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1、第1章 引 言1.1 工程概况柴石滩水库位于中国云南省昆明市宜良县境内，是珠江流域规划中南盘江中下游梯级的龙头水库，距昆明市84km、距宜良县28km。水库控制流域面积4556km2 。混凝土面板堆石坝，最大坝高103m，坝顶长309.8m。坝址处多年平均流量48.4m3 /s，年径流量15.3亿m3 。水库正常蓄水位1640.4m，总库容4.37亿m3 ，有效库容2.55亿m3 ，为多年调节水库。坝后式电厂，装机容量320万kW，最大引用流量111.6m3 /s，设计水头62.2m。 坝址河谷呈V形，两岸地形基本对称，在坝顶高程以下，右岸山坡坡度3037，左岸坡3537。坝段基岩主要为砂岩、
2、页岩、砾岩、白云岩等。 引水发电隧洞布置在大坝左岸山体内，主副厂房及升压站布置在大坝左岸下游坝脚处。引水发电系统的主要建筑物包括：进口明渠、进水塔、隧洞、岔道、主副厂房及升压站等。引水隧洞长377m，洞径6.4m，底坡i=0.01。地震基本烈度6.5度。 柴石滩水库混凝土面板堆石坝是目前我国在建的100m以上高面板坝之一。1.2 设计范围本设计范围，包含从隧洞进口开始到压力钢管末端处止。设计内容，包含设计参数选择、隧洞总体设计、水力设计、一次支护设计、不良地质洞段处理、细部设计、施工技术要求及其他辅助设施设计。1.3 设计主要思想设定本引水隧洞埋深较大，所经过的大部分地段围岩地质条件较好。但因
3、隧洞穿越地层多，沿线工程地质条件、水文地质条件复杂，且不易搞清。目前地下结构设计理论尚不完善，要用多种理论和方法进行分析计算。充分考虑隧洞沿线的复杂地质条件，特别是不良地质洞段，针对不同地质条件，作出合理的设计。设计中应详细地对各种条件下的围岩稳定进行分析，注重围岩的加固，采用新奥法(NATM法)施工，充分发挥围岩的承载能力，做到简化衬砌结构，加快施工进度，缩短工期，降低工程造价。第2章 设计基本资料2.1 综合利用要求柴石滩水库具有灌溉、发电、防洪、工业用水及生态环境保护等综合效益。2.2 工程等级与建筑物级别本工程水库总库容4.37亿m3，装机容量320万kw，按水电枢纽工程等级划分及设计
4、安全标准(DJ180-2003)规定，枢纽工程等别为等，工程规模为大（2）型，发电(或引水)隧洞为本工程之主要建筑物，应按2级建筑物设计。2.3 工程地质水文资料本隧洞区属亚热带高原季风气候区，雨量充沛，年平均降雨量在 1100 毫米左右，流域面积广阔，水资源、矿产资源、植物资源十分丰富。冬暖夏凉，干湿季节分明的特点。流域多年平均降水量921.1mm,而510月的汛期降水量达798.2mm，占全年降水的86.7%。流域多年平均径流深338.2mm,年径流系数为0.37。地形地质条件优越，淹没损失较小，坝址区为横向谷，坝段长550m，河道平直，河道流向S50oE，河底高程1551556m，比降0
5、.2%河谷呈“V”形，两岸地形基本对称，右岸坡稍内凹，在坝顶高程1648.8m以下地形坡度为30o70o，坡面较平整，以上为40o60o，坡面起伏较大，并有坡壁相间，局部还有小陡壁，坝顶以上坡度为40o50o。坝区的地层有前震旦系牛头山组（Ptn）、上震旦系南沱组（Zbn）、陡山组（Zdb）和灯影组（Zdbn）为一套以碎屑岩为主和上部碳酸盐岩沉积岩系, 坝基大部分置于Ptn 、Zbn、Zdb和 和Zdbn厚达数百米的石英砂岩、冰积砾岩、粉砂岩、页岩及硅质白云岩之上，, 两坝肩局部置于Zdbn粘板岩、砂质白云岩上。坝基弱风化岩体除个别页岩层及特殊构造带湿抗压强度小于25MPa外,其余均大于50M
6、Pa， 均能满足强度要求。坝基河床冲积层厚58 m，为砂卵石及漂石。2.4 水位及引用流量 (1) 水库水位水库正常蓄水位：1640.4m；水库死水位(最低)：1605.0m； (2) 引用流量本引水系统最大引用流量111.6m3/s；(3) 特征水头设计水头（计算水头）62.2m；最大水头76.42m；最小水头48.4m；加权平均水头58.24m；坝趾高程为：1543.2m。2.5 地震烈度(1) 基本地震烈度：6.5度；(2) 设计地震烈度：6.5度。第3章 隧洞布置与洞径复核与优化3.1 隧洞布置根据地形地质条件结合枢纽总体布置，引水系统布置在左岸山体内，由进水口、引水隧洞以及压力管道组
7、成。引水系统轴线按垂直、侧向埋深符合规范要求的条件下，力求是轴线最短的原则确定。根据枢纽总体布置，在左岸山体处布置电站引水隧洞进水口。进水口底版高程根据水库1605.00m的死水位以及淹没深度、泥沙淤积等确定为1594.00m。由于最大引用流量为111.6m3/s，为了降低洞内流速，减少水头损失，避免设置调压井，降低工程造价，加快施工进度，电站采用单管集中方式供水，压力钢管之后设置分叉管，并在每台机组之前设置事故阀门，以保证任意一台机组检修或发生事故时不致影响其他机组运行。引水隧洞从控制点A1开始，与坝轴线成90角延伸到控制点A2，然后右转60角，继续向前延伸到控制点B1。每次转弯半径均为32
8、m。详见平面布置图。3.2 隧洞围岩的覆盖厚度3.2.1 隧洞围岩的最小覆盖厚度水轮机蜗壳轴线高程为1533.51m，进水口高程为1594.00m，死水位1605.00m按照抗抬理论规定，不衬砌有压隧洞的最小覆盖厚度，一般按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定(图1)。即D Pgw K /(gRcos) (3.1)式中：gR 岩体的重度，gR =g=2.69.81=25506 N/m3；gw水的重度，gw=9800 N/m3K 安全系数，取1.30； P 内水压力，为隧道计算点高程与死水位高程之差与动水压力之和，取P=1605+0u2/(2g)，隧洞水流速取u=3.50m/s，0=1.0
9、，P=1605.6；山边坡角，因引水隧洞基本与河道平行，故取0；D 围岩覆盖厚度。代入计算有D0.48P1）洞身前端与进口渐变段衔接处P=11.6m，按式（3-1）有D=5.6 m；2)洞身斜井段 P=1605.6-，3)洞身平洞段，P=1605.6-1533.51=72.09m。3.3 隧洞断面尺寸选择3.3.1 形状与尺寸选择原则隧洞断面形状选择应考虑的主要因素有：隧洞流态、流速、地质条件、地应力情况、围岩加固形式及施工方法等。应综合考虑，并通过技术经济比较确定。(1)有压隧洞多采用圆形断面，地质条件差时宜选用圆形或者马蹄形；无压隧洞宜采用圆拱直墙断面。流速大小对断面形态有重要影响，流速控
10、制流速水头损失，按引水要求采用3.5m/s的流速。有压隧洞的过水能力仅取决于洞全长的水头损失,而与洞的纵坡无关,与洞的埋深即洞在上游水位下的深度无关.通常，为了见效隧洞的内水压力荷载值,有压隧洞洞线应尽量抬高,但是必须保证在任何工作条件下，或非恒定流的情况,洞顶处的水压力值不得小于1.52.0m.(2) 地质和地应力条件，主要涉及围岩稳定问题。地质条件差时，选用大断面，围岩稳定可能无保障，这时需要选用两条或两条以上小断面隧洞代替。在高地应力地区的隧洞，断面高宽比，应与地应力条件相适应。若水平地应力大于垂直地应力时，可采用高度小而宽度较大的断面；若垂直地应力大于水平地应力时，可采用高度大而宽度小
11、的断面。(3) 从围岩受力条件考虑，曲线形边界受力条件较好，直墙式受力条件较差。对施工而言，直墙、平底有利于开挖出渣和衬砌。应根据实际情况选择。3.3.2 横断面选择一般情况下，有压水工隧洞横断面形状宜选用圆形或马蹄形，在地质条件差时，更是如此。进出口和渐变段等洞段可采用方形或矩形。本工程采用有压隧洞引水，地质条件一般，侧向应力不大，采用圆形断面。便于采用钻岩机开挖，加快施工进度；水力特性好，同样的断面，具有最大的过水能力；有内外压力作用下，受力条件最好。3.3.3 隧洞横断面尺寸的经济比较隧洞横断面尺寸的确定，关系到隧洞的造价和工程效益。隧洞长达377m，其投资占整个工程投资的比重比较大。因
12、此，用动能经济分析来确定其断面尺寸。根据工程的特点，用综合分析法分析：根据各隧洞断面尺寸方案的经济、技术指标的优劣程度，进行综合分析而确定方案。首先由动能经济计算初步确定隧洞断面尺寸，所用公式和计算成果如下：1) 彭德舒公式 (3.3)代入计算有D=5.3m2) 经验公式 (3.4)或 (3.5)代入计算分别有D =5.0m以及D =6.0m3) 理论计算公式 (3.6)代入计算得D=4.71m由此初步确定断面直径为6.0m，对应的流速为=3.94m/s 按隧洞整体取值，初步取=3.5m/s，此时计算断面为=6.4m3.4 隧洞纵坡设计隧洞纵坡设计中主要考虑了以下因素：(1) 隧洞进出口满足进
13、出口水力学要求；(2) 隧洞纵坡应满足施工要求，底坡控制在0.5%1%以内，便于施工期和检修期排水及施工机械运行；(3) 隧洞纵坡不宜在隧洞中部向上凸，以免中部压坡线不满足要求；(4) 隧洞进口高程1594.0m，出口(末端)高程1533.51m。除去坝内埋管段，初步取隧洞纵坡i=1%。其中靠近坝内管段，因断裂破碎带发育，采用斜井，坡度为1:1.7，转向平洞段转弯半径为32m。第4章 进水口设计4.1 进水口布置设计电站进水口为深式进水口，受地形及断层的限制，进水口布置只能在小范围内选择，以下对进水口布置型式进行三种方案的比较。图1中采用拦污栅与竖井分设的布置型式，其间用交通桥相接。此布置方式
14、开挖工程量较小，边坡开挖高度也不大。但拦污栅塔结构抗震性能差；还需在拦污栅与竖井间，竖井与公路间设交通桥，为满足运输要求，交通桥建筑级别较高。总之，整个布置不紧凑。图2中的布置方式，整体稳定及抗震性能最好，开挖工程量最大，同时不可避免的存在高边坡的处理问题。进水塔置于震旦系南沱组（zbn）页岩上，高边坡处理工程量大，若处理不还对今后的工程运行将产生极为不利的影响。图3中采用拦污栅塔与闸门井相结合的布置型式，整体性好，可避免高边坡处理问题。与图2相比较，开挖工程量小，塔基可置于上震旦系南沱组（zbn）页岩上。岩石完整，地基承载能力满足进水塔基础承载力的要求。但结构的抗震性能相对较差，鉴于国内其他已建工程的经验，综合权衡，选定进水口的布置型式为图3所示。但必须对进水塔结构作详细的动力分析，进一步论证进水塔的抗震性能，同时还需采取相应的抗震措施。4.2 进水口体型设计4.2.1进口高程选择有压进水口应低于水库运行中可能出现的最低水位（死水位），并有一定的淹没深度，以避免出现漏斗状吸气漩涡，并防止有压引水隧洞内出现负压，同时有压进水口的底部高程应高于设计淤泥高程。初步设计确定的水库死水位为1605.0m，进水口高程适当低一些，在特殊干旱年份可利用水量就会多些。根据已建工程的原型观测分析表明，不出现吸气漩涡的临界淹没深度可按下面的戈登（J.L.Gordon）经验公式估算。
