段 2=0.1； 3) 进口闸门槽对于平板闸门，3=0.1； 4) 进口渐变段由矩形变为圆形，参考同类工程 4=0.09； 5) 出口渐变段由圆形变为矩形，参考同类工程 5=0.02； 6) 出口闸门槽同 3， 6=0.1。 列表计算见表 5。 表 5 流量系数 则在设计洪水位时，隧洞泄量为： 7隧洞泄
10、量满足要求 (2) 在校核洪水位时过流能力校核 流量系数 c、过水断面面积保持不变，H0=364.81-341.54-3=20.27m 110m3/s 隧洞泄量满足要求 综上所述，所拟洞径及各部分尺寸可以满足泄流要求。 2、绘制库水位泄量关系曲线(图 1) (1) 有压流状况 保证隧洞为有压流的最小洞前水深为 1.5D=1.53.5=5.25m。则保证隧洞为有压流的最低库水位为： 1.5D+进口洞底高程=5.25+342=347.25m。 有压隧洞的泄量按下式计算（H0H） ， 在库水位 347.25m 以上设一系列库水位，计算相应的洪量 Q，计算成果列于下表(6)。 表 6 图 1 库水位泄
11、量关系曲线 (2) 无压流状态 当洞前水深小于 1.1D（3.85）m 时，洞中水流为无压流，泄量的计算按宽顶堰情况处理，计算公式为：； 8式中：侧收缩系数，按公式； m流量系数，其数值在 0.320.385 之间，对八字形进口 m=0.35，此处也近似取 m=0.35； B堰宽(m)，B=3.5； H0洞前水头(m)，H0H； 泄量 计算对应的泄量列于下表 7。 表 7 四、隧洞的衬坝设计 1、衬砌的类型选择 由于本隧洞内水压力较大，故采用双筋砼衬砌。 材料的物理力学指标如下： 级钢筋： C20 砼： 岩石： 按级建筑物查规范，在正常情况下，安全系数为 1.8；检修情况下安全系数为 1.6。
12、 2、计算断面的选择 在实际工程中，为了达到经济、安全的目的，在不同段，一般采用不同的衬砌形式，且用分缝相结合，故在不同段要分别取断面进行衬砌9计算，本次设计只取洞身进口断面进行计算，其它断面的衬砌按已建工程拟定。 3、拟定衬砌厚度 采用式（4-10）,式中：;h=2.2MPa； h砼允许拉应力(MPa)； P均匀内水压力(kPa)； H高出衬砌内壁顶点的内水压力水头(m)；从绘制的水头线查得 P= A弹性特征系数，按下式计算。 =0.927 按构造要求，衬砌厚度一般不小于 30cm，所以只能按构造要求取衬砌厚度 h=30cm，则衬砌外半径 205cm，平均半径 r=190cm。 4、计算各种
13、荷载产生的内力 (1) 山岩压力： 岩石的坚固性系数 f=72，可不计水平山岩压力，只计算垂直山岩压力。 1) 不考虑外水压力时：岩石重度 25KN/m3。 岩石压力拱高 h 为：； 重直山岩压力强度 q 为：q=h=250.29=7.25KN/m； 由山岩压力产生的 M 和 N 采用公式（4-14）：M 10=28.2(0.921A+B+26.43C)，N=14.9(0.921D+E+26.43F) 系数 A、B、C、D、E、F 由表查得，M、N 计算结果如下表 8。 表 8 2) 考虑外水压力，岩石重度=16KN/m3。 垂直山岩压力强度 q=h=4.64KN/m 计算公式与上同，其它量不变，则 M =18.07(0.921A+B+26.43C)，N =9.512(0.921A+B+26.43C) M、N 计算结果如表 9。 表 9 (2) 衬砌自重产生的弯矩和轴向力采用式 4-15，得M=22.2(A1+13.76B1)，N=11.69(C1+13.76D1) 系数 A1、B1、C1、D1 由表查得，M、N 计算结果如下表 10。 表 10 (3)内水压力产生的弯矩和轴向力 1) 均匀内水压力： 已知洞轴线的内水压力水头 H=12.8m，隧洞半径 i=1.75m 则均匀内
