《水工建筑物第七章》ppt课件

1、 小资料：我国水工隧洞开展概略小资料：我国水工隧洞开展概略 截止截止20世纪末，我国已建成水工隧世纪末，我国已建成水工隧洞的总长超越洞的总长超越500km，其中，其中5km以上的以上的有有41条。较典型的有四川太平驿水电站条。较典型的有四川太平驿水电站的有压引水隧洞，长的有压引水隧洞，长10.6km，直径，直径9m开挖直径开挖直径10m ，于，于90年代初兴建。年代初兴建。此外还有贵州南盘江上兴建的天生桥二级此外还有贵州南盘江上兴建的天生桥二级水电站的三条引水洞，总长水电站的三条引水洞，总长30km，直径，直径8.79.8m 开挖直径开挖直径10.8m，并在，并在国内初次运用全断面掘进机开挖美

2、国引国内初次运用全断面掘进机开挖美国引进。进。 进入进入21世纪以来，我国的水工隧洞有了更世纪以来，我国的水工隧洞有了更快的开展，在建最长的水工隧洞为引黄入晋工快的开展，在建最长的水工隧洞为引黄入晋工程的南干线程的南干线7号洞，洞长号洞，洞长42.9km。在南水北调。在南水北调工程中尚有待建的长工程中尚有待建的长73km的隧洞西线一的隧洞西线一期。以上两工程的隧洞总长将超越期。以上两工程的隧洞总长将超越400km。 我国已建断面积最大的水工隧洞为龙滩右我国已建断面积最大的水工隧洞为龙滩右岸导流洞，其最大开挖断面面积达岸导流洞，其最大开挖断面面积达596平方米平方米24.8826.15)，号称亚

3、洲第一。，号称亚洲第一。三峡地下厂房引水洞三峡地下厂房引水洞隔河岩水电站隔河岩水电站 导流洞导流洞 7.1水工隧洞的类型和任务特点水工隧洞的类型和任务特点 7.1.1 水工隧洞的类型水工隧洞的类型 引水洞引水洞引水发电引水发电 泄洪洞泄洪洞宣泄洪水宣泄洪水 导流洞导流洞施工期导流施工期导流 输水洞输水洞保送生活、消费用保送生活、消费用水水 其他：排砂洞等其他：排砂洞等 按任务时水力条件分：按任务时水力条件分： 有压隧洞、无压隧洞有压隧洞、无压隧洞 在水工隧洞设计时，为节省工程投资，可在水工隧洞设计时，为节省工程投资，可采用采用“暂时变永久或暂时变永久或“二洞合一等型式。二洞合一等型式。暂时改永

4、久布置暂时改永久布置二洞合一布置二洞合一布置 7.2 7.2 水工隧洞的选线与总体布置水工隧洞的选线与总体布置 7.2.1 7.2.1 隧洞选线隧洞选线 普通原那么：普通原那么： 1 1尽量避开地质条件不良地段。尽量避开地质条件不良地段。 2 2力求洞线短、水流平顺。力求洞线短、水流平顺。 3 3进出口位置适宜。进出口位置适宜。 4 4洞顶以上和傍山隧洞岸边一侧洞顶以上和傍山隧洞岸边一侧的岩体应有足够的围岩厚度，以保证围的岩体应有足够的围岩厚度，以保证围岩稳定。岩稳定。 5 5应兼顾施工方便。应兼顾施工方便。 二、闸门在隧洞中的位置二、闸门在隧洞中的位置 任务闸门任务闸门应能在动水中启闭，可设

5、在应能在动水中启闭，可设在进口、出口或任一适宜位置。进口、出口或任一适宜位置。 检修闸门检修闸门应能在动水中封锁，静水中应能在动水中封锁，静水中开启，设在隧洞进口。开启，设在隧洞进口。 事故闸门事故闸门同检修闸门。同检修闸门。 无压隧洞普通将闸门设置在隧洞进口处，无压隧洞普通将闸门设置在隧洞进口处，进水口分为表孔溢流式、和深孔式。进水口分为表孔溢流式、和深孔式。1 1表孔溢流式多属于龙抬头的布置方式表孔溢流式多属于龙抬头的布置方式2 2深孔式进水口也可采用无压泄水隧洞深孔式进水口也可采用无压泄水隧洞 有压隧洞普通将任务闸门设置在出口处，有压隧洞普通将任务闸门设置在出口处，有些隧洞将任务闸门布置

6、在洞内，任务闸门前有些隧洞将任务闸门布置在洞内，任务闸门前为有压洞段，任务闸门后为无压洞段。为有压洞段，任务闸门后为无压洞段。 7.3 7.3 水工隧洞各组成部分的方式及构造水工隧洞各组成部分的方式及构造 7.3.1 7.3.1 进水口的方式及构造进水口的方式及构造 一、进水口高程确实定一、进水口高程确实定 主要根据其担负的义务确定，发电主要根据其担负的义务确定，发电有压隧洞的进水口，应保证在上游最低有压隧洞的进水口，应保证在上游最低运转水位以下有足够的淹没深度，以免运转水位以下有足够的淹没深度，以免产生贯穿式旋涡，引起振动，降低水轮产生贯穿式旋涡，引起振动，降低水轮机出力。机出力。 淹没深度

7、阅历公式：淹没深度阅历公式：S S的最小值不的最小值不得小于得小于1m1m。二、深孔式进水口建筑物的方式二、深孔式进水口建筑物的方式1.1.竖井式进水口竖井式进水口适于岩体完好、稳定、巩固的岸坡。适于岩体完好、稳定、巩固的岸坡。 2. 2.塔式进水口塔式进水口 适于岸坡较缓或地质情况较差的岸坡。塔适于岸坡较缓或地质情况较差的岸坡。塔的型式有封锁式和框架式。的型式有封锁式和框架式。 塔独立塔独立于岸坡用钢于岸坡用钢筋混凝土建筋混凝土建造；经过任造；经过任务桥与岸边务桥与岸边或坝顶相联或坝顶相联络。络。3.3.岸塔式及斜坡式进水口岸塔式及斜坡式进水口 岸塔式就岸塔式就是将控制塔是将控制塔斜靠在洞口

8、斜靠在洞口岩坡上；易岩坡上；易满足稳定要满足稳定要求，对岸坡求，对岸坡也起一定的也起一定的支撑作用。支撑作用。 圆拱直墙形适用圆拱直墙形适用于地质条件较好、于地质条件较好、垂直山岩压力较小垂直山岩压力较小而无侧向山岩压力而无侧向山岩压力的情况。的情况。 当地质条件较差、当地质条件较差、侧向山岩压力较大侧向山岩压力较大时，宜采用马蹄形时，宜采用马蹄形或蛋形断面。或蛋形断面。 当地质条件差或地下水压力很大时，也可当地质条件差或地下水压力很大时，也可采用圆形断面。采用圆形断面。 无压隧洞的断面尺寸应根据水力条件低无压隧洞的断面尺寸应根据水力条件低速水流或高速水流确定。思索施工要求的最速水流或高速水流

9、确定。思索施工要求的最小断面尺寸：高度小断面尺寸：高度1.8m1.8m，宽度，宽度1.5m1.5m；圆形；圆形断面内径断面内径1.8m1.8m。 2. 2.有压隧洞的断面型式和尺寸有压隧洞的断面型式和尺寸 断面型式多为圆形，当围岩巩固且内水压断面型式多为圆形，当围岩巩固且内水压力不大时，也可采用更便于施工的非圆形断面。力不大时，也可采用更便于施工的非圆形断面。断面尺寸应根据水力计算确定。断面尺寸应根据水力计算确定。 二、隧洞衬砌二、隧洞衬砌 1. 1.衬砌的作用衬砌的作用 接受荷载、维护围岩、减小隧洞外表糙率，接受荷载、维护围岩、减小隧洞外表糙率，防止渗漏等。防止渗漏等。 2. 2.衬砌的类型

10、衬砌的类型 1 1平整衬砌平整衬砌 当围岩巩固、内水压力不大时，用混凝土、当围岩巩固、内水压力不大时，用混凝土、喷浆、砌石等做成平整的护面。喷浆、砌石等做成平整的护面。 2 2混凝土、钢筋混凝土衬砌混凝土、钢筋混凝土衬砌 当接受较大的荷载或围岩条件教差时，采用当接受较大的荷载或围岩条件教差时，采用钢筋混凝土衬砌。钢筋混凝土衬砌。 3 3预应力衬砌预应力衬砌 对混凝土或钢筋混凝土衬砌施加预压应力，对混凝土或钢筋混凝土衬砌施加预压应力，以抵消水压力产生的拉应力。以抵消水压力产生的拉应力。 4 4喷锚支护喷锚支护 指利用锚杆和喷混凝土进展围岩加固的指利用锚杆和喷混凝土进展围岩加固的总称。锚杆支护的作

11、用：总称。锚杆支护的作用：(a)(a)悬吊作用；悬吊作用； (b) (b)组协作用；组协作用； (c) (c)固结作用固结作用隧洞喷锚支护隧洞喷锚支护 喷混凝土衬砌的主要作用：使围岩结成整喷混凝土衬砌的主要作用：使围岩结成整体，缓和应力集中，维护岩体外表。普通分层体，缓和应力集中，维护岩体外表。普通分层施工，必要时加设钢筋网。施工，必要时加设钢筋网。 新奥法根本原理：新奥法根本原理： 支护要适时；支护要适时； 支护刚度要适中；支护刚度要适中； 支护应与围岩紧贴。支护应与围岩紧贴。隧洞钢支撑施工隧洞钢支撑施工三、衬砌的构造三、衬砌的构造1.1.衬砌的分缝和止水衬砌的分缝和止水变形缝是为防止不均匀

12、沉陷而设置。变形缝是为防止不均匀沉陷而设置。 其位置其位置应设于荷载应设于荷载大小、断面大小、断面尺寸和地质尺寸和地质条件发生变条件发生变化之处。化之处。 施工缝有纵向与横向两种。横向施工缝施工缝有纵向与横向两种。横向施工缝间距普通为间距普通为612m612m；纵向施工缝的位置及数；纵向施工缝的位置及数目那么应根据构外型式及施工条件确定。目那么应根据构外型式及施工条件确定。 2. 2.灌浆、防渗与排水灌浆、防渗与排水 回填灌浆：充填衬砌与围岩之间的缝隙。回填灌浆：充填衬砌与围岩之间的缝隙。 固结灌浆：提高围岩的强度和整体性。固结灌浆：提高围岩的强度和整体性。 衬砌施工时，衬砌施工时，在顶拱及边

13、拱在顶拱及边拱部分预留灌浆部分预留灌浆管，待衬砌完管，待衬砌完成后进展灌浆。成后进展灌浆。 无压隧洞可在洞内水面高程以上设置排无压隧洞可在洞内水面高程以上设置排水孔实现排水；有压隧洞普通不设排水。水孔实现排水；有压隧洞普通不设排水。 为不使洞身出现负压，其出口断面应逐渐为不使洞身出现负压，其出口断面应逐渐收缩，收缩比普通为收缩，收缩比普通为0.80.80.90.9。 泄水隧洞常在出口外设置分散段，使单宽泄水隧洞常在出口外设置分散段，使单宽流量减小；常用的消能方式有挑流消能和底流流量减小；常用的消能方式有挑流消能和底流消能。底流式消能具有任务可靠，对下游水面消能。底流式消能具有任务可靠，对下游水

14、面动摇影响范围小的优点。动摇影响范围小的优点。 7.4 隧洞衬砌的荷载及构造计算 7.4.1 隧洞衬砌的荷载及其组合一、荷载作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：自重、围岩压力、内水压力、外水压力、温度荷载、灌浆压力，地震荷载等。当与围岩严密接触的衬砌受荷载后，有趋向围岩变形时，围岩可施加反作用于衬砌的荷载，即为弹性抗力。 1. 围岩压力围岩压力 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。在支护上的压力。 按作用的方向有两种：作用于衬按作用的方向有两种：作用于衬砌顶部的垂直山岩压力和作用于衬砌砌顶部的垂直山岩压力和作用于衬砌两侧的侧向山岩压力。两侧的侧向山岩压力。 常用的

15、计算方法主要有自然平衡常用的计算方法主要有自然平衡法和阅历法。法和阅历法。设计规范对围岩压力计算的规定：设计规范对围岩压力计算的规定：1 1自稳条件好，可不计围岩压力；自稳条件好，可不计围岩压力；2 2薄层状及碎裂散体构造的围岩：薄层状及碎裂散体构造的围岩：垂直方向垂直方向程度方向程度方向 3 3不能构成稳定拱的浅埋隧洞，宜按不能构成稳定拱的浅埋隧洞，宜按洞室顶拱的上覆盖层岩体重力作用计算围岩洞室顶拱的上覆盖层岩体重力作用计算围岩压力；压力； 4 4块状、中厚层至厚层状构造的围块状、中厚层至厚层状构造的围岩，可根据不稳定块体的作用力计算；岩，可根据不稳定块体的作用力计算； 5 5采取了支护或加

16、固措施的围岩，采取了支护或加固措施的围岩，可不计或少计围岩压力；可不计或少计围岩压力； 6 6采用掘进机开挖的围岩，可适当采用掘进机开挖的围岩，可适当少计围岩的压力；少计围岩的压力； 7 7具有流变性质的围岩，要进展专具有流变性质的围岩，要进展专门研讨。门研讨。 2.弹性抗力 当衬砌接受荷载向围岩方向变形时，将遭到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。 弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有亲密的关系，巩固完好的岩石，弹性抗力大；围岩脆弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。 计算时，近似的以为弹性抗力与衬砌的变位成正比： 实践常以隧洞半径为1m时的单位弹性抗力系数k0表示围岩的抗力特性：k=100k0/

17、r。 3. 3.内、外水压力内、外水压力 1 1内水压力内水压力 无压隧洞：只需算出洞内的水面曲线，即可无压隧洞：只需算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。确定内水压力。 有压隧洞：内水压力是有压隧洞中的重要荷有压隧洞：内水压力是有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制造用。载，常对衬砌的计算起控制造用。 为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：均匀内水压力解为两部分：均匀内水压力+ +非均匀内水压力。非均匀内水压力。 均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位先之间水头引起的，其值为先之间水头引起的，

18、其值为hh。 非均匀内水压力是指洞内刚刚充溢水的情况，非均匀内水压力是指洞内刚刚充溢水的情况，洞顶压力为洞顶压力为0 0，洞壁各点的压强值，洞壁各点的压强值d(1-d(1-cos)/2 cos)/2 。 有压引水发电隧洞：内水压力有压引水发电隧洞：内水压力= =全水全水头头+ +水击引起的压力增值。水击引起的压力增值。 2外水压力地下水压力 外水压力是地下水头引起的，规范规定：外水压力是作用在衬砌外表的边境力。 地下渗流的情况非常复杂，影响要素也多，准确值无法确定，常用的方法： 规范：将地下水面以上的水柱高乘以折减系数作为外水压力值。 值 视地质、水文地质及防渗、排水等情况而言。 4. 4.衬

19、砌自重衬砌自重 衬砌自重是指沿隧洞轴线衬砌自重是指沿隧洞轴线1m1m长的衬砌的长的衬砌的自重，均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的自重，均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应思索平均超挖回填部分。厚度应思索平均超挖回填部分。单位面积上的自重强度单位面积上的自重强度g g为：为：KPahgc 温度荷载、灌浆压力，地震荷载等由于对衬温度荷载、灌浆压力，地震荷载等由于对衬砌影响较小砌影响较小, ,荷载组合时均不思索。荷载组合时均不思索。 二、荷载组合二、荷载组合 1 1正常运用情况正常运用情况 山岩压力山岩压力+ +衬砌自重衬砌自重+ +宣泄设计洪水时的宣泄设计洪水时的内水压力内水压力+ +外水压力外水压力 2 2施工检修情况施工检修情况 山岩压力山岩压力+ +衬砌自重衬砌自重+ +能够出现的最大外能够出现的最大外水压力水压力 3 3非常运用情况非常运用情况 山岩压力山岩压力+