CN104863611A - 明流输水隧洞断面结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种明流输水隧洞断面结构设计方法，所述明流输水隧洞的断面形状为三等弧形结构，即：由底弧段、左侧弧段、右侧弧段围绕构成，所述底弧段、左侧弧段、右侧弧段的弧长和圆弧半径r均相等；所述圆弧半径r和隧洞断面的过流水深h根据隧洞设计过流量方程式和拟定净空比方程式求解确定。本发明优点在于和其他断面形式相比有利于隧洞围岩结构的安全，三角形衬砌结构更稳定，相对于同条件的可选断面，开挖面积小、经济实用，同时方便预制衬砌块的实施。作为岩性较差区段的马蹄形断面结构的过渡，是很好的补充。

Description

明流输水隧洞断面结构设计方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程中的引调水明流输水隧洞，尤其是涉及明流输水隧洞断面结构设计方法。

背景技术

目前，国内外常用的明流输水隧洞断面结构多为圆拱直墙式、马蹄形、圆形、蛋形等，设计中根据岩性、过流、施工等因素综合确定采用哪一种。但是，对于隧洞围岩级别偏低的岩体，如何在满足隧洞设计流量和安全性的同时，达到隧洞断面开挖面积小、围岩弹塑变形量小，同时方便预制衬砌块的实施，是本领域技术人员一直研究的课题。

发明内容

本发明目的在于提供一种明流输水隧洞断面结构设计方法，以解决隧洞跨径大、穿越围岩稳定性差所存在的隧洞安全问题。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的明流输水隧洞断面结构设计方法，所述明流输水隧洞的断面形状为三等弧形结构，即：由底弧段、左侧弧段、右侧弧段围绕构成，所述底弧段、左侧弧段、右侧弧段的弧长和圆弧半径r均相等；所述圆弧半径r和隧洞断面的过流水深h根据隧洞设计过流量方程式和拟定净空比方程式求解确定；所述三等弧形结构的明流输水隧洞断面形状按照下述步骤确定：

第一步、按照求解的圆弧半径r长度作水平直线，分别以所述水平直线的左、右端点为圆心，以求解的圆弧半径r长度为半径画第一圆和第二圆，位于所述第一圆和第二圆的上交点到第一圆和第二圆的圆心之间的弧段即为左侧弧段、右侧弧段；

第二步、以第一圆和第二圆的上交点为圆心，以求解的圆弧半径r长度为半径画第三圆，位于所述第三圆与第一圆和第二圆的圆心相交点之间的弧段即为底弧段。

为对明流输水隧洞的拱顶进行优化，所述左侧弧段与右侧弧段相交位置处设置有过渡弧段，所述过渡弧段分别与左、右侧弧段相切。

本发明优点在于和其他断面形式相比有利于隧洞围岩结构的安全，三角形衬砌结构更稳定，相对于同条件的可选断面，开挖面积小、经济实用，同时方便预制衬砌块的实施。作为岩性较差区段的马蹄形断面结构的过渡，是很好的补充，具体体现为：

1、机械开挖少扰动原则：按本发明断面开挖，上部开挖跨径很小，对围岩扰动小，充分保护原始断面顶部岩体的自然结构。

2、上部围岩压力小：顶部开挖小，围岩弹塑变形量小，产生的岩体压力小。

3、三角形稳定原理：明流输水隧洞衬砌结构类似三角形，对顶拱结构产生的弯矩小，有利于结构安全。

4、满足无压过流：洞体下部断面大，有利于过流和组织施工。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明设计时的计算参考图。

图3是本发明设计步骤参考图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明所述的明流输水隧洞断面结构设计方法，所述明流输水隧洞的断面形状为三等弧形结构，即：由底弧段1、左侧弧段2、右侧弧段3围绕构成，为对明流输水隧洞的拱顶进行优化，左侧弧段2与右侧弧段3相交位置处设置有过渡弧段4，过渡弧段4分别与左、右侧弧段2、3相切。

底弧段1、左侧弧段2、右侧弧段3的弧长和圆弧半径r均相等；所述圆弧半径r和隧洞断面的过流水深h根据隧洞设计过流量方程式和拟定净空比方程式求解确定；

隧洞设计过流量方程式为：

式中：Q—流量，m³/s；A—洞身过水断面面积，m²；

C—谢才系数，按曼宁公式计算，C=（1/n）×R^1/6；

R—水力半径，m；

i—隧洞底坡；

n—糙率。

拟定净空比方程式为：

式中：r—圆弧半径，m；

h—水深，m；

—过流部分弧线对应的圆心角；

—断面净空与全洞面积比；

A—不含底弧弓面部分的过流面积，m²。

如图3所示，所述三等弧形结构的明流输水隧洞断面形状按照下述步骤确定：

第一步、按照求解的圆弧半径r长度作水平直线5，分别以水平直线5的左、右端点为圆心，以求解的圆弧半径r长度为半径画第一圆6和第二圆7，位于所述第一圆6和第二圆7的上交点8到第一圆6和第二圆7的圆心之间的弧段即为左侧弧段2、右侧弧段3；

第二步、以第一圆6和第二圆7的上交点8为圆心，以求解的圆弧半径r长度为半径画第三圆9，位于所述第三圆9与第一圆6和第二圆7的圆心相交点之间的弧段即为底弧段1。

Claims (2)

1.一种明流输水隧洞断面结构设计方法，其特征在于：所述明流输水隧洞的断面形状为三等弧形结构，即：由底弧段、左侧弧段、右侧弧段围绕构成，所述底弧段、左侧弧段、右侧弧段的弧长和圆弧半径r均相等；所述圆弧半径r和隧洞断面的过流水深h根据隧洞设计过流量方程式和拟定净空比方程式求解确定；所述三等弧形结构的明流输水隧洞断面形状按照下述步骤确定：

第一步、按照求解的圆弧半径r长度作水平直线，分别以所述水平直线的左、右端点为圆心，以求解的圆弧半径r长度为半径画第一圆和第二圆，位于所述第一圆和第二圆的上交点到第一圆和第二圆的圆心之间的弧段即为左侧弧段、右侧弧段；

第二步、以第一圆和第二圆的上交点为圆心，以求解的圆弧半径r长度为半径画第三圆，位于所述第三圆与第一圆和第二圆的圆心相交点之间的弧段即为底弧段。

2.根据权利要求1所述的明流输水隧洞断面结构设计方法，其特征在于：所述左侧弧段与右侧弧段相交位置处设置有过渡弧段，所述过渡弧段分别与左、右侧弧段相切。