马边芭蕉溪水电站引水隧洞及渠道设计信息与工程技术学院农业水利工程专业邓招贵（指导教师：张顺芳工程师）摘要本文是无压引水式水电站引水隧洞及渠道的设计报告，主要包括断面设计和结构设计两大部分。

主要任务是根据已定的流量来选定隧洞和渠道的断面尺寸、糙率、纵坡、水深。

设计按照一定的程序，根据相关的地形、地貌、地质、水文等原始资料和大量的设计规范，运用工程类比法、方案比较法和试算法，在同时满足防冲、防淤及施工、技术方面要求的基础上，以明渠恒定流理论作为隧洞、渠道水力设计的基本依据，拟定几个可能的方案，经过技术经济比较，选定经济、安全、美观，便于施工的最优设计方案。

最终确定隧洞的断面为圆拱直墙式，拱顶中心角为120o，渠道为矩形断面，均采用底坡1/500，糙率0.017，底宽1.4m的矩形过水断面。

在结构设计中，从安全、经济以及便于施工的角度出发，采用浆砌块石找平,混凝土抹面，取得很好效果。

关键词糙率；水力半径；水头损失The Design of Diversion Tunneland Channel of MaBian Power StationAbstract This article is about the design of diversion tunnel and channel of diversion type hydropower station. It includes two major parts of the section design and structural design mainly. Design according to certain procedure，according to such firsthand information as relevant topography, landform , geology , hydrology ,etc. and a large number of design specifications, use the analogy law of the project , scheme comparative law and try algorithms, on the basis of meeting to defending washing, defending the silt, specification requirement。

Via more technical more economic comparison, choose optimum design scheme eventually, the section of tunnel is round arch straight wall type, vault central angle is 120, the cross section of channel is rectangle. The cross section of flow of them is rectangle. Its base slope is 1 / 500, roughness coefficient is 0.017 and the base width is 1.4 m. In structural design, from safety and economy as well as construction easily, make level with the block stone of thick liquid, concretes wipe surface, get very good effect.Key words Roughness coefficient；Hydraulic radius；Head loss马边芭蕉溪水电站是集发电、灌溉、养殖为一体的综合性水利枢纽，为小（Ⅰ）型Ⅳ等工程，永久与临时性建筑物等级均为5级，主要包括首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三大部分。

本设计是引水系统中的隧洞与渠道部分，即隧0+000.000～隧0+898.910和渠0+000.000～渠1+135.059两部分的断面设计和结构设计，全长2033.969米，要求设计流量为3.0m 3/s,隧洞进水口高程为1826.700米，且必须满足设计规范，便于施工，再考虑经济最优。

本设计运用方案比较法、工程类比法、试算法，很好地完成了设计任务。

1设计方案与评价本设计分为两大步骤：一、断面设计；二、结构设计 1.1断面设计（水力计算）1.1.1计算公式的选定本设计中隧洞与渠道的总长达2000多米，可以把水流作为均匀流分析，则水力坡度J 等于道底坡i, 那么谢才公式:RJ C V =或 RJ AC AV Q == （1）可以写为: Ri C V =或Ri AC AV Q == （2）,采用曼宁公式:611R nC ⋅= （3）把（3）代入（2）中得到：32211R A i nQ ⋅⋅⋅= (4)式中 Q ——流量，m 3/s ；R ——水力半径，m ； n ——糙率，按规范选取； A ——过水面积，A=b ×h, m 2； i ——隧洞或渠道底坡根据要求，Q=3.0m 3/s ，n 为糙率，是衡量隧洞渠道壁面粗糙情况的综合性系数。

n 越大，相应的水流阻力越大，在断面相同的情况下，通过的流量越小。

但是，如果施工质量达不到设计的要求，将严重影响工程效益，造成严重经济损失。

所以，根据《水力学》，考虑到是民工队伍施工，所达到的质量不高，采用混凝土衬砌，以保证糙率要求。

因为流量小，相应的水力半径较大，糙率较大。

所以虽然是混凝土抹面，但仍取用较差情况n=0.017，这样可以合理地保证流量。

i 为底坡，以匀速恒定流计算，由于是动力渠道,根据《小型水力发电站设计规范》(试行)GBJ71-84，无压隧洞的底坡i=1/500～1/1000；b为底宽，一般情况下应满足施工要求大于或等于1.3m。

则公式（4）中，流量Q,底宽b,糙率n以及底坡i,均为已知，仅h未知,但（4）式为h的高次隐函数，难直接求解，则采用试算法并结合电子表格的强大计算功能，来解决这个问题。

1.1.2计算确定断面尺寸1.1.2.1选定底坡i的取值根据《小型水力发电站设计规范》（试行）GBJ71—84，无压引水隧洞底坡可选用1‰～2‰的单一底坡。

根据大量的计算比较，流量Q=3.0m3/s时，取同一底坡，的值最小。

那么，取底宽1.4米，对不同底坡的情况进行比较，选底宽为1.4m，S总取合适的i值。

由工程类比法，i的取值如下表：表1 底坡i的选取i h(m) A(m2) △H(m) S总(m2) S净(m2) Q(m3/s) X净空比H总(m)1/500 1.360 1.9052 0.425 2.9015 0.4363 3.00 15% 4.2485 1/750 1.609 2.2528 0.468 3.3095 0.4967 3.00 15% 2.8342 1/1000 1.815 2.5409 0.505 3.6492 0.5483 3.00 15% 2.1356 注：1、上表计算时糙率n=0.017，底宽b=1.4m2、净空比为15%，在《水工隧洞设计规范》中为最经济情况3、h总为总的水头损失，包括局部水头损失和沿程水头损失显然，满足Q的情况下，i越小，断面积S的计算值越大。

由于隧洞和渠道合计达2000多米长，使开挖方量大大增加，同时相应的水力损失却减小不多， 1.3m以内的水头不影响装机容量，选取i=1/500，减少开挖面积，也更加经济、美观。

1.1.2.2选取满足Q的b、h当流量Q确定后，i，n的值也确定，取一系列的b以确定对应h的系列，见下表：表 2 选择一系列满足Q的b、hi n b(m) H0(m) A(m2) R(m) Q(m3/s)0.002 0.017 1.300 1.488 1.934 0.452 3.000.002 0.017 1.350 1.421 1.918 0.458 3.000.002 0.017 1.400 1.361 1.905 0.462 3.000.002 0.017 1.450 1.307 1.895 0.466 3.000.002 0.017 1.500 1.257 1.886 0.470 3.000.002 0.017 1.550 1.212 1.878 0.473 3.000.002 0.017 1.600 1.170 1.872 0.475 3.000.002 0.017 1.650 1.131 1.867 0.477 3.000.002 0.017 1.700 1.096 1.863 0.479 3.000.002 0.017 1.927 0.963 1.856 0.482 3.00注：上表的h由根据公式（4）反算得到则由表格知，共选得10组数据满足流量Q=3.0m 3/s ，最后一组为水力最佳断面的情况。

1.1.2.3圆心角的确定在同一底宽时，中心角的确定根据《水工隧洞设计规范》SD134-84的要求，为无压隧洞时，地质条件较好的情况下，用圆拱直墙式断面，圆拱中心角900～1800，当需要加大拱端推力时才选用小于900的中心角， 根据工程类比法，主要选用的中心角为900、1200、1800。

（如图所示）图1 不同顶角断面由上图隧洞总的断面积S 的计算如下：22212sin2360)(20θθπθtg b b b h h b S ⋅⋅-⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅+∆+= （5）式中：θ：顶拱中心角； b: 底宽，m根据图示和计算可以明显的发现：当顶拱中心角越小时，开挖断面的总面积最小，但为了便于施工放线，选择中心角为1200 1.1.2.4选择最经济断面的b 、h在满足以下几条的情况下，选择最小断面积：①根据设计要求，流量Q=3.00m 3/s ；②根据《小型水力发电站设计规范》（试行）GBJ71-84的要求，安全超高△h ≥0.4m ；③根据《水工隧洞设计规范》SD134-84，净空比介于15%～25%，接近小值时为最佳，净空高（在本设计中是总高减去正常高水深与安全超高两项的最后结果）e ≥0.4m ；④根据《水电站及泵站》，流速要求满足1.5～2.0 m/s 的经济流速。

表3 b 、h 的比较与选择b(m) h(m) e(m) △h(m) S 总(m 2) S 净(m 2) R(m) Q(m 3/s) X V(m/s) 1.93 0.96 0.56 0.400 3.387 0.760 0.482 3.00 22% 1.616 1.30 1.49 0.38 0.467 2.889 0.433 0.452 3.00 15% 1.550 1.35 1.42 0.39 0.445 2.894 0.434 0.458 3.00 15% 1.563 1.40 1.36 0.40 0.425 2.901 0.436 0.462 3.00 15% 1.572 1.45 1.31 0.42 0.405 2.912 0.438 0.466 3.00 15% 1.582 1.50 1.26 0.43 0.400 2.946 0.461 0.469 3.00 15% 1.589 1.55 1.21 0.45 0.400 2.989 0.492 0.473 3.00 15% 1.596 1.60 1.17 0.46 0.400 3.036 0.524 0.475 3.00 17% 1.602 1.65 1.13 0.48 0.400 3.086 0.557 0.477 3.00 18% 1.606 1.70 1.10 0.49 0.400 3.135 0.592 0.478 3.0019% 1.609注：1、表中e 为净空高，X 为净空比2、上表的计算是建立在底坡为1/500，糙率为0.017基础之上的经图表比较后，根据总的开挖面积最小，确定隧洞断面为1.4m ×1.36m 的矩形过水断面，正常高水深为1.36m,流速为1.572m/s 。