长距离无压分洪隧洞体型设计比选.pdf
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1、第9 期2023年9 月文章编号:1 6 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)0 9-0 1 35-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023长距离无压分洪隧洞体型设计比选牛芙蓉,马龙,王民侠(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西西安7 1 0 0 0 1)【摘要长距离分洪隧洞工程体型比选非常重要,经济合理的断面型式在满足主体设计需求的前提下可节省工程投资,提升综合效益。陕南某隧洞分洪工程体型设计初步拟定圆形、城门洞型、马蹄形三种断面型式,从水力计算、结构设计、施工条件、工程投资四个角度进行比选,结果表明:马蹄形断面可满足分洪规划要求,其断
2、面衬砌厚度及相应配筋规格更小,施工条件无明显不利因素,工程投资更为经济。最后提出分洪隧洞设计中的一些思考与不足,以供水利设计与施工人员参考。【关键词分洪隧洞;设计比选;马蹄形断面中图分类号TV672+.1【文献标识码B直径1 1.5m,城门洞型1 1.6 2 m11.62m(宽高),马蹄形1背景12.3m11.59m(宽高)。分洪隧洞断面尺寸见图1。陕南嘉陵江畔某县城受地理位置制约,城区洪灾频发,防洪形势严峻。防洪区域内河道狭窄,无设置蓄滞洪区的条件,也不具备采用明渠分洪的条件。为提高该县城防洪标准,设计充分利用嘉陵江右岸在城区段大转弯的有利地形条件,裁弯取直,依托右岸山体布置分洪隧洞工程,将
3、规划流量的洪水自主城区上游分流至县城下游河道,减小城区段过洪流量,减轻县城防洪压力。本文以陕南某隧洞分洪工程为背景,针对长距离分洪隧洞断面体型比选展开研究。2工程概况本工程场区内有东西向的宝成铁路,分洪洞轴线东北向布置,分洪隧洞轴线与铁路路基空间上的交叉难以避免。洞线进出口直线距离约7.4km,进出口铁路路基与设计洞底板高差分别为1 4.5m、1 5.2 m。考虑隧洞衬砌厚度1.2 m、洞顶距宝成铁路路基1.5m的安全距离,分洪洞最大可能洞高不宜超过 1 1.8 m。本次分洪工程设计采用双隧洞分洪,单洞标准分洪流量572.5m/s两洞联合分洪流量1 1 45m/s,与防洪规划的分洪流量1 1
4、40 m/s基本一致。双洞轴线间距40 m,洞长分别为7.49km、7.41 k m,分洪洞进水口位置河床平均高程6 33m,30年一遇洪水位为6 47.2 6 m,为防止泥沙淤堵,分洪隧洞进口底板高程采用6 35m,出口高程为6 2 6.5m,隧洞纵坡1.1 6%o由于洞前水深小于1.2 倍洞径,不能形成有压流,分洪隧洞采用低流速无压明流隧洞型式。根据单洞规划分洪流量572.5m/s、最大洞高1 1.8 m两个条件,采用基本一致的隧洞高度设计三种断面型式进行比选,具体尺寸为:圆形断面洞3.44R5.715R6.63123%-11.5011.304(a)圆形断面型式(b)城门洞型断面型式(c)
5、马蹄形断面型式图1 隧洞断面型式(单位:m)3隧洞体型比选从洞身段过流能力、结构受力条件、施工条件、工程投资共4个方面对以上三种隧洞体型进行比选。3.1隧洞水力计算对于进口为无压流的分洪隧洞,先根据洞长是否影响隧洞泄流能力,判别属于长洞或者短洞。(1)临界水深计算临界水深满足下述方程:A_QBkg式中:Ak为临界水深时的过水面积m;Bk 为对应hk的水面宽度,m;为动能修正系数,近似取为1;Q、g 分别为流量、重力加速度。对于该分洪隧洞,拟定Bk为1 1.6 m,计算可得临界水深hk=6.29 m。(2)临界底坡计算临界底坡讠在水深为hk时满足下式:R6.15,11.6212.308.18R1
6、8.4514,36R18.4535.170(1)11.59收稿日期2 0 2 3-0 4-0 3【作者简介牛芙蓉(1 991-),女,陕西扶风人,工程师,主要从事水利水电工程设计工作。135第9 期2023年9 月式中:Ck、R 分别为临界水深时的谢才系数、水力半径。由上式可得i=Q/(A C2 R k),将计算所得h=6.29m对应的Ck、R 代入,Q=572.5m/s时,临界比降i=0.0036。分洪隧洞轴线长约7.4km,隧洞进出口高程差8.5m,隧洞底坡=0.00116。i i,为缓坡隧洞,洞长影响隧洞泄流能力。当底坡为缓坡而趋于平坡,长短洞的界限长度按下式计算:L=(512)H式中:
7、H为上游水深,H=14.26m。经计算,7 1.3mL171.12m,远小于隧洞长度7.4km,据此可判定分洪隧洞属长隧洞,根据水工隧洞设计规范(S L2 7 9-2 0 1 6)第6.1.3条规定,无压隧洞洞身的过流能力,长洞应按均匀流计算。(3)过流能力计算根据水工隧洞设计规范(SL279-2016)第5.3.4条规定,“恒定流情况下,当通气条件良好时,洞内水面线以上空间不宜小于隧洞断面面积的1 5%,高度不应小于0.4m。”分洪隧洞为长洞,按均匀流计算,即:Q=AC/Ri式中:Q为设计流量,m/s;A 为洞身过水断面面积,m;R 为洞身过水断面水力半径,m;R=A/X,X 为过水断面湿周
8、,m;i为洞身纵坡,0.0 0 1 6;C为谢才系数,m/s,C=(1/n)R%;n为洞身糙率,n=0.014。表1 分洪隧洞不同断面型式水力参数比较表编号项目1成洞洞径/m2设计水深/m3过流面积/m4湿周X/m5水力半径/m6谢才系数/C7流速/(m/s)净空面积/m8910双洞分洪流量m/s)由表1 可知,限定洞高条件下拟定的圆形断面无法满足分洪流量要求,城门洞型断面及马蹄形断面均可满足基本的水力条件及净空比要求。以下将对城门洞型断面、马蹄形断面从其他三个方面进行比选。3.2洞身结构设计根据现行规范要求,分洪洞结构设计采用一次喷锚支护与二期钢筋砼衬砌的联合衬砌方式,钢筋砼衬砌结构设计采用
9、限制裂缝开展宽度设计。(1)洞身一次支护设计分洪隧洞洞身总长1 48 0 4m,其中类围岩长度为1 32 0 m,占整个洞室的8.9%;类围岩长度为1 0 2 0 6 m,占整个洞室的6 8.9%;IV类围岩长度为1 2 2 8 m,占整个洞室的8.3%;V:136陕西水利Shaanxi WaterResources1Ck=1/n R,6Q=AkCiRik马蹄形城门洞形12.30 11.5911.62 11.62(宽高)(宽高)8.7878.842100.03102.5827.6629.543.6173.47288.5087.905.725.5720.3523.95净空比1%16.911145
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