水工隧洞和跌水

1、6.4.4 6.4.4 水工隧洞水工隧洞 湖南水利水电职业技术学院 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 一、水工隧洞的特点一、水工隧洞的特点 （一）（一）结构特点结构特点 （二）（二）水流特点水流特点 （三）（三）施工特点施工特点 二、水工隧洞的类型二、水工隧洞的类型 1. 1.按用途分类按用途分类 2. 2.按洞内水流状态分类按洞内水流状态分类 第一节 水工隧洞的类型与特点 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 水工隧洞的布置和构造水工隧洞的布置和构造 （一）（一）进口段的形式和构造进口段的形式和构造 （二）（二）洞身段的形式与构造洞身段的形式与构造 （三）（三）出口段及消能设施出口段及消能设施 第二

2、节 水工隧洞的组成和构造 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务 在岩层中开凿而成的建筑物叫水工隧洞。 一、水工隧洞的特点一、水工隧洞的特点 （一）结构特点（一）结构特点 在岩层中开挖隧洞后，引起洞孔附近应力重新分布， 岩体产生新的变形，严重的会导致岩石崩塌。围岩除了 产生作用在衬砌上的围岩压力以外，同时又具有承载能 力，可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。围岩压力与 岩体承载能力的大小，主要取决于地质条件。因此，应 使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。 第一节 概 述 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （二）水流特点（二）水流特点 1、枢纽中的泄水隧洞，

3、其进口通常位于水下较处， 属深式泄水洞。 2、由于作用在隧洞上的水头较高，流速较大，如 果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表 面不平整，都可能出现气蚀而引起破坏，所以要求 隧洞体型设计得当、施工质量良好。 3、泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集 中，在出口处有较强的冲刷能力，必须采取有效的 消能防冲措施。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （三）施工特点（三）施工特点 隧洞洞身断面小，施工场地狭窄，洞线长，施工作业工序多， 干扰大，工期一般较长。尤其是兼有导流任务的隧洞，其施 工进度往往控制着整个工程的工期。因此，加快施工进度是 隧洞工程建设中需要引起足够的重视。 第六章第六章 水

4、工隧洞水工隧洞 二、水工隧洞的类型二、水工隧洞的类型 1.1.按用途分类按用途分类 （1）泄洪洞：配合溢洪道宣泄洪水，保证安全。 （2）引水洞：引水发电、灌溉或供水。 （3）排沙洞：排放水库泥沙，延长水库的使用年 限，有利于水电站的正常运行。 （4）放空洞：在必要的情况下放空水库。 （5）导流洞：在水利枢纽的施工期用来施工导流 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量考 虑一洞多用，以降低工程造价。如施工导流洞与永久 隧洞相结合，枢纽中的泄洪、排沙、放空隧洞的结合 等。 泄洪洞与导流洞合一布置泄洪洞与导流洞合一布置 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 2.2.按

5、洞内水流状态分类按洞内水流状态分类 （1）有压洞：工作闸门布置在隧洞出口，洞身全 断面被水流充满，隧洞内壁承受较大的内水压力。 （2）无压洞：工作闸门布置在隧洞的进口，水流 没有充满全断面，有自由水面。 一般说来，隧洞可以设计成有压的，也可设计成无 压的，也可设计成前段是有压的而后段是无压的。 但应注意的是，在同一洞段内，应避免出现时而有 压时而无压的明满流交替现象，以防止引起振动、 空蚀等不利流态。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 第二节 水工隧洞的组成和构造 一、水工隧洞的组成一、水工隧洞的组成 由进口段、洞身段、出口段三部分组成由进口段、洞身段、出口段三部分组成 第六章第六章 水工隧洞水

6、工隧洞 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 二、水工隧洞各部分的和构造二、水工隧洞各部分的和构造 （一）进口段的形式和构造（一）进口段的形式和构造 1进口建筑物的形式 （1 1） 竖井式竖井式 竖井式进口是进口附近的岩体中开凿竖井。优点是 结构比较简单，不需要工作桥，不受风浪和冰的影 响，抗震性及稳定性好。构造布置见下图。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 竖井式构造布置图竖井式构造布置图 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （2 2）塔式）塔式 塔式进口建筑物是独立于隧洞的进口处而不依靠山 坡的塔，用工作桥与岸坡相连。其缺点是，受风浪、 冰、地震的影响大，稳定性相对较差，需要较长的 工作桥。常用于岸坡

7、岩石较差，覆盖层较薄，不宜 修建靠岸进口建筑物的情况。构造布置见下图。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 塔式构造布置图塔式构造布置图 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （3 3）岸塔式）岸塔式 此种进口是靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔。塔身 可以是直立的或倾斜的。岸塔式的稳定性较塔式的 好，不需工作桥。适用于岸坡较陡，岩体比较坚固 稳定的情况。构造布置见下图。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 岸塔式构造布置图岸塔式构造布置图 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 (4)(4)斜坡式斜坡式 斜坡式进水口是在较完整的岩坡上进行平整、开挖、 护砌而修建的一种进水。优点是，结构简单，施工、 安装方便，稳定性好，

8、工程量小。缺点是，由于闸 门倾斜，闸门不易依靠自重下降。斜坡式进口一般 只用于中、小型工程。构造布置见下图。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 斜坡式构造布置图斜坡式构造布置图 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 2 2进口段的组成及构造进口段的组成及构造 进口段的组成包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、 平压管和渐变段等。 进水喇叭口：隧洞进口为顶板和边墙顺水流方向三 向逐渐收缩的平底矩形断面，形成喇叭口。收缩曲 线常采用1/4椭圆曲线。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 通气孔：设在泄水隧洞进口或中部的闸门之后应设 通气孔，其作用是： 在工作闸门各级开度下承担补气任务； 检修时，在下放检修闸门后，放

9、空洞内水流时补 气； 检修完成后，向检修闸门和工作闸门之间充水时， 通气孔用以排气。 通气孔的上部进口必须与闸门启闭机室分开设置，通通气孔的上部进口必须与闸门启闭机室分开设置，通 气孔风速应保持在气孔风速应保持在20 m/s20 m/s左右为好。左右为好。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 平压管：为了减小启门力，往往要求检修门在静水 中开启。为此，常设置绕过检修门槽的平压管。 平压管的尺寸根据所需的灌水时间（约8小时左 右）。具体布置见下图。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （4）拦污栅：进口处的拦污栅是为了防止水库中 的漂浮物进入隧洞。 （5）渐变段、闸门室：渐变段及闸门室等，可参 见第二章

10、第七节重力坝的深式泄水孔有关内容。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （二）洞身段的形式与构造（二）洞身段的形式与构造 1 1洞身断面形式及尺寸洞身断面形式及尺寸 (1)(1)无压隧洞的断面形式及尺寸无压隧洞的断面形式及尺寸 无压隧洞多采用圆拱直墙形（城门洞）断面。如围 岩条件较差还可以采用马蹄形断面。 无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞 内水面线来确定。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 流速较低、通气良好的隧洞，要求水面以上净空不 小于洞身断面面积的15%25%，冲击波波峰高不应 超过城门洞形断面的直墙范围。在确定隧洞断面尺 寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等对最小尺 寸的要求。

11、(2)(2)有压隧洞的断面形式及尺寸有压隧洞的断面形式及尺寸 有压隧洞由于内水压力较大，一般均采用圆形断面。 有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力要求以及沿程 压坡线情况来确定。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 2 2洞身衬砌的类型及构造洞身衬砌的类型及构造 衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁，主要作用是： 阻止围岩变形的发展，保证围岩的稳定； 承受围岩压力、内水压力和其它荷载；防止 渗漏； 保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等 的冲蚀破坏作用； 平整围岩，减小表面糙率。 (1)(1)衬砌的类型衬砌的类型 1)平整衬砌（也称护面）： 用混凝土、喷混凝 土和浆砌石做成的护面，它不承受荷载，仅起到

12、平整隧洞表面、减小糙率、防止渗漏、保护岩石 不受风化的作用。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 2)单层衬砌：用混凝土、钢筋混凝土做成。单层 衬砌适用于中等地质条件，隧洞断面较大，水头 及流速较高的情况，混凝土和单层钢筋混凝土衬 砌的厚度不宜小于25cm，双层钢筋混凝土衬砌的 厚度不宜小于30cm。 3)喷锚衬砌：喷锚衬砌是利用锚杆和喷混凝土加 固围岩措施的总称，是逐渐发展起来的新型加固 措施。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 4)组合式衬砌：在开挖断面周边不同部位采用不 同的衬砌材料组合而成。如内层为钢板、钢筋网 喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土；如顶拱为混 凝土，边墙和底板采用浆砌石。 5)预

13、应力衬砌 ：预应力衬砌是对混凝土、钢筋 混凝土衬砌的外壁施加预压应力，以便在运用时 抵消内水压力产生的拉应力。预应力衬砌多用于 高水头有压隧洞。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 (2)(2)衬砌的分缝与止水衬砌的分缝与止水 在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工缝 和永久性的横向变形缝。 隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处， 衬砌需要加厚，应设置横向变形缝。 围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。一 般分段长度为612m，底拱和边拱、顶拱的环向 缝不得错开。纵向施工缝应设置在衬砌结构拉应 力及剪应力较小的部位。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 (3)(3)灌浆灌浆 1)回填灌浆：

14、回填灌浆是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使 之结合紧密，以改善传力条件和减少渗漏。 2)固结灌浆： 固结灌浆是为了加固围岩，提高围岩的整体性， 减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下 水对衬砌的压力和减少渗漏。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 (4)(4)排水排水 设置排水是为了降低作用在衬砌外壁上的外水压力。 对于无压隧洞衬砌，当地下水位较高时，外水压力 成为衬砌的主要荷载。可在洞底设纵向排水管通向 下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔， 将地下水直接引入洞内，排水孔间距、排距以及孔 深一般为2-4m。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 对于有压圆形

15、隧洞，可不设置排水设备。当外水位 很高，外水压力很大，对衬砌设计起控制作用时， 可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游，必要 时，为提高排水效果，可沿洞轴线每隔68m，设 一道环向排水槽，环向排水槽可用砾石铺筑，将搜 集渗水汇入纵向排水管。具体布置见下图。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 （三）出口段及消能设施（三）出口段及消能设施 有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门 前有渐变段，出口之后即为消能设施。无压隧洞出 口仅设有门框，其作用是防止洞脸及其以上岩石崩 塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接。 泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小，单宽 流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散

16、段， 使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消 能。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 1 1挑流消能挑流消能 当隧洞出口高程高于或接近下游水位，且地形地质 条件允许时，采用扩散式挑流消能比较经济合理， 因为它结构简单，施工方便，国内外泄洪、排沙隧 洞广泛采用这种消能方式。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 2 2底流消能底流消能 当隧洞出口高程接近下游水位时，也可采用扩散式 底流水跃消能。底流消能具有工作可靠、消能比较 充分、对下游水面波动影响范围小的优点，但缺点 是开挖量大、施工复杂、材料用量多、造价高。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 黄河小浪底简介黄河小浪底简介 小浪底水利枢纽是 治理

17、黄河总体规划 中处在承上启下控 制黄河水沙的关键 工程，工程地质条 件复杂，水沙条件 特殊，运用要求严 格，被国内外专家 称为世界坝工史上 最具挑战性的工程 之一。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 它的建成将有效地控 制黄河洪水，可使黄 河下游花园口的防洪 标准由六十年一遇提 高到千年一遇，基本 解除黄河下游凌汛的 威胁，减缓下游河道 的淤积，它处在承上 启下控制下游水沙的 关键部位，控制黄河 输沙量的100%。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 左岸山体由于沟道切割形成了单薄分水岭，水库蓄水后存在稳定问题。 近坝区右岸包括右坝肩有多处大的滑坡和倾倒变形体。坝址区基本地震 烈度为7度。 第六章第

18、六章 水工隧洞水工隧洞 小浪底水利枢纽最大坝高160米，总库容126.5亿立方米，装机容量180万 千瓦，年发电量58亿千瓦时，有3条压力排沙洞，3条明流泄洪洞，3条前 压后明式多级孔板消能泄洪洞，6条发电洞，1条灌溉洞，分10个进水塔集 中布置，形成了底部泄洪排沙、中间引水发电和上部泄洪排漂的总格局 。 1条正常溢洪道，最大泄洪能力17559立方米每秒。 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 第六章第六章 水工隧洞水工隧洞 从1950年开始勘探，到2001年工程全部建成，几代黄河人特别是工程勘测规划设 计人员付出了巨大的心血和汗水，在工程设计方面创下了多项世界纪录和中国第 一，为工程建设做出了巨大贡献。 大坝是当今中国最高、填筑量最大的壤土心墙堆石坝； 主坝基础防渗墙是中国最深、最厚的防渗墙； 泄洪系统10座进水塔上集中布置了16条隧洞的进水口，是世界上最大 最复杂的进水塔； 3条直径为14.5m的导流洞，后期各增设3级孔板环，改建为永久泄洪 洞，是世界上最大的孔板消能泄洪洞； 泄洪系统出口的消力塘总长210m、宽356m，9条隧洞和1条溢洪道下泄 的高速水流在其中进行两级消能，是坝工史上最大的综合消能水垫塘； 水轮的抗磨、防护技术为当今世界上最先进的水平； 地下厂房