水利水电工程专业论文;水库灌溉工程隧洞设计.doc

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1、毕业设计说明书 题 目： 青海省李家峡水库灌溉工程隧洞设计 姓 名： 学 号： 0903105015 指 导 教 师： 专 业 年 级： 2009级水利水电工程专业所在学院和系： 水利电力学院完 成 日 期： 2013-6-6 答 辩 日 期： 2013-6-13 青海省李家峡水库灌溉工程隧洞设计摘要该次设计是水利水电专业最终设计，其目的在于考察学生在四年的大学学习中对水工的基本知识、专业知识的掌握和对书本知识的实际应用，同时也考察了学生实际的计算能力和思考能力，也在相关软件的实际应用方面进行了考察。设计计算说明书共分为五章。第一章，绪论。第二章，设计依据和规范。第三章，设计基本资料。第四章，

2、灌溉制度及干支流量计算。第五章，隧洞设计。李家峡水库灌区位于青海省化隆县回族自治县及尖扎县境内，地理坐标介于东经1014810205，北纬36073550，为黄河干流南北两岸河谷阶地及部分浅山坡地。李家峡水库灌溉工程，是利用李家峡水库抬高水位和黄河丰富的水资源条件，从大坝预留农灌孔引水，为黄河两岸农业灌溉提供水源保证，促进灌区种植结构调整，农民脱贫致富奔小康，提高灌区环境生态质量。关键词：隧洞，马蹄形断面，李家峡水库ABSTRCTThe design of water conservancy and hydropower major final design, its purpose is t

3、o investigate students in the four years of university study, basic knowledge of hydraulic professional knowledge and practical application of book knowledge, but also the students practical calculation ability and thinking ability, but also practical applications in software. Investigation.Design c

4、alculation manual is divided into five chapters. The first chapter, introduction. The second chapter, the design basis and norms. The third chapter, the basic design data. The fourth chapter, the irrigation system and the heavenly stems and Earthly Branches flow calculation. The fifth chapter, the d

5、esign of tunnels.Lijiaxia reservoir irrigation area is located in the territory of Qinghai Province, Longhua Hui Autonomous County and Jianzha County, geographic coordinates between east longitude 101 48 - 102 05, north latitude 36 07 - 35 50, as the the Yellow River River Valley terrace and part of

6、 the North-South cross-strait mountain slope. Irrigation projects in Lijiaxia reservoir, is the use of raising water level Lijiaxia reservoir and the Yellow River is rich in water resources, agricultural irrigation water from the dam reserved holes, provide water for agricultural irrigation area on

7、both sides of the Yellow River, promote the adjustment of planting structure, a farmer to take off deficient to become rich go straight towards well-off, improve the ecological environment quality of irrigation districtKeywords: tunnel, horseshoe section, Lijiaxia reservoir目录第1章 绪论1第2章 设计依据文件和规范22.1

8、 有关本工程的文件22.2 主要设计规范2第3章 设计基本资料33.1 工程区地理位置33.2 灌区自然条件33.2.1 地形、地貌33.2.2 水文、气象33.2.3 地质条件33.3 隧洞设计基本资料43.3.1 隧洞基本设计资料43.3.2 气象资料43.3.3 地质资料63.3.4 隧洞级别6第4章 灌溉制度及干支流量计算74.1 灌溉制度调整74.2 流量表的计算10第5章 隧洞设计165.1 水力计算165.1.1 基本资料165.1.2 断面型式165.1.3 洞身断面尺寸计算165.2 渐变段设计185.3 荷载计算195.3.1 设计荷载195.3.2 山岩压力195.3.3

9、 岩石弹性抗力215.3.4 地震荷载215.3.5 渗透压力215.4 隧洞衬砌计算225.4.1 基本数据225.4.2 计算225.4 钢筋混凝土配筋计算265.4.1 基本数据265.4.2 横断面配筋计算275.4.3 纵筋的计算295.4.4 正常使用极限状态验算305.4.5 腰筋及拉筋的配置计算315.6 进出口结构计算315.6.1 计算荷载与衬砌厚度315.7 进出口配筋计算335.7.1 基本数据335.7.2 横断面配筋计算345.7.3 纵筋的计算365.7.4 正常使用极限状态验算385.7.5 腰筋及拉筋的配置计算395.8 构件支护确定395.8.1 衬砌设计3

10、95.8.2 钢衬设计405.9 隧洞的基础和稳定验算41第6章 结论42致谢43参考资料44附录45第1章 绪论第1章 绪论灌区土地面积规划： 李家峡水库灌区面积:规划灌溉面积9.96万亩,其中北干渠灌区灌溉面积6.13万亩，南干渠灌区灌溉面积3.83万亩。李家峡水库灌区面积:规划灌溉面积9.96万亩，其中北干灌溉面积6.13万亩，南干灌溉面积3.83万亩。灌区总改善灌溉面积8.96万亩，扩大灌溉面积1.0万亩，其中北岸改善灌溉面积5.81万亩，扩大灌溉面积0.32万亩；南岸改善灌溉面积3.15万亩，扩大灌溉面积0.68万亩。其中改善自流3.4522万亩，提灌改自流3.8349万亩，新增自流

11、0.9995万亩。工程建成后自流灌溉面积由现状的2.3万亩增加到8.29万亩，提灌面积由现状的6.66万亩减少到1.67万亩。灌区工程总体布置 最大限度结合原有老渠系进行规划布置。根据实际地形地质条件、规划干渠线以下进行自流灌溉。根据工程投资及效益确定干渠线路长度，其中南干长16.732km,北干长30.515km。由地形地质条件，设计流量等确定支渠及斗农渠道的比降、衬砌方式，渠道布置以挖方为主，尽量避免高填方及高边坡渠道，以利于引水安全、运行可靠。第2章 设计依据文件和规范2.1 有关本工程的文件李家峡水库灌溉工程设计依据为: 青海省关于李家峡水库灌溉工程预可行性研究报告(代项目建议书审查意

12、见的请示文件(青计农2000601号) ；李家峡水库灌溉工程预可行性研究报告(代项目建议书（青海省水电设计研究院编制）；李家峡水库灌溉工程可行性研究报告（2010.2） 国家及青海省颁布的有关设计规范及技术文件等。 2008年3月青海省利用外资发展水利项目领导小组办公室委托开展该项目的可行性研究工作，该项目是亚洲银行贷款项目。2010年2月,完成可研报告编写及报批,在可研的基础上经过大量修改和完善，满足初设阶段的要求。2.2 主要设计规范灌溉与排水工程设计规范【GB0288-99】；工程建设标准强制性条文【水利工程部分】；水工混凝土结构设计规范【SL191-2008】；水工建筑物荷载设计规范【

13、DL5077-1997】；水闸设计规范【SL63-2001】；水工隧洞设计规范【SL279-2002】；41水利电力学院第3章 设计基本资料第3章 设计基本资料3.1 工程区地理位置李家峡水电站是我国己建成的国家重点建设项目之一,总装机200万kw,水库大坝高165m，设计库容16.5 108m3,正常设计水位2180m,设计死水位2178m,消落深度2m。电站的主要任务是发电兼顾灌溉及供水。根据水电站工程建设规划，在己建成的水库坝体左右两坝端2170m 高程处各分别预留有一农灌孔，南北岸农灌孔放水流量分别是12.0m3/s和8.0m3/s，从农灌孔引水以满足下游灌溉用水。李家峡水库灌区位于青

14、海省化隆县回族自治县及尖扎县境内，地理坐标介于东经1014810205，北纬36073550，为黄河干流南北两岸河谷阶地及部分浅山坡地。李家峡水库灌溉工程，是利用李家峡水库抬高水位和黄河丰富的水资源条件，从大坝预留农灌孔引水，为黄河两岸农业灌溉提供水源保证，促进灌区种植结构调整，农民脱贫致富奔小康，提高灌区环境生态质量。3.2 灌区自然条件 3.2.1 地形、地貌 项目区位于青藏高原东部，地处日月山晚元隆起带内，在内外营力的长期相互作用下，形成了河谷、丘陵、山脉相间的地貌景观，按地貌的成因类型和形态特征，将项目区划分为构造侵蚀中山、构造侵蚀丘陵、山前洪积平原及河谷冲（洪）积带状平原等基本类型。

15、3.2.2 水文、气象 项目区具有典型大陆气候，冬季长夏秋短，日夜温差较大，且年内分配不均，春旱或春夏连旱是项目区危害农作物生长的主要自然灾害之一。项目区气候干燥，降水量较少。据尖扎县气象站资料统计多年平均降水量331mm，其中69月的降水量占全年降水量的70%左右，蒸发能力1881mm（20cm口径蒸发器），多年平均气温7.8，最大风速16m/s。项目区内水系除了黄河干流由西北向东南流经灌区外，在干流南北两岸各分布7条黄河一级支流，多属于季节性河流。3.2.3 地质条件 区域地质概况 工程区位于祁吕贺兰“山”字型构造体系，孤形褶皱带西翼前孤的日月山晚元隆起带和松潘甘孜地槽褶皱带内，日月山晚元

16、隆起带主要由震旦系青石坡组：千枚岩、千枚状泥质结晶灰岩、变余凝灰质砂岩及寒武系中基中性溶岩、火山碎屑岩组成，沿隆起带北西及东西向逆断层较发育，如窖洞村石壁沿大断裂、巴汗村头淌河大断裂、野牛山扎马山大断裂等，长40-100km以上，拉脊山其南南东向分支扎马山构成了化隆、贵德盆地之分界。扎马山为前震旦系片岩、片麻岩及三迭系砂岩、板岩组成，走向320左右,逆断层较发育,有德洪尕让断层:长360km,走向320,倾角50-70,以上断裂及断层距工作区较远,对工程区没有影响,该地层为中新生界所形成，断裂不发育。区内据历史记载，无仪器记录（373-1900年），发生过一次地震，震级Mb=5(3/4)。根据

17、国家质量技术监督局2001年2月2日发布的中国地震动峰值加速度区划图工程区地震动峰值加速度为0.10g（对应的地震基本烈度为度），根据中国地震动反应谱特征周期区划图，工程区地震动反应谱特征周期为0.45s。工程区地下水的形成、赋存、分布规律受地质构造、地层岩性、地貌、气象及水文诸多因素的控制。现按地质构造、地形地貌、地层岩性将工程区地下水可划分为高山基岩裂隙水、河（沟）谷第四系冲积、冲洪积漂卵砾石层孔隙潜水。 南北干渠工程地质条件 南北干渠沿线工程地质条件基本相似,根据不同地质条件分别划分为坚硬岩石类渠段、软弱岩石类渠段、黄土段渠段、漂砾卵石渠段、填方渠段五种类型。南北两条干渠存在的主要问题有

18、黄土湿陷性；第三系粘土岩的膨胀性；滑坡的稳定性。黄土大部分为中等压缩、中等强湿陷性土，所以渠道必须进行湿陷及防渗处理；按滑坡产生地段的岩石条件差异可分为以下几种滑坡面产生于黄土或黄土状土中；滑坡面产生黄土或黄土状与第三系岩层接触面上；滑坡面产生于第三系岩层之中。老滑坡已基本稳定，新滑坡稳定性差，随时有滑动的可能；第三系粘土岩的膨胀性，该粘土岩为强膨胀岩，粘土岩的天然密度非常高，天然含水率低，因此压缩性小，抗剪强度高,但遇水后，具有极大的膨胀性，对建筑物结构稳定会造成极大威胁。 天然建筑材料李家峡灌区所需天然建筑材料有砼粗细骨料；填方料；块石料。砼粗细骨料主要分布于渠道沿线的黄河高阶地及各大冲沟

19、及黄河漫滩上，料场开采、运输、储量方便，除细骨料含泥量偏高需洗泥处理外,其它各项指标均满足规范要求；块石料可以从各大冲沟、黄河阶地及漫滩的漂卵砾石层中选取，成份以花岗岩、花岗闪长岩、片岩、石英岩及片麻岩为主，抗压强度大于500kg/cm2，干密度大于2.4 g/cm3，其质量及储量满足要求，但运距变化大,0.3-4.0 km；渠道所需填方料，可以就地取材。渠道沿线的黄土状亚沙土、碎石土、砂砾卵石及第三系泥岩加砂砾岩强风化层均可作为填方料，储量丰富。3.3 隧洞设计基本资料3.3.1 隧洞基本设计资料本隧洞为李家峡水库灌溉工程南干5隧洞，隧洞设计流量1.55 m3/s,加大流量为2.0m3/s，

20、据隧洞布置基本要求，隧洞长度最短，进出口起点争取落在围岩稳定地质条件良好基础上。进出口与上下游渠道连接顺畅，确定隧洞长度1120米。隧洞上、下游为矩形钢筋混凝土渠道，渠道宽1.6米，渠道高.85米，渠道比降1/1500，渠道设计水深0.93米，加大水深1.12米。上游渠道末端高程2155.01米，下游渠道始端高程2154.26米。3.3.2 气象资料表3-1 气象资料项目单位一二三四五六七八九十十一十二全年平均气温-6.15-2.553.8910.414.217.119.618.8148.270.8-4.877.77各月平均最高气温2.735.8410.218.421.424.126.125.

21、321.115.48.458.1715.1各月平均最低气温-12.5-8.52-1.953.87.8110.61313.19.375.74-4.67-10.81.85绝对最高气温11.117.624.529.630.134.334.534.233.526.919.211.434.5绝对最低气温-19.8-18.5-12.6-10.3-0.417.46.80.8-7.9-14.2-17.8-19.8平均相对适度%38.53841.941.549.655.561.160.864.257.549.242.750.1月总蒸发量mm50.181.6168.5243.7254.5238.5247.4235

22、.2151.7123.274.947.41881月降水量（平均）mm0.371.723.9818.936.642.980.582.847.721.93.610.45331月降水量（最大）Mm1.66.420.73588.482.316514199.355.410.21.9月降水量（最小）mm0002.46.721.338.234.65.42.300各月0.1mm日数日数1.162.4835.2410.111.514.212.111.66.231.250.4949.3各月5.0mm日数日数000.020.822.443.75.44.772.951.450.11022各月10mm日数日数0000.

23、290.751.262.532.71.190.59009.32各月25mm日数日数00000.10.190.320.640.110001.35历年最大积雪深度cm1356000003426最大风速m/s910.31515161312.311.311.3101011.716各月平均风速m/s1.442.042.32.32.081.781.761.821.681.711.551.171.8最多风向WWSSSESESSESESSESWWWWSSESSESSSESESSSE3.3.3 地质资料5#隧洞围岩粘土岩为贵德组桔黄色砂砾岩、砂岩及粘土岩夹泥灰岩，岩层产状NW330NE7。隧洞洞线与粘土岩夹角为

24、23。隧洞地下水活动轻微，局部粘土岩在洞进出口处5-10m范围内卸荷裂隙发育，岩体较破碎，为强风化层，岩体呈碎裂-块状结构，属类围岩。弱风化岩体及微风化岩体较完整，节理裂隙以层面为主，岩体呈层状结构，属类围岩。类围岩隧洞自稳时间较短，顶拱会产生坍塌，局部边墙也可能会产生坍塌，隧洞长时间裸露会产生较大的变形，开挖后需及时全断面支护。类围岩稳定性差，难于自稳，开挖需边挖边支或超前支护。类围岩岩石坚固系数f=2-4，围岩单位弹性抗力系数Ko=2-4MPa/cm，临时支护以喷锚为主，必要时可设钢拱架，类围岩坚固系数f=1-2，围岩单位弹性抗力系数Ko1MPa/cm，需边开挖边衬砌，全断面衬砌。最大冻土

25、深1.8米，地震烈度度。3.3.4 隧洞级别隧洞级别为4级。第4章 灌溉制度及干支流量计算第4章 灌溉制度及干支流量计算4.1 灌溉制度调整根据定义，灌溉定额是作物全生育期各次灌水定额之和，可得灌溉定额一栏的值；查书灌溉排水工程学得公式 （4-1）其中，第i种作物第k次灌水的灌水率；第i种作物的种植比例，其值为该作物的灌溉面积与灌区灌溉面积之比； 第i种作物第k次灌水的灌水定额（）；第i种作物第k次灌水的灌水延续时间（d）。代入公式，可得冬小麦第一次灌溉的净灌水率 ，第二次灌溉的净灌水率，第三次灌溉的净灌水率，同理可得其余的净灌水率；净灌溉定额 （4-2）其中为第i种作物第k次灌水的灌水持续时

26、间，单位s，可得：= （4-3）=(3.0096+1.5048+1.504+1.157+0.9262)=8.1016=70.0,同理，可计算得出其余的净灌溉定额；根据以上说明，可得灌溉制度表如下： 表4-1 南北干渠规划灌溉制度表南北干渠规划灌溉制度表（P=75%）作物名称种植比例灌溉定额(m3/亩)灌水次数灌水定额(m3/亩)灌水日期 (日/月)净灌水率(m3/s/万亩)净灌溉定额(m3/亩)起止天数粮食作物冬小麦20%3501659月15日9月25日11 0.136870.0 26511月10日11月20日11 0.13683653月13日3月24日12 0.12544654月10日4月2

27、5日16 0.09405504月26日5月5日10 0.11576405月21日5月31日11 0.0842春小麦19%2551653月13日3月24日12 0.119148.5 2654月1日4月9日9 0.15883655月6日5月20日15 0.09534606月1日6月10日10 0.1319经 济 作 物豆类3%2201654月1日4月9日9 0.02516.6 2554月26日5月5日10 0.01913505月21日5月31日11 0.01584507月15日7月25日11 0.0158药材 3%1101504月26日5月5日10 0.01743.3 2605月21日5月31日1

28、1 0.0189马铃薯2%2301654月1日4月9日9 0.01674.6 2654月26日5月5日10 0.01503505月21日5月31日11 0.01054506月1日6月10日10 0.0116油菜10%2201503月25日3月31日7 0.082722.0 2604月10日4月25日16 0.04343605月6日5月20日15 0.04634505月21日5月31日11 0.0526蔬菜12%4351602月11日2月16日6 0.138952.2 2603月13日3月24日12 0.06943603月25日3月31日7 0.11904704月10日4月25日16 0.060

29、85705月6日5月20日15 0.06486606月1日6月10日10 0.08337557月15日7月25日11 0.0694复种萝卜、青饲料等20%851457月26日8月2日8 0.130217.0 2409月15日9月25日11 0.0842林 业经济林16%2701402月11日2月16日6 0.123543.2 2554月1日4月9日9 0.11323504月26日5月5日11 0.08424455月21日5月31日11 0.07585407月15日7月25日11 0.06736407月26日8月2日8 0.0926生态林15%2451453月25日3月31日7 0.111636

30、.8 2554月10日4月25日16 0.05973455月6日5月20日15 0.05214457月15日7月25日11 0.071055511月10日11月20日11 0.0868合计120%绘制图表如下：图4-1 南北干渠规划灌溉制度表4.2 流量表的计算设计灌水率取净灌水率的最大值0.3200.取灌溉水利用系数取0.618，支渠水利用系数取0.690。 干渠流量的设计是根据各支渠续灌设计流量的总和，续灌渠道流量设计按照灌溉与排水工程设计规范中的公式计算确定。 （4-4）Q续灌渠道的设计流量（m3/s）；q设计灌水率（m3/s万亩）；A该渠道灌溉面积（万亩）；渠道至田间的综合灌溉水利用系

31、数； （4-5） （4-6）通过渠系配套，田间配套工程，田间实施节水灌溉技术，根据规范和当地的其它灌区类比计算确定；干=支=斗=农=田=0.90。支渠设计流量按（4-5）计算，代入数据可得1#支渠设计流量。同理可计算出其余的支渠设计流量，结果如下表。干渠设计流量计算按由下往上的顺序计算：预留水量的干渠设计流量 （4-7） （4-8）同理，可计算出其余的干渠设计流量，结果如下表。干渠设计分段流量取本分段设计流量的最大值。干渠加大流量=干渠设计分段流量加大系数（加大系数取1.3）。干渠分段加大流量取本分段干渠加大流量的最大值。最终计算结果见下表： 表4-2 李家峡南干渠流量计算表李家峡南干支渠流量

32、计算表支渠编号桩号面积（亩） 净灌水率(m3/s/万亩)灌溉水利用系数支渠水利用系数支渠设计流量（m3/s）干渠水利用系数干渠设计流量（m3/s）干渠设计分段流量(m3/s）干渠加大流量（m3/s）干渠分段加大流量（m3/s）1#支渠2+777.05767.30 0.3200 0.618 0.690 0.04 0.90 2.59 2.59 3.37 3.37 2#支渠4+685.472027.63 0.3200 0.618 0.690 0.09 0.90 2.55 3.32 3#支渠5+024.302472.44 0.3200 0.618 0.690 0.11 0.90 2.45 3.18 1

33、#提灌5+024.306211.98 0.3200 0.618 0.690 0.29 0.90 2.32 3.01 4#支渠5+958.991409.20 0.3200 0.618 0.690 0.07 0.90 2.00 2.60 5#支渠6+726.642032.23 0.3200 0.618 0.690 0.09 0.90 1.93 2.50 6#支渠7+084.552060.68 0.3200 0.618 0.690 0.10 0.90 1.82 2.37 7#支渠7+895.23957.57 0.3200 0.618 0.690 0.04 0.90 1.72 1.72 2.23 2.

34、23 8#支渠8+282.4698.37 0.3200 0.618 0.690 0.00 0.90 1.67 2.17 9#支渠9+524.5287.13 0.3200 0.618 0.690 0.00 0.90 1.66 2.16 10#支渠10+043.341708.97 0.3200 0.618 0.690 0.08 0.90 1.66 2.15 11#支渠10+373.5035.61 0.3200 0.618 0.690 0.00 0.90 1.57 2.04 提灌10+571.60888.40 0.3200 0.618 0.690 0.04 0.90 1.57 2.04 12#支渠1

35、0+784.19651.13 0.3200 0.618 0.690 0.03 0.90 1.52 1.98 13#支渠11+297.64731.37 0.3200 0.618 0.690 0.03 0.90 1.49 1.93 14#支渠12+577.191331.99 0.3200 0.618 0.690 0.06 0.90 1.45 1.88 15#支渠13+417.061503.08 0.3200 0.618 0.690 0.07 0.90 1.38 1.38 1.80 1.80 16#支渠14+180.931002.87 0.3200 0.618 0.690 0.05 0.90 1.3

36、0 1.69 17#支渠15+392.231224.85 0.3200 0.618 0.690 0.06 0.90 1.25 1.63 18#支渠15+699.111836.00 0.3200 0.618 0.690 0.09 0.90 1.19 1.55 3#提灌15+798.211559.04 0.3200 0.618 0.690 0.07 0.90 1.09 1.42 19#支渠16+023.901091.40 0.3200 0.618 0.690 0.05 0.90 1.01 1.01 1.32 1.32 20#支渠16+422.572100.13 0.3200 0.618 0.690

37、 0.10 0.90 0.96 1.24 分干17+012.882225.13 0.3200 0.618 0.690 0.10 0.90 0.85 1.10 分干提灌4+0092254.66 0.3200 0.618 0.690 0.10 0.90 0.73 0.95 预留水量12000.000.3200 0.618 0.690 0.56 0.90 0.62 0.80 合计50269.16设计流量加大系数加大流量2.59 1.30 3.37 北干支渠的流量计算方法跟上述南干支渠的流量计算方法一致，其结果见下表： 表4-3李家峡北干渠流量计算表李家峡北干支渠流量计算表支渠编号桩号面积（亩） 净灌

38、水率(m3/s/万亩)灌溉水利用系数支渠水利用系数支渠设计流量（m3/s）支渠水利用系数干渠设计流量（m3/s）干渠分段设计流量（m3/s）干渠加大流量（m3/s）干渠分段加大流量（m3/s）1#支渠6+523.111187.06 0.3200 0.618 0.750 0.05 0.90 2.91 2.91 3.78 3.78 2#支渠6+892.21397.38 0.3200 0.618 0.750 0.02 0.90 2.85 3.71 3#支渠7+191.53748.35 0.3200 0.618 0.750 0.03 0.90 2.83 3.68 4#支渠7+355.28285.58 0.3200 0.618 0.750 0.01 0.90 2.80 3.64 1#提灌7+568.97105.96 0.3200 0.618 0.750 0.00 0.90 2.78 3.62 5#支渠7+632.521876.03 0.3200 0.618 0.750 0.08 0.90 2.78 3.61 6#支渠10+826.291989.09 0.3200 0.618 0.750 0.08 0.90 2.69 3.50 7#支渠12+126.381150.76 0.3200 0.618 0.750 0.05 0.90