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摘要隧洞断面结构的优化设计,应从三个方面进行综合考虑,即隧洞断面类型的选择,对隧洞断面尺寸的控制以及两条或多条隧洞的选择与布置这几个方面去研究,以寻求一条既符合经济效益,又符合隧洞建设的科学道路。
关键词隧洞;断面;优化设计
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0048-02
随着科技的不断发展,人类社会的不断进步,隧洞设计也走上了科学发展的道路,而在隧洞断面设计过程中,应采取综合分析法,结合施工实际情况进行设计,以尊重事实,尊重客观规律为原则,合理科学的进行规划设计。
1隧洞断面形式的选择
1.1隧洞断面形式的类型
隧洞断面型式省用的隧洞断面型式有圆形、马蹄形、拱门形等,应根据地质条件、水力条件(有压或无压,或水头大小)、截流、通航、放木、方便施工等要求,经技术经济比较确定。
1)圆形断面。圆形断面的顶拱为圆弧形,圆拱中心角为90°~180°。这种隧洞因有地下水存在且围岩较差,顶拱宜采用较大的圆拱中心角,对该断面衬砌形式设计采用圆拱中心角为180°,考虑到高宽比的要求,取底板净宽与墙净高相等且等于顶拱直径,即:R=a/2=b/2。
2)马蹄形断面。马蹄形衬砌断面形式是顶拱、侧墙及底板均为圆弧形。本隧洞流量比较固定,设计采用净高与净宽相等的衬砌断面。其顶拱内缘为半径为尺的半圆弧,侧墙及底板内缘分别为P=2R的圆弧。
3)拱门形断面。圆形多用于高水头处,马蹄形用于地质条件不良处,而拱门形断面有利于截流和施工。由于其底部过水断面面积大,有利于截流、通航放木,施工也较方便,常被广泛采用。其高宽比一般用1.0—1.7,顶拱圆心角为100°一180°;若岩性较差,垂直山岩压力及侧向山岩压力较大时,则宜采用马蹄形断面。马蹄形断面适用于明流的工作状态;圆形断面一般用在压力流工作状态,而水头较高,特别当外水压力较大时亦采用。但是,目前国内外部分导流隧洞设计中仍有不少工程仍采用圆形断面。
圆形马蹄形拱门形
图1三种截面的图形
1.2导流隧洞断面的形式选择
如何选择隧洞断面,首先应考虑隧洞的实际工作状态和现场状况。导流隧洞常有明流或压力流两种工作状态;而明压流交替过渡的流态,一般在所有导流隧洞的运用过程中,同样都会存在;即使前期导流按明流设计,后期施工渡汛时也可能成为压力流。因此,隧洞断面的形式与尺寸,不仅需满足前期导流,还必须满足中、后期施工渡汛要求。在一般情况下,都按压力流设计;也有少数设计成明流的,例如龙羊峡导流隧洞,洞身按明流设计,进口段为压力流。对于明压流态交替过渡,根据许多工程导流隧洞的实际运行经验来看,对结构物的安全影响并不严重。
1.3影响隧洞断面的因素
1)水力因素分析。以下将以马蹄形设计断面作为例子,分析水力因素的影响状况:按照加斜墙增高马蹄型的设计断面进行了水力计算,电站弃荷和自动升卧式闸门失灵的壅水计算,同时考虑了前池容积、溢流堰宽度对工程造价的影响因素。水力计算,采用以下公式:,n=0.015
图2H—x,H—w,H—Q曲线
从图上可以看出,当Q=80m3/s时,H=4.5m。前池正常发电水位H=l13.4-l07.9=5.5m,查H-w曲线,w=35.7m2,则隧洞余幅面积为20.26%。当电站弃荷的同时,自动升卧式闸门失灵,由溢流坝和闸顶泄流,前池水位抬高1.5m,查H—w曲线,w=39m2,余幅面积为12.89%,可以满足设计规范的要求。
2)静力因素分析。
图3矩阵静力分析
矩阵静力分析的基本思路与假定:
①将围岩对衬砌的约束用数目有限的若干个弹性支座链杆来代替,弹性链杆的弹性系数K值,按“局部变形”理论确定。②弹性链杆假定只传递轴向压力,当衬砌与围岩间的粘结力有充分保证时也可传递少量的拉应力(在粘结强度以内)。③弹性链杆的数目按计算精度的要求采用21个。④链杆方向与弹性抗力及摩擦合力的方向一致。⑤将衬砌断面也离散为具有有限个:资点的等截面直杆单元,弹性链杆设在节点处。⑥作用在衬砌上的各种外荷载,均换算为作用在节点上的集中荷载。⑦在不考虑仰拱作用并假定摩擦力甚大而不发生水平位移时,衬砌简化成一个具有弹性文承的折线型框架。用矩阵分析法解这样的结构也和普通杆件系统的结构力学方法相似;以矩阵位移法(直接刚度法)解算衬砌内力,是以节点位移为未知数的解法。基本依据是:汇交于同一节点处各个杆件的端位移与该节点的位移相一致,取各节点为分离体时,各节点必处于静力平衡状态,即各节点的外荷载和单元内荷载必满足平衡方程式。
如果隧洞为无压洞,内水压力较小,洞前覆盖层稳定,地下水位在洞底以上5-7m,洞后水位在洞底以下。进口处178m高程以下(洞底高程为108.096m),w值为0.002-0.08,为不透水或微透水岩层;出口段w值0.01-0.04,为不透水岩层。下导洞内除断层附近有少量渗水外,基本上是干燥的,因此,外水压力可以忽略不计。影响洞室稳定的主要因素为围岩应力重分布情况,而洞室周边的应力重分布又取决于洞室形状,所以断面型式的选择很大程度上取决于工程地质及施工条件。
2隧洞断面尺寸选择
隧洞断面尺寸,取决于通过流量的大小。在流量一定的条件下,洞径越大,围堰越低;洞径越小,围堰越高。因此,隧洞经济断面的选择,需拟定几个隧洞尺寸,计算相应的围堰高度,并计算不同断面尺寸的隧洞与围堰的工程量和造价,两者相加,总造价最小的断面尺寸为最经济断面。
由于隧洞开挖及衬砌单价高,围堰的单价低,比较的结果往往出现小隧洞配高围堰最经济。因此,隧洞断面尺寸的选择不能单从经济上分析。经济合理的隧洞断面尺寸,应体现以下几方面:
1)在尽量发挥隧洞效益的同时,一定要使围堰能在枯水期内建成,并保证围堰的安全和技术上的可靠性;
2)洞内流速不超过允许抗冲流速:
3)要满足通航、放木等综合利用的要求;
4)要以方便实际施工操作为原则;
5)要满足中、后期施工渡汛要求。
经隧洞经济断面分析后,还必须进行围堰施工进度分桥及技术可靠性研究,并考虑抗冲流速和综合利用的要求;如果不能满足,就应该加大隧洞断面,降低围堰高程,减小洞内流速,保证围堰顺利完成和安全可靠。同时还必须对后期施工渡汛进行规划。对于混凝土坝,可设置底孔或坝体缺口过水,一般不需要为了渡汛而改善隧洞断面。对于土石坝,往往为了满足泼汛要求而需适当加大隧洞断面尺寸。
如果选择的隧洞断面较小,其最小断面尺寸还必须考虑开挖或衬砌的施工要求。隧洞经济断面分析,虽不能作选择断面尺寸的唯一依据,但从总的趋势来看,在围堰高度允许的前提下,尽量减小隧洞断面是经济的。如果水头过低、洞内流速过小,就不能充分发挥隧洞的泄水能力。据统计,国内导流隧洞单位面积的过水流量,一般在6-21.5m3(sm2)之间。国外多数也在此范围内(也有大于此值)。
3两条或多条隧洞的选择与布置
两条或多条隧洞,一般在下列情况采用:
1)导流流量控大,要求有较大的过水断面积,而地质条件又不允许开挖过大断面,如菲尔泽水电站曾进行了一洞与两洞的方案比较,因该枢纽正处在较破碎的花岗岩地段,不适宜开挖过大断面的隧洞,因此,最后选用2条洞径为9m的导流隧洞方案。
2)虽地质条件允许开挖大断面隧洞,而施工设备和技术水平不相适应,或因大断面隧洞支护不经济,而小隧洞可以简化支护。
3)有时大断面隧洞施工难度大、工期过长,会影响围堰截流时间,若采用多条隧洞布置,可集中力量打通一条较小隧洞,先行截流,然后再用其它两条或多条隧洞导流。
采用两条或多条隧洞时,如无特殊要求,以用相同的断面尺寸为宜,也有用大小不等断面者。在满足过水面积的前提下,进行隧洞条数选择时,首先要确定隧洞最大断面尺寸,并结合地质、地形、枢纽总体布置及是否与永久隧洞相’结合等进行综合分析比较。隧洞最大断面尺寸取决于地质条件,也与施工方法和技术水平有关,但地质状况是很复杂的,允许的最大开挖断面往往较难确切定论,只能凭经验综合分析确定。
两条或多条隧洞的布置,有布置在一岸,也有布置在两岸者,领根据具体情况确定。用一岸布置时,两隧洞之间的最小间距一般宜不小于3倍洞宽,实际工程中也有不足3倍洞宽,这亦需根据地质条件、施工方法、衬砌措施等具体分析确定。多条隧洞的高程布置,可放在同一高程,也可置于不同高程。在满足截流、通航放木等条件下,一般按不同高程布置为好,以有利于隧洞的施工和后期的封堵。
4结束语
综合上述,对隧洞断面类型的选择、隧洞断面尺寸的控制以及两条或多条隧洞的选择与布置是整个隧洞断面设计中的关键要素,要合理的进行设计施工,就要从实际出发,实事求是,选择合适该地形及环境的设计方案,科学开展隧洞建设工作。
参考文献
[1]SL279-2002,水工隧洞设计规范[S].中国水利水电出版社,2003.
[2]吴焕通,崔永军.隧道施工及组织管理指南[M].北京:人民交通出版社,2004.
[3]熊启钧,高昌侠.隧洞[M].北京:水利电力出版社,1989
[4]汪胡赖.水工隧洞的设计理论和计算[M].北京:水利电力出版社,1999.
[5]罗汉明,钟登化.导流隧洞断面选择的模糊层次分析接[J].水利学报,1992,4.
作者简介
陆明本,男,壮族,广西平果县人,水利水电建筑工程师,水利水电建筑本科学位,现从事水利水电建筑设计工作。
关键词隧洞;断面;优化设计
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0048-02
随着科技的不断发展,人类社会的不断进步,隧洞设计也走上了科学发展的道路,而在隧洞断面设计过程中,应采取综合分析法,结合施工实际情况进行设计,以尊重事实,尊重客观规律为原则,合理科学的进行规划设计。
1隧洞断面形式的选择
1.1隧洞断面形式的类型
隧洞断面型式省用的隧洞断面型式有圆形、马蹄形、拱门形等,应根据地质条件、水力条件(有压或无压,或水头大小)、截流、通航、放木、方便施工等要求,经技术经济比较确定。
1)圆形断面。圆形断面的顶拱为圆弧形,圆拱中心角为90°~180°。这种隧洞因有地下水存在且围岩较差,顶拱宜采用较大的圆拱中心角,对该断面衬砌形式设计采用圆拱中心角为180°,考虑到高宽比的要求,取底板净宽与墙净高相等且等于顶拱直径,即:R=a/2=b/2。
2)马蹄形断面。马蹄形衬砌断面形式是顶拱、侧墙及底板均为圆弧形。本隧洞流量比较固定,设计采用净高与净宽相等的衬砌断面。其顶拱内缘为半径为尺的半圆弧,侧墙及底板内缘分别为P=2R的圆弧。
3)拱门形断面。圆形多用于高水头处,马蹄形用于地质条件不良处,而拱门形断面有利于截流和施工。由于其底部过水断面面积大,有利于截流、通航放木,施工也较方便,常被广泛采用。其高宽比一般用1.0—1.7,顶拱圆心角为100°一180°;若岩性较差,垂直山岩压力及侧向山岩压力较大时,则宜采用马蹄形断面。马蹄形断面适用于明流的工作状态;圆形断面一般用在压力流工作状态,而水头较高,特别当外水压力较大时亦采用。但是,目前国内外部分导流隧洞设计中仍有不少工程仍采用圆形断面。
圆形马蹄形拱门形
图1三种截面的图形
1.2导流隧洞断面的形式选择
如何选择隧洞断面,首先应考虑隧洞的实际工作状态和现场状况。导流隧洞常有明流或压力流两种工作状态;而明压流交替过渡的流态,一般在所有导流隧洞的运用过程中,同样都会存在;即使前期导流按明流设计,后期施工渡汛时也可能成为压力流。因此,隧洞断面的形式与尺寸,不仅需满足前期导流,还必须满足中、后期施工渡汛要求。在一般情况下,都按压力流设计;也有少数设计成明流的,例如龙羊峡导流隧洞,洞身按明流设计,进口段为压力流。对于明压流态交替过渡,根据许多工程导流隧洞的实际运行经验来看,对结构物的安全影响并不严重。
1.3影响隧洞断面的因素
1)水力因素分析。以下将以马蹄形设计断面作为例子,分析水力因素的影响状况:按照加斜墙增高马蹄型的设计断面进行了水力计算,电站弃荷和自动升卧式闸门失灵的壅水计算,同时考虑了前池容积、溢流堰宽度对工程造价的影响因素。水力计算,采用以下公式:,n=0.015
图2H—x,H—w,H—Q曲线
从图上可以看出,当Q=80m3/s时,H=4.5m。前池正常发电水位H=l13.4-l07.9=5.5m,查H-w曲线,w=35.7m2,则隧洞余幅面积为20.26%。当电站弃荷的同时,自动升卧式闸门失灵,由溢流坝和闸顶泄流,前池水位抬高1.5m,查H—w曲线,w=39m2,余幅面积为12.89%,可以满足设计规范的要求。
2)静力因素分析。
图3矩阵静力分析
矩阵静力分析的基本思路与假定:
①将围岩对衬砌的约束用数目有限的若干个弹性支座链杆来代替,弹性链杆的弹性系数K值,按“局部变形”理论确定。②弹性链杆假定只传递轴向压力,当衬砌与围岩间的粘结力有充分保证时也可传递少量的拉应力(在粘结强度以内)。③弹性链杆的数目按计算精度的要求采用21个。④链杆方向与弹性抗力及摩擦合力的方向一致。⑤将衬砌断面也离散为具有有限个:资点的等截面直杆单元,弹性链杆设在节点处。⑥作用在衬砌上的各种外荷载,均换算为作用在节点上的集中荷载。⑦在不考虑仰拱作用并假定摩擦力甚大而不发生水平位移时,衬砌简化成一个具有弹性文承的折线型框架。用矩阵分析法解这样的结构也和普通杆件系统的结构力学方法相似;以矩阵位移法(直接刚度法)解算衬砌内力,是以节点位移为未知数的解法。基本依据是:汇交于同一节点处各个杆件的端位移与该节点的位移相一致,取各节点为分离体时,各节点必处于静力平衡状态,即各节点的外荷载和单元内荷载必满足平衡方程式。
如果隧洞为无压洞,内水压力较小,洞前覆盖层稳定,地下水位在洞底以上5-7m,洞后水位在洞底以下。进口处178m高程以下(洞底高程为108.096m),w值为0.002-0.08,为不透水或微透水岩层;出口段w值0.01-0.04,为不透水岩层。下导洞内除断层附近有少量渗水外,基本上是干燥的,因此,外水压力可以忽略不计。影响洞室稳定的主要因素为围岩应力重分布情况,而洞室周边的应力重分布又取决于洞室形状,所以断面型式的选择很大程度上取决于工程地质及施工条件。
2隧洞断面尺寸选择
隧洞断面尺寸,取决于通过流量的大小。在流量一定的条件下,洞径越大,围堰越低;洞径越小,围堰越高。因此,隧洞经济断面的选择,需拟定几个隧洞尺寸,计算相应的围堰高度,并计算不同断面尺寸的隧洞与围堰的工程量和造价,两者相加,总造价最小的断面尺寸为最经济断面。
由于隧洞开挖及衬砌单价高,围堰的单价低,比较的结果往往出现小隧洞配高围堰最经济。因此,隧洞断面尺寸的选择不能单从经济上分析。经济合理的隧洞断面尺寸,应体现以下几方面:
1)在尽量发挥隧洞效益的同时,一定要使围堰能在枯水期内建成,并保证围堰的安全和技术上的可靠性;
2)洞内流速不超过允许抗冲流速:
3)要满足通航、放木等综合利用的要求;
4)要以方便实际施工操作为原则;
5)要满足中、后期施工渡汛要求。
经隧洞经济断面分析后,还必须进行围堰施工进度分桥及技术可靠性研究,并考虑抗冲流速和综合利用的要求;如果不能满足,就应该加大隧洞断面,降低围堰高程,减小洞内流速,保证围堰顺利完成和安全可靠。同时还必须对后期施工渡汛进行规划。对于混凝土坝,可设置底孔或坝体缺口过水,一般不需要为了渡汛而改善隧洞断面。对于土石坝,往往为了满足泼汛要求而需适当加大隧洞断面尺寸。
如果选择的隧洞断面较小,其最小断面尺寸还必须考虑开挖或衬砌的施工要求。隧洞经济断面分析,虽不能作选择断面尺寸的唯一依据,但从总的趋势来看,在围堰高度允许的前提下,尽量减小隧洞断面是经济的。如果水头过低、洞内流速过小,就不能充分发挥隧洞的泄水能力。据统计,国内导流隧洞单位面积的过水流量,一般在6-21.5m3(sm2)之间。国外多数也在此范围内(也有大于此值)。
3两条或多条隧洞的选择与布置
两条或多条隧洞,一般在下列情况采用:
1)导流流量控大,要求有较大的过水断面积,而地质条件又不允许开挖过大断面,如菲尔泽水电站曾进行了一洞与两洞的方案比较,因该枢纽正处在较破碎的花岗岩地段,不适宜开挖过大断面的隧洞,因此,最后选用2条洞径为9m的导流隧洞方案。
2)虽地质条件允许开挖大断面隧洞,而施工设备和技术水平不相适应,或因大断面隧洞支护不经济,而小隧洞可以简化支护。
3)有时大断面隧洞施工难度大、工期过长,会影响围堰截流时间,若采用多条隧洞布置,可集中力量打通一条较小隧洞,先行截流,然后再用其它两条或多条隧洞导流。
采用两条或多条隧洞时,如无特殊要求,以用相同的断面尺寸为宜,也有用大小不等断面者。在满足过水面积的前提下,进行隧洞条数选择时,首先要确定隧洞最大断面尺寸,并结合地质、地形、枢纽总体布置及是否与永久隧洞相’结合等进行综合分析比较。隧洞最大断面尺寸取决于地质条件,也与施工方法和技术水平有关,但地质状况是很复杂的,允许的最大开挖断面往往较难确切定论,只能凭经验综合分析确定。
两条或多条隧洞的布置,有布置在一岸,也有布置在两岸者,领根据具体情况确定。用一岸布置时,两隧洞之间的最小间距一般宜不小于3倍洞宽,实际工程中也有不足3倍洞宽,这亦需根据地质条件、施工方法、衬砌措施等具体分析确定。多条隧洞的高程布置,可放在同一高程,也可置于不同高程。在满足截流、通航放木等条件下,一般按不同高程布置为好,以有利于隧洞的施工和后期的封堵。
4结束语
综合上述,对隧洞断面类型的选择、隧洞断面尺寸的控制以及两条或多条隧洞的选择与布置是整个隧洞断面设计中的关键要素,要合理的进行设计施工,就要从实际出发,实事求是,选择合适该地形及环境的设计方案,科学开展隧洞建设工作。
参考文献
[1]SL279-2002,水工隧洞设计规范[S].中国水利水电出版社,2003.
[2]吴焕通,崔永军.隧道施工及组织管理指南[M].北京:人民交通出版社,2004.
[3]熊启钧,高昌侠.隧洞[M].北京:水利电力出版社,1989
[4]汪胡赖.水工隧洞的设计理论和计算[M].北京:水利电力出版社,1999.
[5]罗汉明,钟登化.导流隧洞断面选择的模糊层次分析接[J].水利学报,1992,4.
作者简介
陆明本,男,壮族,广西平果县人,水利水电建筑工程师,水利水电建筑本科学位,现从事水利水电建筑设计工作。