水工隧洞概述清楚明了

第八章水工隧洞§1概述述一、水工隧隧洞的类型型二二、水工工隧洞的工工作特点三三、水工隧隧洞的组成成一、水工隧隧洞的类型型：分类方法：：按功用分分、按受力力状态分。。（一）按功功用分：①泄洪②引水：发发电、灌溉溉、供水；；航运输水水。③排沙④放空水库库⑤施工导流流（二）按受受压状态分分：（1）有压：水力计算、、管流计计算在工程布置置上受力情情况差别较较大（2）无压：明渠流计算算运行条件上上（同一条条洞前段有有压，后段段无压）禁忌：明满满流交替危害：（1）易引起振振动、空蚀蚀。（2）影响泄流流能力。具体到一个个工程，究究竟采用有有压或无压压，应通过技术、、经济比较较后确定。。二、水工隧隧洞的工作作特点（1）水力特点点：深式泄水孔孔：A泄水能力与与H1/2成正比。B进口位置低低，能预泄泄。C承受得水头头较高，易易引起空化化、空蚀。。D水流脉动会会引起闸门门等振动。。E出口单宽流流量大，能能量集中会会造成下游游冲刷。（2）结构特点点：A洞室开挖后后，引起应应力重分布布，导致围围岩变形甚甚至崩塌，，为此常布布置临时支支护和永久久性衬砌。。B承受较大内内水压力的的隧洞，要要求围岩具具有足够的的厚度和必必要的衬砌砌。（3）施工特点点：隧洞一般断断面小，洞洞线长，工工序多，干扰大，施施工条件差差，工期较较长。三、水工隧隧洞的组成成进口段洞洞身身段出出口段段§2水工隧洞的的布置及及线路路选择一、总体布布置及线路路选择二二、闸门在在隧洞中的的布置三三、多用途途隧洞的布布置一、总体布布置及线路路选择（1）应根据枢枢纽的任务，对泄泄水建筑物物进行总体体规划。（2）在合理选选定洞线的基础上，根根据地形、、地质、水流条件，，选定进口口的位置及进口口结构形成成，确定闸门在在洞口中的位置。（3）确定洞身身纵坡及洞洞身断面形形状及尺寸寸。（4）根据地形形、地质、、尾水位等等条件及建建筑物之间间的相互关系，，选定出口口的位置，底板高程及消能方式。。选线是设计中一个个至关重要要的问题，它关关系到工程程造价、施施工难易、、工期长短短和运行可可靠性等方方面。选洞线的一一般原则和和要求为：：（1）隧洞的线路应尽量量避开不利利的地质构造、围岩可能不稳定及地下下水位高、渗流量丰富富的地段.在高地应力力区,洞线与最大大水平地应应力方向一一致或有较较小的交角角。（2）洞线在平平面上应力力求短直，，这样既可可以减少工工程费用，，减少水头头损失，便便于施工。。必须转弯弯时，其直直线半径不不宜小于5倍洞径或洞洞宽，转角角不宜大于于60o，弯道两端的直线段不宜宜小于5倍洞径（或或洞宽）。。（3）隧洞应有有一定的埋藏深度。。围岩厚度≥3D(D为洞径)围岩厚度≥≥0.4H(H为压力水头头)进出口顶部部岩体厚度度≥0.1H（4）隧洞的纵纵坡，应根根据水利条条件运用要要求、用途、上下下游衔接、、施工和检检修等因素素综合分析比比较后确定定。（5）对于长隧隧洞，选择择洞线时还还应注意利利用地形、、地质条件、、布置一些些施工支洞洞、斜井、、竖井，以增加工作作面，加快快施工进度度。（6）要考虑进进出口与其它建筑物物的关系：：如果水库所所建的坝是土石坝，则则进口应距距离坝坡50M以上，出口口应距离坝坝坡100M以上，以免免水流冲刷坝坝坡。排沙洞：为了保证电电站进水口口免受泥沙沙淤积威胁胁，故排沙洞进口口布置在靠靠近电站进进口的上游游侧，高程程比电站进水水口低，以以使电站进进口在其拉拉沙漏斗范围内。泄水隧洞：出口方向要要与下游的的河道衔接接顺畅，减减轻对岸边边的冲刷。。每一个初步步方案均应应用平面图图和纵剖图图来表示。。平面图表示示出：地形、隧洞洞和其它建建筑物的关关系，进口位置、、闸门位置置、施工旁旁洞、竖井、堆渣渣地点等。。纵剖面图表表示出：地质构造、、断层破碎碎带以及其其它地质特特点，进出口及闸门门位置、底坡的坡率、、洞底高程。。二、闸门在隧隧洞中的布置置泄水隧洞中一一般布置工作作闸门，检修修闸门（或事事故闸门）可以布置在进进口、出口或或隧洞中某一一适宜位置置。（1）布置在进口口：一般为无压洞洞也可以是有压压洞。（平时时利用闸门挡挡水，保持洞内无水水）（2）布置在出口口：有压洞。（3）布置在洞身身某一位置A由于地形、地地质、施工和和枢纽布置上上的原因，隧洞线线路需要转弯弯，闸门室易易布置在转弯弯段后的直线线段上。B洞内某处较出出口处的地质质条件好，工工作闸门布置置在洞中，可可以利用岩体体承受闸门传传输的水推力力.三、多用途隧隧洞的布置：：一洞多用，或或临时任务与与永久任务相相结合。这样可减小工工程量，降低低造价，也可可解决枢纽中单项工程过过多造成布置置上的困难。。（一）泄洪洞洞与导流洞合合一布置常作成“龙抬抬头”式，在在进口之后用用抛物线段、、斜坡段、反反弧段与较低低的洞身相连连接。“龙抬头”式式泄洪洞，一一般水头高，，流速大，反反弧段及下游游易遭空蚀破破坏。为了避避免空蚀，应应做好体形设设计，控制施施工质量。并并选用适当的的掺气减蚀措措施。（二）泄洪洞洞与发电洞合合一布置布置型式：存在问题：1、岔尖处的水水流流态复杂杂，容易产生生不利负压和空空蚀。2、泄洪时对发发电不利。泄洪发电泄洪（支洞）发电(主洞)岔尖①②（三）泄洪洞洞与排沙洞合合一布置排沙洞进口高高程低，在施施工期可做导导流洞用。1、闸门水压力力大，启闭困困难。（洪水期开启启，水头高。。）2、泥沙堆积，闸闸门不易开启启。§3进口段一、形式及计计算要点二二、进进口段的组成成部分（一）进水喇喇叭口（（二）通气气孔（（三）拦污栅栅（（四四）渐变段、、闸门室及平平压管一、形式及计计算要点按布置与结构构形式分为：：竖井式、塔式式、岸塔式、、斜式。适用条件

优缺点计算要点竖井式：地质条件好地形适宜干井—弧门湿井—平门

优：结构简单、不受风浪、水的影响，抗震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小。缺：竖井前的一段隧洞检修不便.

沿井的不同高度，截取断面，按单位高度的封闭或框架进行分析。适用条件

优缺点计算要点塔式：岸坡低缓，岩石破碎或覆盖层较厚。优：对于取水用的封闭塔，可在不同高程设置取水口，取用上层温度较高的清水。缺：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需要工作桥与库岸相连。塔身是直立的悬臂结构，需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。按封闭框架计算单位的高度的横断面的水平应力，按悬臂结构计算铅直应力（将立体框架简化成平面问题计算）适用条件

优缺点计算要点岸塔式：岸坡较陡，岩石比较坚固稳定。优：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便，无须接岸桥梁.缺：受风浪、冰、地震有一定影响。基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。斜坡式：完整的岩坡，地形适宜，闸门及拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。优：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺：闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降.二、进口段的的组成部分进口段包括：：进水喇叭口、、闸门室、通通气孔、平压压管、渐变段段。（一）进水喇喇叭口位置：在隧洞的首部部要求：①其体形与孔口口水流的形态态相适应，使使水流平顺通过，而不致致脱壁。②避免产生不利利的负压和空空蚀破坏。③减少局部水头头损失，以提提高泄流能力力。体型：常采用矩形断断面，顶板和和边墙顺水流流方向三面收收缩平底矩形断面面。喇叭口的的顶板和边墙墙常采用椭圆圆曲线，其方方程为：式中：a—长半轴顶顶板约等于闸闸门处的孔口口高度（H）边墙约等于闸闸门处的孔口口宽度（B）b—短半轴顶顶板：H/3边墙：（1/3～1/5）B对于重要的工工程，进口曲曲线应通过水水工模型试验验确定。无压隧洞的压压力进口顶板板，在检修闸闸门上游通常常是一段倾斜的椭椭圆曲线，以以便与检修闸闸门和工作门门之间的顶板板衔接，此顶顶板以1：4～1：6的坡度向下游游缩，以增加加进口段的压压力，防止发发生空蚀。检修门槽前的的入口段长度度可控制在（（0.8～1.0）倍工作闸门门处的孔口高高度范围内。。检修门槽与与工作闸门之之间的顶板也也应布置成压压坡段（目的的：收缩断面面进一步改善善进口的压力力分布和水流流流态）。（二）通气孔孔位置：①设在泄水隧洞洞进口或中部部的工作闸门门之后。②设在检修门和和工作门之间间。作用：①工作闸门在各各级开度情况况下—补气②检修完毕，工工作闸门和检检修门之间充充分输水直至至平压，此时排气气。布置上注意点点：①通气孔的进口口必须与闸门门启闭机室分分开，因为进进口处气流速速度大，以免免在补气、排排气时，影响响工作人员的的安全。允许风速[Va]≤40～45m/s②孔管应力求减减少转弯，突突变，以减少少阻力。通气量的计算算及通气孔设设计：通气孔应按正正常的泄流情情况设计，其其断面多为圆圆形，其大小小决定于通气气量和允许风风速。通气量与泄水水流量及下游游洞内流态有有关。目前多采用一一些经验公式式或半经验公公式。①对于泄水隧洞洞中的工作闸闸门和事故闸闸门的通气孔孔的通气量：：②对于高水头头大型工程中中重要闸门后后的通气孔（（无压隧洞或或管道）计算时先假定定通气孔的断断面积a，求得Qa后，再以验验算Va，确定其是否超超过允许风速速（Va＜[Va]=40～45m/s）。否则，重复上上述计算，直直到满足为止止。检修门后的通通气孔面积，，一般以大于于或等于充水水平压阀的面面积为宜。（三）拦污栅栅（四）渐变段段、闸门室及及平压管§4洞身段一、洞身断面面形式二二、洞身断断面尺寸三三、洞身身衬砌一、洞身断面面形式洞身断面形式式，取决于水水流条件（有有、无压），，施工条件，，地质条件及及适用要求。。（一）无压隧隧洞的断面形形式1、城门洞形（（圆拱直墙形形）优点：施工（开挖、、立模、衬砌砌）简单，为为渠道上的隧隧洞，其进出出口与渠道连连接也简单。。适用：垂直山岩压力力较大，而无无侧向山岩压压力或侧向山山岩压力很小小的情况。为为减小或消除除侧向山岩压压力，可把边边墙作成倾斜斜的。2、马蹄形：适用：岩石比较软弱弱破碎，垂直直山岩压力和和侧向山岩压压力均较大的的情况。3、圆形适用：围岩条件较差差，且内水压压力较大，掘掘进机施工。。（二）有压隧隧洞的断面型型式断面一般采用用圆形，其原原因：①水流条件和受受力条件均有有利。②在面积一定的的条件下，圆圆形过流能力力最大。在围岩较好，，内水压力不不大时，为了了施工方便便，也可采用用无压隧洞洞常用的断面面形式。二、洞身断面面尺寸洞身断面尺寸寸，可根据给给定的泄流量量，作用水头头及纵断面布置置，通过必要要的水力计算算及水工模型型实验确定。。导流洞尺寸与与围堰高度有有关，涉及到到经济因素。。水力计算内容容：1、有压隧洞任务：核算泄流能力力及沿程压坡坡线泄水能力按管管流计算:式中：μ——考虑沿程和局局部阻力的系系数。ω出——隧洞出口断面面面积（约为为洞身面积80~90%）。H—作用水头,m。为了保证洞内内水流处于有有压状态，一一般要求洞顶顶应有2M以上的压力余余幅，流速高高的隧洞,压力余幅可达达10M左右。采用缩小出口口断面面积增增大压力，减减免负压和空空蚀。2、无压隧洞计算泄水能力力，①表孔式进口口，按堰流计计算。②深式短管式式进口，泄水水能力决定于于进口压力段段，仍用有压压管流计算，，但系数μ随进口段局部部水头损失而而定。（一般般在0.9左右，不考虑虑沿程损失，，因为距离短短），ω为工作闸门处处的孔口面积积。工作闸门之后后的陡坡段，，可用能量方方程分段求出出其水面线，，为了保证洞洞内为明流（（稳定的）状状态，水面线线上应有一定定净空。流速低，通气气良好：净空面积不小小于隧洞断面面面积的15%，高度≥40cm。流速高：①要考虑掺气和和冲击波的影影响，在掺气气水面以上的的净空约为洞洞身面积的15~25%。②对于城门洞形形断面，冲击击波峰还应限限制在直墙范范围内。3、还应考虑到到施工和检查查维修等方面面的需要非圆形不小于于1.5m×1.8m（高）圆形内径不小小于1.8m三、洞身衬砌砌（一）功用1、阻止围岩变变形的发展，，保证围岩稳定。2、承受山岩压力、内内水压力及其其它荷载。3、防止渗漏。。4、保护岩石免免受水流、空空气、温度、、干湿变化等等的冲蚀破坏坏作用。（防止岩石分化化）5、减小隧洞的表面糙率等。（二）类型1、护面：平整整（或抹平））衬砌采用砼、喷浆浆、砌石等护护面，不承受受荷载。作用：减小糙糙率、防止岩石分化化、防止漏水。适用：岩石较较好，水头较较低的情况。。优点：造价低低，施工方便便。2、单层衬砌适用：中等地质条件件，断面较大大，水头较高高，流速较大的情况。。采用：混凝土土、钢筋混凝凝土、浆砌石石。3、组合衬砌①内层为：钢板板、钢丝网喷喷浆外层为：混凝凝土、钢筋混混凝土②顶拱为混凝土土，边墙为浆浆砌石（围岩岩好,边墙护面）顶拱喷锚支护护，边墙底板板为混凝土或或钢筋混凝土（无无压洞）③先喷锚支护，，再做混凝土土或钢筋混凝凝土衬砌。适用:水头大、软弱破碎的岩岩体.4、预应力衬砌砌（以隔河岩岩为例子发电电引水洞）适用：高水头头有压隧洞.衬砌型式的选选择，应根据据隧洞能担负负的任务，地地质条件，断面尺寸，受受力状态，施施工条件等因因素，通过综综合比较后确定。（三）衬砌分分缝分缝原因：混混凝土或钢筋筋混凝土衬砌砌在施工和运运用期1、由于混凝土土的干缩和温温度应力可能能产生裂缝2、当隧洞穿过过地质条件变变化显著地区区（通过断层层、破碎带及及其它软弱地地带）可能由由于不均匀沉沉降而产生裂裂缝。3、施工只能是是分块分段浇浇筑。☆施工缝（临时时）横向（垂直直轴线）：：间距由浇浇筑能力定定（一般与与伸缩缝、、沉降缝合合在一起））纵向（平行行轴线）：：根据浇筑筑能力，缝缝设在顶拱拱，边墙及及底板分界界处或是内内力较小部部位。施工缝需进进行凿毛处处理或设插插筋以加强强其整体性性。☆沉降缝（永永久）设置部位：：1、通过断层层破碎带或或软弱带：：衬砌加厚厚，厚度突变处。2、洞身与进进口渐变段段等接头处处，可能产产生较大位位移的地段。。缝中设止水水，填沥青青油毡或其其他填料。。伸缩缝(永久)防止混凝土土干缩和温温度应力而而产生的裂裂缝。缝的间距约约为6～12m，缝中设止水水。实际施工中中：横向施施工缝、沉沉降缝、伸伸缩缝，尽尽量结合在在一起。（四）灌浆浆（回填、、固结）1、回填灌浆浆目的：为了了充填衬砌砌与围岩之之间的空隙隙，使之紧紧密结合，，共同工作作，改善传传力条件和和减少渗漏漏。做法：在顶顶拱部位预预留灌浆管管，在衬砌砌完成后，，通过预埋埋管进行灌灌浆。灌浆范围：：一般在顶顶拱中心角角900～1200以内。压力：砼衬砌可采用用0.2～0.3MPa,钢筋砼衬砌砌可采用0.3～0.5MPa.孔距、排距距：一般为为2～6cm.(深入围岩5cm以上)2、固结灌浆浆目的：在于于加固围岩岩，提高围围岩的整体体性，减小小山岩压力力，保证岩岩石的弹性性抗力，减减小地下水水对衬砌的的压力。范围：整个个断面。压力：为1.5～2.0倍内水压力力。（4～10kg/cm2）一般深入围围岩2～5m，对于围岩条条件差的地地段或直径径较大的隧隧洞达6～10m。排距：2～4m，每排不宜少少于6孔，作对称称布置。灌浆时应加加强观测，，防止洞壁壁产生变形形或破坏。。当地质条件件良好，围围岩单位吸吸水率ω<0.01L/min.m，可不进行灌灌浆。回填灌浆孔孔、固节灌灌浆孔通常常分排间隔隔排列。（五）排水水作用：降低低作用在衬衬砌上的外外水压力。。1、有压洞：：外水压力力一般不控控制衬砌设设计加强固结灌灌浆（防渗渗）必须时在底底部的衬砌砌下面设纵纵向排水。。2、无压洞：：外水压力较较大时，设设置排水（（径向、纵纵向）径向：在洞洞内水面线线上通过衬衬砌设置排排水孔排水孔距、、排距一般般为2~4m深入岩体2~4m，将地下水引引入洞内。。在洞内水面面下也有设设置排水孔孔，（如刘刘家峡电站站导流洞）），因为隧隧洞放空后后，底板及及侧墙难以以满足抗浮浮稳定。纵向排水设设在衬砌底底部。总之，一般般说来，有有压洞的外外水压力能能抵消一部部分内水压压力，除外外水压力起起控制作用用的特殊情情况外，不不需设排水水，特别是是有压洞覆覆盖层厚的的进口附近近，地质较较差的地段段，特别是是围岩内存存在易溶填填充物，不不宜设排水水，而是加强固固节灌浆。。§5出口段及消消能设施一、出口段段的结构布布置二二、消能方方式一、出口段段的结构布布置无压洞：出口仅设有有门框（以以防洞脸及及上部岩石石崩塌）。。有压洞：出口常设工工作闸门，，启闭机室室。闸门前有渐渐变段（洞洞圆门方）），出门之之后为消能设施，，为避免负负压，常采采用断面收收缩的法。。二、消能方方式常用：挑流流、底流、、洞内突扩扩消能。特点点：：隧隧洞洞出出口口宽宽度度小小，，单单宽宽流流量量大大，，能能量量集集中中，，所以以出出口口设设置置扩扩散散段段以以扩扩散散水水流流，，减减小小单单宽宽流流量量。。※挑流流消消能能（（常常用用扩扩散散式式））适用用：：出出口口高高程程高高于于或或接接近近于于下下游游水水位位，，且且地地质质条件件允允许许时时。。优点点：：经经济济合合理理。。注意意：：尽尽量量不不要要冲冲刷刷对对岸岸。。形式式：：斜斜切切式式挑挑流流鼻鼻坎坎（（洞洞轴轴线线与与河河道道交交角角小小））、、横向向扩扩散散挑挑坎坎、、收收缩缩式式窄窄缝缝挑挑坎坎。。※底流流消消能能优点点：：消消能能比比较较充充分分平平稳稳。。缺点点：：开开挖挖量量大大，，施施工工时时间间长长，，造造价价高高。。※洞中中突突扩扩消消能能（（孔孔板板消消能能））举例例：：小小浪浪底底工工程程冲冲沙沙洞洞（（泄泄洪洪洞洞））§7洞室室开开挖挖时时的的围围岩岩稳稳定定性性一、、岩岩体体初初始始应应力力（（地地应应力力））二二、、围围岩岩的的应应力力集集中中三三、、围围岩岩稳稳定定分分析析一、、岩岩体体初初始始应应力力（（地地应应力力））◆定定义义：：岩体体处处于于天天然然产产状状所所具具有有的的内内应应力力叫叫做做岩岩体体的的初初始始应应力力(天然然岩岩体体内内应应力力)，在在地地学学领领域域中中，，通通常常叫叫地地应应力力。。岩石石有有构构造造应应力力（（地地应应力力））自重重应应力力◆形成成岩岩体体初初始始应应力力的的因因素素：：★上覆覆岩岩体体的的重重力力★地壳壳构构造造运运动动★成岩岩过过程程中中的的物物理理、、温温度度作作用用、、地形形影影响响★地下下水水及及地地震震作作用用由于于。。◆如何何测测得得地地应应力力?目前前常常用用的的方方法法：：应应力力解解除除法法、、应应力力恢恢复复法法★应力力解解除除法法：：通通过过切切槽槽或或钻钻孔孔解解除除应应力力而而测测得得岩石石的的应应变变以以推推求求其其初初始始应应力力。。★应力力恢恢复复法法：：岩体体中中的的应应力力解解除除后后，，不不是是通通过过岩岩体体的的变变形形特特性性来来推推求求岩岩体体中中的的应应力力值值，，而而是是通通过过施施加加压压力力，，使使岩岩体体恢恢复复到到原原来来的的状状态态，，以以求求得得岩岩体体在在应应力力解解除除前前的的应应力力值值。。以上上测测得得的的是是岩岩体体中中一一点点的的应应力力，，至至于于整整个个岩岩体体中中初初始始应应力力的的分分布布情情况况，，目目前前还还不不能能根根据据有有限限的的测测点点的的结结果果来来加加以以确确定定。。◆对岩体体初始始应力力的初初步认认识★上覆岩岩石的的重量量是形形成岩岩体初初始应应力的的基本本原因因之一一，岩岩体自自重作作用不不仅产产生垂垂直应应力，，而且且借助助“泊泊松效效应””和流流变效效应而而产生生水平平应力力。★初始应应力的的形成成，取取决于于地形形及地地壳结结构运运动，，这通通常有有是高高的水水平应应力产产生的的主要要原因因。★许多地地区岩岩体初初始应应力实实测结结果表表明：：水平平应力力大大大超过过上覆覆岩体体的重重量算算得的的结果果，这这是由由于构构造动动力学学方面面的原原因，，或地地质剥剥蚀的的原因因。★天然岩岩体中中的断断层，，对初初始应应力起起着解解除或或部分分解除除的作作用。。★坚硬完完整的的岩石石，在在一定定地质质条件件下，，可以以聚集集大量量的