【導(dǎo)讀】本次設(shè)計(jì)基于扎窩水電站前期勘察資料完成全部設(shè)計(jì)內(nèi)容。襯砌形式選擇、襯砌配筋計(jì)算以及細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)等。同時(shí)，對(duì)進(jìn)水口、調(diào)壓室及。壓力鋼管等結(jié)構(gòu)也有少量涉及。在設(shè)計(jì)中，難點(diǎn)是襯砌設(shè)計(jì)，因?yàn)樾韪鶕?jù)不同的。核，以檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。另外，隨著我國(guó)水利工程建設(shè)的步伐日益加快，現(xiàn)在越來(lái)越多的投資者青睞。地下電站，因此引水隧洞也得到了迅猛的發(fā)展，

　　

【正文】 2 3 7 2 2 0 . 5 7 8 2 1 . 6 5 9 2wpp h h mgg??? ? ? ? ? ? ? ? ? 故滿足最小 2m 厚度。 同理： 21 22 2 . 2 7 2 1 . 6 5 9 1 . 6 2 2 . 3 2 9 2wpph h mgg??? ? ? ? ? ? ? ? ? 3233 2 . 2 7 2 2 . 3 2 9 1 . 6 2 3 2wpph h mgg??? ? ? ? ? ? ? ? ? 4344 3 . 6 5 2 3 2 . 5 5 2 4 . 1 2wpph h mgg??? ? ? ? ? ? ? ? ? 5445 2 . 6 2 4 . 1 1 . 8 3 2 4 . 8 7 2wpph h mgg??? ? ? ? ? ? ? ? ? 5566 0 . 2 2 4 . 8 7 0 . 4 2 4 . 6 7 2wpph h mgg??? ? ? ? ? ? ? ? ? 通過(guò)以上計(jì)算，整個(gè)引水隧洞沿程均滿足壓力余幅大于 2m 的要求，甚至大于 10m 的要求，完全滿足工程需要 。 圖 51 水頭線示意圖 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 34 6 調(diào)壓室的設(shè)置 調(diào)壓室設(shè)置的目的是為了改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件及供電質(zhì)量以及減小水錘壓力的有效方法之一，但是是否設(shè)置調(diào)壓室需要通過(guò)壓力管道的慣性時(shí)間常數(shù) wT 值來(lái)判斷設(shè)置上游調(diào)壓室，其公式為 ? ?/w i i P wT L v gH T??? （ 61） 式中 iL —— 壓力引水道各段長(zhǎng)度，包括蝸殼以及尾水管； iv —— 上述各段對(duì)應(yīng)的流速； g —— 重力加速度； pH —— 水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭 ??wT —— 慣性時(shí)間常數(shù)的允許值，一般采取 2~4s。 代入相應(yīng)數(shù)據(jù)可得： 1 0 1 9 8 3 .3 5 1 7 2 5 .2 3 / 9 8 1 4 4 .8 8 4wTs? ? ? ? ? ? 因此需要設(shè)置 上游調(diào)壓室。由于尾水管長(zhǎng)度并不長(zhǎng)，且安裝高程較高，故不設(shè)置下游調(diào)壓室。 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面的設(shè)計(jì) 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面一般采用托馬穩(wěn)定斷面并乘以系數(shù) K確定，具體公式如下： ? ?100122thw w nLAA K Ag H h hg??? ??? ? ????? （ 62） thA —— 托馬穩(wěn)定斷面面積， m2； L —— 壓力引水道長(zhǎng)度， m； 1A —— 壓力引水道斷面面積， m2； ? —— 自水庫(kù)至調(diào)壓室的水頭損失系數(shù)， 0 2wh v?? （包括局部水頭損失和沿程水頭損失）。 v —— 壓力引水道流速 m/s； 0wh —— 壓力引水道損失， m； wnh —— 壓力管道水頭損失， m； K —— 系數(shù)，一般可以采用 ~； 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 35 代入數(shù)據(jù)得： ? ?210198 2 81 Am ?? ? ? ? ???? ? ? ??? ??? 則對(duì)應(yīng)的調(diào)壓室直徑為 ，選擇 ，阻抗孔的尺寸一般采取壓力引水道尺寸的 15％ ~50％，因此采取直徑為 4m的阻抗孔。 最高涌波水位的計(jì)算及調(diào)壓室頂部高程的確定 通過(guò)阻抗孔口的水頭損失 hc值，可通過(guò)公式 212co Qh gS???? ????，近似計(jì)算得出，式中 ? 為阻抗孔流量系數(shù)可由試驗(yàn)得出，初步計(jì)算時(shí)可在 ～ 之間選用，S為阻抗孔斷面面積。 當(dāng) 39。 1coh? ? 時(shí)按照下式計(jì)算： ? ?? ? ? ?39。39。39。39。001 l n 1l n 1 1M ax M axcwZZhh??????? ? ???? ? ? ? （ 63） ? ?39。 0 2102 w cogA h hLA v? ?? （ 64） 當(dāng) 39。 1coh? ? 時(shí)按照下式計(jì)算： ? ? ? ?? ?? ?39。39。 m a x39。 001 Z ln 11 ln 1m axwcZhh???? ? ?? ? ? ? （ 65） 同時(shí)也可以根據(jù)下面的阻抗調(diào)壓室瞬時(shí)丟棄全負(fù)荷時(shí)最高涌波計(jì)算圖來(lái)計(jì)算調(diào)壓室的最高涌波水位： 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 36 圖 61 阻抗式調(diào)壓室丟棄負(fù)荷時(shí)最高涌波計(jì)算圖 *Z —— 壓力水道系統(tǒng)的摩阻為零丟棄全 負(fù)荷時(shí)的自由振幅 ,按照下式計(jì)算： 0*1Q LAZ A gA? （ 66） Zmax—— 丟棄全負(fù)荷時(shí)的最高涌波； 其他符號(hào)意義同前。 圖中 R區(qū)為阻抗孔下部的瞬時(shí)上升壓力超過(guò)最高涌波水位壓力的區(qū)域，表示阻抗孔尺寸過(guò)??； M區(qū)為阻抗孔下部瞬時(shí)上升壓力低于最高涌波水位壓力的區(qū)域，表示阻抗孔尺寸偏大； SS′線為兩者的分界線，阻抗孔尺寸最合適。用此圖亦可估算阻抗孔尺寸。 代入公式計(jì)算得： * 2 1 3 1 0 1 9 8 8 7 8 .4 2 9 .4 78 7 8 .4 9 .8 6 3 .5 9Z ????； 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 37 則有： 0*/ 3 / 7 ?? 0*/ / 7 ?? 查表可知 : *Z / Z ? 所以 Z ax ? ? ? 最高涌波水位 Z 18 73 .00 8 27 .38 18 94 .00 m? ? ? ? 由于調(diào)壓室需要檢修，因此我們?cè)O(shè)置調(diào)壓室檢修平臺(tái)，還需要 1~2m 的高度，因此，檢修平臺(tái)的高度定位 ，調(diào)壓室內(nèi)部還設(shè)置有閘門，因此，閘門啟閉機(jī)還需要安裝平臺(tái)以及安裝高程，參考類似工程，綜合調(diào)壓室交通洞，我們將啟閉平臺(tái)定 為 ，再加上交通洞的高度，以及頂部的安全超高，我們將調(diào)壓室的頂部高程確定為 。 增加負(fù)荷時(shí)的最低涌波計(jì)算 當(dāng)阻抗孔尺寸滿足 下圖所示 SS 時(shí) ： (即最合適的尺寸 )時(shí)，可按下式近似地計(jì)算最低涌波值： ? ?m i n 0 . 1 39。1 0 . 5 0 . 2 7 5 39。 0 . 9 1 39。 1 0 . 6 5wZmmmh ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?（ 615） 式中符號(hào)意義同前。 圖 62為阻抗調(diào)壓室突然增加負(fù)荷時(shí) (負(fù)荷由零突增至 100%)的最低涌波計(jì)算圖。當(dāng)負(fù)荷由 50%增至 100%時(shí)的最低涌波亦可用差動(dòng)式調(diào)壓室 （圖 63） 增荷計(jì)算圖。 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 38 圖 62 阻抗式調(diào)壓室最低涌 波計(jì)算圖 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 39 圖 63 差動(dòng)式調(diào)壓室最低涌波水位計(jì)算圖 0*/ 3 / 7 ?? 0*/ / 7 查表可知： min *Z / ? 則有： m i nZ 8? ? ? 因此，最低涌波水位 Z 18 71 .0 0 16 .2 08 5 18 54 .7 9 m? ? ? 由于最低水位以下還需要 23m 的安全水深，保證調(diào)壓室在運(yùn)行的時(shí)候不會(huì)將空氣帶入壓力管道。因此，我們根據(jù)反復(fù)的調(diào)整與優(yōu)化，最終將調(diào)壓室的底板定在 的高程，調(diào)壓室底板的厚度確定為 2m，通過(guò)以上數(shù)據(jù)，再減去壓力隧洞的直徑，便可以得到壓力隧洞出口高程，即 ，此時(shí)，我們的 水西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 40 力坡降 1 8 4 9 1 8 3 8 0 . 0 0 1 0 8 110198i ?? ? ? ‰，經(jīng)水力計(jì)算，能夠滿足過(guò)流能力要求。 由此，我們便可以確定調(diào)壓室的基本尺寸，底板高程 ，頂部高程，面積為 ，但是由于調(diào)壓實(shí)處地質(zhì)情況不是很好，主要是Ⅲ 1類圍巖，難以形成 33米 直徑的圓頂，因此我們將圓形的調(diào)壓室設(shè)置成 ?9m矩形的調(diào)壓室，其高程不變，故調(diào)壓室的最終斷面面積為 。 圖 64 涌波水位示意圖 圖 65 調(diào)壓室平面布置圖 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 41 7 壓力隧洞的襯 砌計(jì)算 為了保證壓力管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低糙率，我們必須對(duì)開挖的水工隧洞進(jìn)行襯砌，我們襯砌主要根據(jù)地質(zhì)情況以及不同的荷載組合進(jìn)行。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，主要有三種不同類別的圍巖，他們分別是Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，所處圍巖以板巖夾千枚巖為主，部分中厚層狀層紋理發(fā)育的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，薄 — 中厚層灰?guī)r，地質(zhì)部門初步推測(cè)，Ⅲ類圍巖約占 70%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占 30% 。 隧洞襯砌按限裂設(shè)計(jì)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。裂縫寬度控制在 以內(nèi)，計(jì)算方法采用隧洞規(guī)范推薦的公式法和邊值法，計(jì)算工況考慮： a、運(yùn)行工 況、計(jì)入荷載有內(nèi)水壓力、結(jié)構(gòu)自重、山巖壓力。 b、檢修工況，結(jié)構(gòu)自重、山巖壓力。 三類圍巖的襯砌 襯砌厚度的計(jì)算 由于本工程引水隧洞的內(nèi)徑已達(dá)到 9m，尺寸比較大，因此直接采用鋼筋混凝土襯砌，同時(shí)，在水頭損失相近的情況下，采用噴錨支護(hù)的襯砌方式時(shí)，洞的內(nèi)徑達(dá)到 ，因此，參考同類工程，我們采用 C25混凝土，二級(jí)鋼筋襯砌。三類圍巖襯砌的基本資料見表 71： 表 71 襯砌基本資料 名稱 符號(hào) 常用單位 值 值 單位 直徑 D m 9 900 cm 洞軸線壓力水頭 H m 35 35 cm 半徑 rb m 450 cm 地下水位線 Hw m 0 0 cm 巖石抗壓強(qiáng)度 Ro Mpa 70 700 kg/cm2 巖石堅(jiān)固系數(shù) fk 5 5 巖石容重 ro g/cm3 g/cm3 巖石彈性模量 Eo Gpa 7 70000 kg/cm2 巖石泊桑比 μ o 巖石單位抗力系 Ko Mpa 40 400 kg/cm2 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 42 數(shù) 巖石抗力系數(shù) K 砼標(biāo)號(hào) C 25 砼彈性模量 Eσ Mpa 28000 280000 kg/cm2 砼泊桑比 μσ 砼中心受拉強(qiáng)度 Rp Mpa 2 25 kg/cm2 砼彎曲受壓強(qiáng)度 Ru Mpa 22 220 kg/cm2 砼中心受壓強(qiáng)度 Rnp Mpa 175 kg/cm2 砼容重 rσ 24 鋼筋級(jí)別 Ⅱ 鋼筋屈服強(qiáng)度 σ t Mpa 250 2500 kg/cm2 鋼筋彈性模量 Ea Mpa 210000 2100000 kg/cm2 建筑等級(jí) 三級(jí) 安全系數(shù) K39。 拉應(yīng)力系數(shù) Kt 砼允許拉應(yīng)力 (σσ ) Mpa 那么則有巖石和混凝土的彈性特征因數(shù)： ? ?? ?? ?000 .0 1 10 .0 1 1 1 2KA K??? ? ????? ? ?? ? ? ? ? （ 711） 代入數(shù)據(jù)可得： ? ?? ? ? ?0 . 0 1 2 1 0 0 0 0 0 1 0 . 1 6 7 4 0 0 0 . 7 50 . 0 1 2 1 0 0 0 0 0 1 0 . 1 6 7 1 2 0 . 1 6 7 4 0 0A ? ? ? ???? ? ? ? ? ? 注意：襯砌計(jì)算均采用 kg/cm2 和 kg/cm3 為單位 則有襯砌厚度： 1ghbghprAp??????? ?????? ? ??? ????? （ 712） 式中 br —— 為水工隧洞過(guò)流 半徑，為 =450cm。 根據(jù)水頭，我們可以得到最大水壓力 =，即為 ， gh?????查西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 43 表 72。 表 72 混凝土的各種極限強(qiáng)度（公斤 /厘米 2） 編號(hào) 應(yīng)力狀態(tài) 混凝土標(biāo)號(hào) 100 150 200 250 300 1 軸心受壓 80 115 145 175 210 2 彎曲受壓 100 140 180 220 260 3 軸心受拉 11 15 20 4 彎曲受拉 18 24 28 33 37 可得 gh?????=33，但是只是比較老的規(guī)范，經(jīng)過(guò)折算，我們采用 gh?????=25，則有： ? ?? ?25 1 cm? ?????? ? ? ? ???? 表明，三類圍巖只需 厘米的襯砌厚度便可以滿足需要，但是根據(jù)襯砌的最小厚度規(guī)范，因此我們采用 30cm。則有襯砌的外半徑 Hr =，襯砌的平均半徑 r =。 1) 垂直山巖壓力產(chǎn) 生的彎矩和軸向力： 由于本工程缺乏地下水位等資料，故暫不考慮外水壓力，巖石的容重按照0? = 噸 / 3m ，巖石壓力拱高 h，按照以下公式計(jì)算： 4 .8 0 .9 65Hrhmf? ? ? 垂直山巖壓力強(qiáng)度 q,由以下公式計(jì)算： 0 2 .6 1 0 .9 6 2 .4 9 6q r b h? ? ? ? ?噸 /米。 由山巖壓力產(chǎn)生的彎矩和軸向力，按照如下公式計(jì)算，該公式中的系數(shù) ? 和n 如下： 4 .82 2 0 .9 6 84 .5Hrr? ? ? ? ? ? 310. 64 16Hn J