导流洞、围堰、隧洞、调洪演算施工组织设计计算书.doc

◆施工组织设计计算书◆
目 录
第一章 导流洞的水力算…………………………………………………………………………2
第一节 洞身水力计算…………………………………………………………………………4
第二节 上、下游水位计算……………………………………………………………………...5
第三节 进口过流流量校核……………………………………………………………………...5
第二章 围堰的水力计算 8
第一节 下游围堰 8
第二节 上游围堰 9
第三章 隧洞内力及配筋计算 12
第一节 山岩压力计算………………………………………………………………………...
第二节 隧洞内力及配筋 13
第四章 调洪演算 12
第一节 调洪演算的基本原理 12
第二节 调洪演算方法及计算 12
第三节 坝顶高程的复核计算 13

第 7 页
第一章 导流洞的水力计算
第一节 洞身水力计算
（1）、导流标准
某水库工程是以供水为主兼顾农田灌溉和环境用水的综合利用工程，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）的规定，按供水规模应为Ⅳ等工程，根据水库总库容为532万m3，应属Ⅳ等工程，其主要建筑物大坝、溢洪道、取水口及输水洞为4级建筑物，根据颁部规范SDJ338---89的规定，相应的临时建筑物为五级建筑物，考虑到该工程规模较小，选取设频率P=20%，相应流量18m3/s。
（2）、洞身水力计算
从导流的布置情况来看，在枯水期一般设为无压隧洞，但为了考虑洪水期度
汛时的过流能力，故采用纵坡i=1.5/100；经过多方案的比较，采用i=1.5/100比较合理，经济。
导流隧洞按明渠均匀流设计，由明渠均匀流的流量公式：Q=AC(Ri)1/2=K i1/2
式中 Q——设计流量（m3/s）
A——洞身过水断面面积（m2）
R——水力半径（m），R=A/X，X为过水断面湿周；
C——谢才系数（m1/2/s），其值按曼宁公式计算，C=R1/6 /n，n为糙率。
为了考虑在第一个洪水期的泄洪，假设隧洞洞身的断面尺寸如下图所示：洞宽b=3.8 m ，H=4.3 m 。

流量模数：K=ACR1/2=Q/i1/2
则 K=18/(1.5/100)1/2=146.97 m3/s
糙率n值表
衬 砌 材 料
n
现浇混凝土衬砌
0.014
预制装配式混凝土衬砌
0.017
浆砌石衬砌
0.017
经过修整的不衬砌断面
0.03~0.035
未经过修整的不衬砌断面
0.04~0.045

由《施工组织设计规范》，对现浇砼衬砌，n=0.014 则
b2.67/nK=3.82.67/（0.014×146.97）=17.20
采用高等教育出版社《水力学》上册附图Ⅱ，由b2.67/nK与h0/b的关系曲线，当b2.67/nK=17.2时，在m=0.0的曲线上查得h0/b=0.211，故导流洞中的实际水深为h0=0.211×3.8=0.802m
根据假设的隧洞断面图与洞身水力计算结果，圆拱直墙式断面尺寸为：洞宽b =3.8 m ；直墙高3.197m；圆拱半径r=2.194m；洞内水深h=0.802m；水面
以上净空高度3.498m。
净空面积=A总－A=3.8×2.1＋2×1.9×1.097×1/2＋（1200×3.14×1.92）/3600－3.8×0.802=12.05 （m2）
则ΔA/ A=（12.05/15.1）×100%=79.81%
故净空高度及净空面积均符合明渠规范要求，并且实际过水断面形状上为矩形，故假设隧洞为明渠是正确的。
当Q=18.0m3/s时的相应临界水深hk及临界坡ik， =[ΑQ2/( gb2)]1/3
hk=[1×182/(9.8×3.82)]1/3=1.32 m， h0=0.802 m，由h0＜hk时、Fr＞1为急流 。
临界断面面积Ak=bhk=3.8 ×1.32=5.016 m2
临界过水宽度Bk=b=3.8 m
临界湿周Xk=b＋2hk=3.8＋2×1.32=6.44 m
临界水力半径Rk=Ak/Xk=5.016/6.44=0.78 m
临界谢才系数Ck=RK/6 1/n=0.781/6×1/0.014=68.52
则临界纵坡ik=gXk/(αCk2 Bk)=9.8×6.44/（1×68.522×3.8）=0.0036
由ik=0.35%＜i=1.5%，所以为陡坡。

第二节 上、下游水位计算
1）、下游水位
由基本资料—岔河水库坝下水位流量关系曲线可知，当流量Q=18m3/s时相对应的水位为1423.01m，故下游水位为1423.01m ，下游设计洪水静水位为：1423.01 m。
2）、上游水位
由ik=0. 35%＜i=1.5%，隧洞长L=184. 79m，取隧洞进口底板高程为：1426m，则隧洞出口高程为：
1426-Li=1426-184. 79×1.5/100=1423.30 m
因隧洞出口底板高程与下游水位高程之差大于零，即1423.15-1423.01=0.14＞0。故泄流量为自由出流。
采用中国城市出版社《施工组织设计与施工规范实用全书》上册，泄流量按短管自由出流，即按非淹没堰流计算。

非淹没堰流公式 Q=mBK2g1/2H02/3
m——流量系数
H0——计入行近流速的上游水头
Bk————临界水深下的平均过水宽度

H0=(Q2/2gm2Bk2)1/3=[182/(2×9.8×0.32×3.82)]1/3=2.33m
则上游水位：1424.38+2.33+△Z
=1424.38+2.38+1.62
=1428.38 m △Z为河底高程与进口底板之差。
故上游设计洪水静水位为：1428.38m。

第三节 进口过流流量校核
采用中国城市出版社《施工组织设计与施工规范实用全书》上册以及SL297—2002水工隧洞设计规范，进口过流流量按宽顶堰公式计算：
Q=σSε1mnb’(2g)1/2H03/2
式中
m——流量系数
m=0.32+0.01×（3－P1/H）/（0.46+0.75×P1/H）
=0.32+0.01×（3－1.63/2.38）/（0.46+0.75×1.63/2.38）
=0.34
σS——淹没系数，自由出流时，σS=1
ε1——侧收缩系数

ε1=1－[α0/(0.2+p1/H)3]（b/B）4（1－b/B）
=1―[0.19/(0.2+1.63/2.38)3](3.7/4.22)4(1―3.7/4.22)
=0.98
故Q=1×0.98×0.34×1×3.7×（2×9.8）1/2×2.383/2
=20.00m3/s＞18m3/s
所以满足要求。

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第二章 围堰的水力计算
第一节 下游围堰计算
考虑到下游围堰挡水保证基坑干地施工，且该工程规模较小，导流期间不允许基坑淹没，故下游围堰设计成不过水围堰。查围堰设计规范DL/T 5087—1999，围堰断面设计要求表7.1.1，不过水围堰堰顶安全超高下限值，对于Ⅳ－Ⅴ级土石围堰，δ=0.5m。
表2—1 不过水围堰堰顶安全超高下限值
围堰
形式
围堰级别
Ⅲ
Ⅳ
土石围堰
0.7
0.5
砼围堰
0.4
0..3

土石围堰防渗体顶部在设计洪水静水位以上的超高值：斜墙式防渗体为0.8~0.6m；心墙式防渗体为0.6~0.3m。取防渗体超高值为0.3m。
根据规范规定：无行车要求的堰顶宽度，当堰高在6~10m时，堰顶宽度取3~4m，当堰高>10m时堰顶宽度取5m。该工程围堰考虑工程自卸汽车运输土石料与推土机工作等因素，堰顶宽为4.5~5m，取堰顶宽为4.5m。围堰采用塑性心墙围堰，填筑时做成梯形断面，坡度为1：0.2~1：0.6的陡坡。心墙的断面是梯形的，上部厚度不小于0.8~1.0m，下部厚度不小于1/10水头，且不能少于3m。
由资料可知，河床的覆盖层厚度取1.5m。查坝址处水位流量关系曲线得：当Q=18m3/s时，其相应的水位高程为1423.01m，则下游围堰的堰顶高程为：
Hd=hd+ha+δ
hd------下游水位高程
ha------波浪爬高（此处忽略不计）
δ------安全超高，按表2—1选用
心墙式防渗体为0.6~0.3m，即取0.3m，则顶部高程为1423.31m。则下游围堰的堰顶高程 ：Hd=1423.01+0.5=1423.51m
下游围堰高度为：h=Hd－1419.34=1423.51－1419.34=4.17 m
注：1419.34m为下游围堰的河底高程。
下游围堰的底宽计算：B= 2×4.17+4.5+1.5×4.17
=19.095 m
下游围堰心墙底宽计算： B=2×0.3×4.45+2=4.66 m

第二节 上游围堰计算
考虑到上游围堰挡水保证基坑干地施工，且该工程规模较小，导流期间不允许基坑淹没，故上游围堰设计成不过水围堰。查围堰设计规范DL/T 5087—1999，围堰断面设计要求表7.1.1，不过水围堰堰顶安全超高下限值，对于Ⅳ－Ⅴ级土石围堰，δ=0.5m。
不过水围堰堰顶安全超高下限值
围堰
形式
围堰级别
Ⅲ
Ⅳ
土石围堰
0.7
0.5
砼围堰
0.4
0..3

土石围堰防渗体顶部在设计洪水静水位以上的超高值：斜墙式防渗体为0.8~0.6m；心墙式防渗体为0.6~0.3m。取防渗体超高值为0.3m。
根据施工组织设计规范规定：无行车要求的堰顶宽度，当堰高在6~10m时，堰顶宽度取3~4m，当堰高>10m时堰顶宽度取5m，本工程考虑到自卸汽车运输土石料与推土机工作等因素，堰顶宽为4.5~5m，堰顶宽取4.5m。取下游面坡度为1：2.0，上游面坡度为1：1.5；围堰心墙的断面是梯形，上部厚度不小于0.8~1.0m，或由施工要求决定，下部厚度不小于1/10水头，且不小于3m。塑性心墙围堰心墙围堰用的粘土及粘壤土，或砂和粘土按比例配合的土料，填筑时做成梯形断面，坡度为1：0.2~1：0.6的陡坡。因此，本工程的心墙顶宽取为1.5m，两边的坡度取为1：0.3。由资料可知，河床的覆盖层厚度取1.5m。
由上游水位计算可知，导流隧洞进口底板高程为1426.00m，按规范要求，导流隧洞进、出口高程选择需要考虑截流、通航、放木要求，以及封堵条件，泥沙淤积或磨损，方便施工等。导流隧洞进高程通常取枯水位以下1.0~1.5m。
上游的水位高程为：1428.33 m
由i=1.5%，L=184. 79m, 所以上、下游导流隧洞的进、出口的高差为：
Δh=i×L=1.5%×184. 79=2.77 m
则导流隧洞的出口高程为：1426.00－2.77=1423.23 m
故上游围堰的堰顶高程由下式决定： Hu=hd＋Z＋ha＋δ
式中 Hu——上游围堰堰顶高程，m；
Z ——上下游水位差，m；
Hu=hd＋Z＋ha＋δ=1423.01＋(1428.33－1423.01)＋0.5
=1423.01+5.32+0.5
=1428.33 m
上游围堰的河底高程为1423.57m，则上游围堰的高度为：
1428.83－1423.57=5.26 m
上游围堰的底宽计算：B= 2×5.26+4.5+1.5×5.26
= 20.28 m
下游围堰心墙底宽计算：b=2×0.3×4.45+2=4.66 m

第三章 隧洞内力及配筋计算
第一节 山岩压力
由于山岩压力是不压隧洞衬砌设计中起决定作用的荷载，因此山岩压力值的计算选定，直接关系到衬砌尺寸是否经济合理。
采用《水工隧洞设计规范》建议的山岩压力计算，对于Ⅲ~Ⅳ类围岩，可以按松动介质平衡理论估算三岩压力。考虑到进出口的地质条件不是很好，属于Ⅲ~Ⅳ类围岩，不能形成压力拱，当洞室埋深度（由衬砌顶部至地面的垂直距离）H小于2倍压力拱高度或小于压力拱跨度的2.5倍。
为了使用设计便于安全，对于不能形成压力拱的岩体，允许按全部岩柱重量（不考虑两侧磨阻力）来计算垂直压力，即采取q=γH 。分别取隧洞进、出口往里15m所对应的覆盖层厚度分别为H1=15.45m，H2=12.49m。按水利电力出版社高昌侠、熊启钧编著《隧洞》表3—2岩石坚固系数及其它力学指标表查得：对于中等坚硬的岩石及坚硬的石灰岩，不坚硬的沙石和石灰岩，软砾岩相应的岩石坚固系数f=4，岩石容重γ=24~28（KN/m3）,取岩石容重γ=26 KN/m3。所以进、出口垂直压力强度为：q1=γH1=26×15.45=401.70KN/m2；
q2=γH2=26×12.49=324.74 KN/m2 。
为了便于计算，取单位长度计算，则进、出口顶部垂直均布荷载Q1=401.70 KN/m
Q2=324.74 KN/m 。为了便于计算，单位的换算关系近似采用Kg=10KN 。故Q1=40.170T/m ，Q2=32.474 T/m 。

第二节 隧洞衬砌内力及配筋计算
采用张校正（新 疆 水 利 厅）改编，黄凯申（新疆兵团水利局）校核Ｇ－１２隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序。
一、程序功能
本程序采用屠规彰等提出的衬砌结构的非线性常微分方程组，应用初参数数值解法，解算隧洞衬砌在水压力、山岩压力及衬砌自重等荷载作用下弹性抗力分布，算出变位和内力，并按水工钢筋混凝土规范进行配筋计算。对于11种隧洞过水断面(参阅附图)，程序将衬砌（左半部）的底板、顶板、边墙、侧底拱、侧顶拱等每部分10等分段，输出每个计算点的轴向力、剪力、弯矩、受压钢筋面积、受拉钢筋面积、抗裂安全系数以及裂缝开展宽度。

轴向力的单位：t ；剪力的单位：t
弯矩的单位：t.m ；
受压钢筋面积的单位:cm2 ；受拉钢筋面积的单位:cm2 ；
裂缝开展宽度的单位:cm

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二、计算原理
参阅《水工隧洞设计规范(SD134－84)》附录七。
配筋计算按照《水工钢筋混凝土设计规范》的公式计算偏心受压和偏心受拉构件。计算中不受最小配筋率的限制，实际采用时，可按照规范规定的最小配筋率或按少筋混凝土计算。
三、使用方法
1、数据准备：参看附图。
A＄ 工程名，如“SUANLI”
A 断面形状编号，参阅附图。
Ky 钢筋砼偏心受压安全系数
K1 钢筋砼偏心受拉安全系数
R# 混凝土标号，如250#应为“250”
Rg 钢筋强度（kg/cm2）
Eg 钢筋弹性模量（kg/cm2）
A 钢筋毛保护层（cm）
D 钢筋直径（cm），用以计算裂缝开展宽度
L1 半跨底宽（m）
H2 侧墙高度（m）
R1 弧形底板半径（m）
R2 侧底拱半径（m）
R4 侧顶拱半径（m）
a1 弧型底板半中心角（角度）
a2 侧底拱中心角（或半中心角）（角度）
a4 侧顶拱中心角（或半中心角）（角度）
D1 底板厚度（m）
D2 侧底拱厚度（第九类断面为侧底拱起点厚度）
D3 侧墙厚度（m）
D4 侧顶拱起点厚度（m）（第一类断面为侧顶拱厚度）
D5 顶板厚度（m）（或侧顶拱终点厚度）
Q4 顶部垂直均布荷载（t/m）
Q3 侧向分布荷载上端点值（t/m）
Q2 侧向分布茶载下端点值（t/m）
Q1 底部垂直均布荷载（t/m）
H0 水压荷载水头值（内压为正）（m）
P 灌浆压力（各边均布法向荷载，外压为正）（m）
Rh 衬砌容重（t/m3）
Eh 衬砌弹性模量（t/m2）
K1 底板、侧底拱部位围岩弹抗系数（t/m3）
K2 侧墙部位围岩弹抗系数（t/m3）
K3 顶板、侧顶拱部位围岩弹抗系数（t/m3）
[注]各类断面形状无某项数据时填0

2、内力符号规定如下：
面向基岩取微分段，图示内力为正

四、算例及计算成果
本程序的算例全部采用陕西省水电设计院马跃堂同志的算例资料，以便于成果比较。经比较误差很小，现计算进出口城门洞形的计算成果。
隧洞进口数据文件为G-12.INT
1.6，2.5，250，3100，2000000，5，2.2，
1.9，3.4，0，0，0，2.39，0，0，60，.4，0，.4，.4，.4，40.17，0，0，0，0，0，2.4，2550000，50000，50000，50000

计算结果文件为G-12.OUT
**********************************************************************
***** 隧洞进口内力及配筋计算书 G-12 *****
**********************************************************************

一. 基 本 数 据

(A= 4 )
Ky= 1.6 KL= 2.5 R#=250 Rg= 3100 Eg= 2000000
a= 5 d= 2.2
L1= 1.9 H2= 3.4 R1= 0 R2= 0 R4= 2.39
a1= 0 a2= 0 a4= 60 D1= .4 D2= 0
D3= .4 D4= .4 D5= .4 Q4= 40.17 Q3= 0
Q2= 0 Q1= 0 Ho= 0 P= 0 rh= 2.4
Eh= 2800000 K1= 50000 K2= 50000 K3= 50000

二. 计 算 结 果:

迭 代 计 算
第 1 次迭代
第 2 次迭代
第 3 次迭代
位 移 状 态
1111111111111111111110000000000
--------------------------------------------------------------------------------
底 板(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽
0 -30.925 0.000 21.382 0.000 26.939 0.456 0.01953
1 -30.925 1.751 21.220 0.000 26.635 0.459 0.01960
2 -30.925 3.991 20.686 0.000 25.642 0.471 0.01982
3 -30.925 7.202 19.641 0.000 23.717 0.495 0.02024
4 -30.925 11.846 17.858 0.000 20.481 0.544 0.02088
5 -30.925 18.355 15.021 0.000 15.460 0.650 0.02194
6 -30.925 27.105 10.741 0.000 8.148 0.941 0.02233
7 -30.925 38.393 4.560 0.000 0.000 3.143 0.00000
8 -30.925 52.394 -4.021 0.000 0.000 4.008 0.00000
9 -30.925 69.115 -15.523 0.000 16.337 0.628 0.02159
10 -30.925 88.331 -30.444 0.000 44.882 0.331 0.01619
-------------------------------------------------------------------------------
侧 墙(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽
0 -88.331 -30.925 -30.444 0.000 34.706 0.374 0.01549
1 -88.005 -29.229 -20.093 0.000 11.704 0.586 0.02193
2 -87.679 -24.341 -10.935 0.000 0.000 1.543 0.00000
3 -87.352 -18.301 -3.675 0.000 0.000 99.999 0.00000
4 -87.026 -12.069 1.486 0.000 0.000 99.999 0.00000
5 -86.700 -5.790 4.526 0.000 0.000 99.999 0.00000
6 -86.374 0.930 5.374 0.000 0.000 99.999 0.00000
7 -86.048 8.743 3.771 0.000 0.000 99.999 0.00000
8 -85.722 18.248 -0.760 0.000 0.000 99.999 0.00000
9 -85.396 29.643 -8.846 0.000 0.000 2.491 0.00000
10 -85.070 42.299 -21.052 0.000 14.287 0.549 0.02249

侧 顶 拱(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽
0 -94.822 -5.903 -21.052 0.000 12.309 0.568 0.02032
1 -88.935 -13.582 -18.432 0.000 8.134 0.656 0.02214
2 -82.144 -18.406 -14.387 0.000 1.793 0.891 0.21925
3 -74.848 -21.425 -9.358 0.000 0.000 1.798 0.00000
4 -67.461 -22.611 -3.802 0.000 0.000 99.999 0.00000
5 -60.389 -22.022 1.826 0.000 0.000 99.999 0.00000
6 -54.012 -19.804 7.098 0.000 0.000 2.245 0.00000
7 -48.669 -16.179 11.634 0.000 5.039 0.961 0.02565
8 -44.640 -11.436 15.113 0.000 12.172 0.686 0.02508
9 -42.136 -5.916 17.300 0.000 16.726 0.585 0.02300
10 -41.287 0.000 18.046 0.000 18.293 0.558 0.02213

隧洞出口数据文件为G-12.INT
1.6，2.5，250，3100，2000000，5，2.2，
1.9，3.4，0，0，0，2.39，0，0，60，.4，0，.4，.4，.4，32.47，0，0，0，0，0，2.4，2550000，50000，50000，50000

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***** 隧洞出口内力及配筋计算书 G-12 *****
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一. 基 本 数 据

算例(A= 4 )
Ky= 1.6 KL= 2.5 R#=250 Rg= 3100 Eg= 2000000
a= 5 d= 2.2
L1= 1.9 H2= 3.4 R1= 0 R2= 0 R4= 2.39
a1= 0 a2= 0 a4= 60 D1= .4 D2= 0
D3= .4 D4= .4 D5= .4 Q4= 32.47 Q3= 0
Q2= 0 Q1= 0 Ho= 0 P= 0 rh= 2.4
Eh= 2800000 K1= 50000 K2= 50000 K3= 50000

二. 计 算 结 果:

迭 代 计 算
第 1 次迭代
第 2 次迭代
第 3 次迭代
位 移 状 态
1111111111111111111110000000000
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底 板(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽
0 -25.351 0.000 17.543 0.000 21.303 0.543 0.02117
1 -25.351 1.437 17.410 0.000 21.066 0.547 0.02121
2 -25.351 3.275 16.972 0.000 20.292 0.561 0.02136
3 -25.351 5.909 16.115 0.000 18.787 0.591 0.02158
4 -25.351 9.719 14.652 0.000 16.246 0.651 0.02165
5 -25.351 15.059 12.325 0.000 12.281 0.781 0.02080
6 -25.351 22.239 8.813 0.000 6.458 1.137 0.02846
7 -25.351 31.500 3.742 0.000 0.000 3.828 0.00000
8 -25.351 42.987 -3.299 0.000 0.000 4.881 0.00000
9 -25.351 56.706 -12.736 0.000 12.974 0.754 0.02091
10 -25.351 72.472 -24.978 0.000 35.060 0.389 0.01816
--------------------------------------------------------------------------------
侧 墙(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽
0 -72.472 -25.351 -24.978 0.000 25.059 0.437 0.01924
1 -72.146 -23.959 -16.493 0.000 8.100 0.701 0.02405
2 -71.820 -19.949 -8.987 0.000 0.000 1.870 0.00000
3 -71.494 -14.995 -3.037 0.000 0.000 99.999 0.00000
4 -71.168 -9.887 1.191 0.000 0.000 99.999 0.00000
5 -70.841 -4.749 3.682 0.000 0.000 99.999 0.00000
6 -70.515 0.740 4.381 0.000 0.000 99.999 0.00000
7 -70.189 7.109 3.080 0.000