水利水电工程水工隧洞培训讲义

第5章水工隧洞

1第一节概述一、水工隧洞概念在地基内开挖而成，四周被围岩包围起来的水工建筑物。二、功能1.泄洪；2.发电、灌溉、给水等所需的引水；3.检修或其他原因需要放空水库；4.排沙；5.施工导流2三、类型1、按功能分：泄洪、泄水、引水、输水、放空、排砂、施工导流。2、按流态分：有压和无压。3、按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。4、按流速分：高速（>16m/s）,低速(<16m/s)3刘家峡水电站

由混凝土重力坝、黄土副坝、电站厂房及泄洪排沙等建筑物组成，是以发电为主，兼有防洪、防凌等作用的枢纽。由于河谷狭窄，导流及泄洪量大，除布置有开敞式河岸溢洪道外，还设有大断面的导流兼泄洪隧洞。4南水水电站由定向爆破堆石坝、导流兼泄洪隧洞、引水隧洞、调压井和地下厂房等组成。由于拦河坝处于峭壁狭窄中，故采用隧洞导流、泄洪。5白山水电站拦河坝为三心等厚重力拱，设有三条引水隧洞和三条尾水隧洞。

6四、工作特点结构型式和承载方面

开挖前：岩体处于整体稳定状态，

开挖后：原由的地应录平衡被打破，引起变形，严重时可能导致岩石崩塌，需进行开挖衬砌支护。围岩压力(山岩压力)与弹性抗力的概念1.围岩压力:隧洞开凿后由于围岩变形(或塌落)而作用在衬砌上的压力,是一种主动力.2.弹性抗力:当衬砌受到某些主动力的作用而向围岩方向变位时,会受到围岩的限制而产生反作用力.是一种被动力,能协助衬砌分担外荷载,是有利的.水力特性封闭断面水工隧洞受高水头动水压力作用。有压隧洞—相当于管流，受内水压力作用。若衬砌漏水，压力水渗入围岩裂隙，从而产生附加渗透压力，导致岩体失稳。要求坚固的衬砌。无压隧洞—明渠流，高速水流下，在固体不平整边界上可能会引起空蚀。施工方面无论开挖或衬砌，其工作面比地面上小得多，洞线长，干扰大。7五、采用水工隧洞的条件1、山岭起伏地区的引水式电站；2、过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖方大不经济时；3、修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰冻威胁时；4、深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导流及泄洪建筑物时；5、水电站厂房采用地下结构时。8第二节水工隧洞的总体布置水工隧洞总体布置的重要性:我国水利水电工程建设表明，少数水工隧洞之所以发生问题多系布置上考虑不周所致。布置上的失误，轻则证件结构设计难度，或造成工期的拖延，重则迫使在施工中改变线路，或不能按预定目的运行。隧洞布置合理与否，对围岩稳定、水流条件、建设工期和工程造价有决定的影响。因此，合理的工程布置是水工隧洞设计的关键。这里以泄水隧洞（或引水发电隧洞）为研究对象。9一、水工隧洞的总体布置

水工隧洞的结构组成：进口段，洞身段，出口段。

10闸门的的布置置：对泄水水隧洞洞来说说，一一般需需设两道闸闸门，即控控制泄泄流的的工作作闸门门和工工作闸闸门检检修时时挡水水的检检修闸闸门。。检修闸闸门一般位位于隧隧洞进进口处处，且且在工工作闸闸门上上游。。工作闸闸门一般位位于：：有压压隧洞洞：出出口处处；无无压隧隧洞：：进口口处。。启闭：：工作作闸门门应能能在动动水中中启闭闭；检检修闸闸门在在动水水中关关闭，，静水水中开开启。。泄水隧隧洞的的布置置形式式：表孔孔泄洪洪隧洞洞和深深式泄泄水隧隧洞。。11１、表表孔泄泄洪隧隧洞的的布置置（1）表孔孔泄洪洪隧洞洞的主主要方方式:正堰斜斜井式式斜洪洪洞。。所谓表表孔就就是进进水口口位于于水面面附近近。组成：：正向向溢流流堰，，陡坡坡斜井井，隧隧洞及及出口口消能能段。。(2)正堰斜斜井式式斜洪洪洞的的布置置进口：：选择择地质质、地地形条条件好好的地地方以以保证证洞口口稳定定、入入流顺顺畅。。出出口：：高程程受下下游水水位控控制，，除对对地质质地形形条件件有所所要求求外，，应注注意消消能工工的布布置以以利于于与下下游水水流的的衔接接。其结构构组成成类似似于河河岸正正槽式式溢洪洪道，，不同同之处处在于于泄水水陡槽槽以封封闭式式代替替开敞敞式。。泄洪洪时闸闸门的的斜井井及隧隧洞中中多为为无压压流。。122、深孔孔泄水水隧洞洞的布布置组成：：水下下进水水口，，洞身身和出出口消消能段段。根据进进水口口位置置的不不同可可将进进水口口分为为低位位进水水口和和“龙龙抬头头”式式进水水口。。131415二、水水工隧隧洞的的选线线和定定位水工隧隧洞的的布置置是其其设计计问题题中的的关键键，隧隧洞的的选线线则是是隧洞洞布置置得首首要问问题，，直接接关系系到施施工期期限，，工程程造价价及工工程运运行的的可靠靠性。。影响响隧洞洞线路路选择择堵塞塞因素素很多多，诸诸如地地形、、地质质条件件，施施工条条件等等。设设计时时必须须根据据隧洞洞的用用途，，综合合考虑虑地形形地质质、施施工，，枢纽纽总体体布置置及对对周围围环境境的影影响等等各种种因素素，拟拟定不不同方方案，，经技技术经经济比比较后后确定定。选线原原则：：地质条条件好好，线线路短短，水水流顺顺畅，，与枢枢纽和和其他他建筑筑物互互不影影响，，安全全经济济。具体要要求：：地质条条件：洞线线宜选选在地地质构构造简简单，，岩体体完整整且稳稳定，，其上上的覆覆盖层层厚度度大（（尤其其对有有压隧隧洞来来说洞洞顶以以上围围岩厚厚度至至少要要大于于洞顶顶静水水压力力的重重量）），施施工方方便的的地段段。避避开破破碎带带，避避开地地下水水位高高、可可能坍坍塌的的不稳稳定岩岩石地形条条件：：平面上上尽量量直线线布置置，必必须转转弯时时要求求转弯弯半径径不小小于５５倍洞洞径或或洞宽宽，弯弯道转转角不不大于于60°°，弯段段上下下游直直线段段长度度不小小于５５倍洞洞径或或洞宽宽。无无压隧隧洞高高速流流段尽尽量不不转弯弯。16纵剖面面上：：(1)有压隧隧洞（（引水水）的进水水口高高程取取决于于发电电死水水位，，尾水水高程程取决决于下下游最最低尾尾水位位。纵纵向坡坡度的的选取取考虑虑施工工排水水和防防空隧隧洞进进行检检修的的要求求，一一般为为不小小于0.5%－0.1%的正坡坡。(2)无压泄泄水隧隧洞的进口口高程程取决决于水水库要要求泄泄放的的最低低水位位，出出口高高程决决定于于下游游最高高洪水水位，，应避避免水水跃。。其纵纵坡通通过水水利计计算确确定，，多采采用陡陡坡以以防止止洞内内泥沙沙淤积积。运行条条件：：不影响响枢纽纽和其其他建建筑物物的正正常工工作。。泄水水隧洞洞出口口应与与拦河河坝的的坝脚脚有一一定距距离，，泄洪洪消能能出口口与坝坝脚相相距200米以上上，以以防出出洞水水流冲冲刷坝坝脚。。发电电洞尾尾水则则应避避开或或隔开开枢纽纽建筑筑物泄泄流时时可能能导致致的水水位波波动。。施工开开挖条条件：：洞线应应与枢枢纽其其他建建筑物物保持持一定定距离离以免免洞室室开挖挖爆破破影响响建筑筑物基基岩的的稳定定。长长隧洞洞可设设几个个支洞洞以增增加开开挖面面。17第三节水水工隧洞的的进口段一、表孔泄泄洪隧洞的的进口类似于正槽槽溢洪道的的进口堰型型选择流溪河水电电站泄洪洞洞进口单单位：m18二、深孔水水工隧洞的的进口1、基本结构构形式按其布置和和结构型式式不同，分分为：竖井井式,塔式,岸塔式,斜坡式,组合式竖井式进水水口：（图）组成：闸前渐变段段，竖井，，闸后渐变变段。优点：结构简单，，节省工作作桥,不受风浪和和冰的影响响，抗震及及稳定性好好。缺点：竖井开挖困困难，检修修门前一段段隧洞检修修不便。适用：河岸岩石石坚固,开凿竖井无无塌方危险险。竖井式进水水口单单位:m19塔式进水口口：组成：闸前渐变段段，塔身，，闸后渐变变段。优点：为独立悬臂臂结构，布布置紧凑,闸门检修相相对来说方方便。缺点：另设工作桥桥，可能增增加投资，，需进行稳稳定验算。。适用：进口处岸坡坡低缓,覆盖层较厚厚,山岩破碎,不宜开凿竖竖井。类型：框架式塔和和封闭式塔塔。框架式塔式式进水口单单位：：m封闭式塔式式进水口20岸塔式进水水口：优点：稳定性比塔塔式好，造造价比塔式式省，施工工方便,地形、地质质条件许可可时优先选选用。缺点：若倾斜,闸门也斜,启门力增加加,不易靠自重重关闭闸门门.适用：进口处岩石石坚固，可可开挖成近近于直立的的陡壁时。。岸塔式进水水口单单位:m21斜坡式进水水口：优点：结构简单，，施工方便便，稳定性性好，造价价最低。缺点：斜坡上装闸闸门，关门门时不易靠靠自重下降降，需另加加关门力。。适用：较为完整的的岩坡。响洪甸泄洪洪洞斜坡式式进水口单单位：：m22组合式进水水口：组合式进水水口单单位：m232、深孔水工工隧洞的体体型（1）闸前及闸闸后渐变段段：闸前喇叭叭口和闸后后渐变段.上墙:侧墙:D---断面高度B---断面宽度方变圆的渐渐变段闸后渐变段段的长度以以洞身直径径或洞高的的1.5～2.0倍为宜.2425（2）通气孔:补气和排气气.（3）平压管（（图）（4）拦污栅平压管26第四节隧隧洞的洞洞身段一、断面尺尺寸及衬砌砌构造断面尺寸由水力计算算得到。水水力计算包包括泄流能能力，水头头损失，压压坡线（有有压流），，水面线（（无压流））。断面形式：与水流条条件、工程程地址条件件和施工条条件等有关关。27（一）有压压隧洞断面面形态与过过水能力：：圆形圆形断面的的优点：流流态好，受受力条件好好，过水能能力强。洞身过水面面积：w—洞身过水面面积，Q—最大设计流流量，—兼计沿程与与局部阻力力的流量系系数，H—计算断面的的作用水头头。有压引水隧隧洞洞内水水流流速低低，以减小小水头损失失，保证发发电所需的的能量；有压泄洪隧隧洞洞内水水流流速高高，以便让让洪水尽快快下泄。28（二）无压压隧洞断面面形态及过过水能力：：城门洞形、、马蹄型或或圆形城门洞形断断面的优点点：适宜于于承受垂直直山岩压力力，也便于于开挖和衬衬砌。城门洞形断断面的缺点点：拱圈受受力较差。。为了减小或或消除作用用在侧墙上上的侧向围围岩压力，，可把直墙墙改为斜墙墙，变成马马蹄形断面面。292、型式按设置目的的分为抹平衬砌和受力衬砌两类。（1）抹平衬砌砌用砼、喷浆浆及浆砌石石做成的护护面。不承承受荷载（2）受力衬砌砌：单层，组合合，预应力力，喷锚等等,一般衬砌（（单层）厚厚度为1/8～1/12洞径且>25cm。单层：用砼、钢筋筋混凝土或或浆砌石做做成。组合式：根据衬砌的的不同受力力特点和运运用要求，，用不同材材料组成的的双层、多多层衬砌。。预应力：在施工中预预施环向压压应力，运运行时衬砌砌可承受由由巨大内水水压力引起起的环向拉拉应力。适适用于高水水头圆洞。。喷锚支护:新奥法(NATM)的表现形式式.喷混凝土支支护和锚杆杆支护.（三）衬砌砌构造———沿开挖洞壁壁做成的人人工护壁。。1、衬砌的作作用（1）阻止围岩岩变形发展展，保证其其稳定；（2）加固围岩岩承受围岩岩压力、内内水压力和和其他荷载载；（3）防止渗漏漏；（4）保护岩石石免受水流流、空气、、温度、干干湿变化等等侵蚀破坏坏；（5）平整围岩岩，减小表表面糙率。。30隧洞断面形形式及衬砌砌类型(单位：cm)(a)～(f)—单层衬砌；；(g)～(i)—组合式衬砌砌；(k)～(l)—预应力衬砌砌313、衬砌的分分缝和止水水（1）整体式衬衬砌在施工工中要分段段分块浇筑筑，需设横横、纵向工工作缝（图图）；跳仓仓浇筑.陆浑水库泄泄洪洞衬砌砌施工分缝缝

单位位：m衬砌的纵向向施工缝32（2）永久横向向伸缩缝：：沉陷变形形伸缩缝和和温度变形形伸缩缝（（图）。伸缩沉陷缝缝

单位位：m334、灌浆、防防渗和排水水（1）灌浆：回回填灌浆和和固结灌浆浆。回填灌浆：：填充衬砌砌与围岩之之间的空隙隙，使之紧紧密结合以以改善传力力条件，减减小渗漏。。一般施工中中在衬砌顶顶拱部分时时预留灌浆浆孔（图））。范围：：顶拱90º～120º之间，孔矩矩和排矩2～6米，灌浆压压力一般为为0.2～0.5MPa.固结灌浆：：为了加固固围岩，提提高围岩的的强度和整整体性，减减小山岩压压力，保证证岩石的弹弹性抗力，，减小地下下水对衬砌砌的压力和和减少渗漏漏而做。由由于其一般般在衬砌后后进行，故故还可起预预压作用。。孔深：一倍倍隧洞半径径，梅花形形，间矩2～4米。灌浆压力：：1.5～2.0倍内水压力力，一般0.3～1.0MPa.灌浆孔布置置图34（2)防渗与排水水当地下水位位较高时外外水压力将将会成为主主要荷载,因此防渗排排水设施不不可缺少.对无压洞:当外水压力力较大时,可在洞内最最高水面线线以上通过过衬砌来设设置排水孔孔（图）.对有压洞:在洞底部设设置纵向排排水管和横横向排水沟沟,间矩6～8米.无压隧洞排排水布置图图35第五节隧隧洞的出出口段一、出口段段结构体型型1、有压：出口处设闸闸门，因此此设闸室，，用以布置置闸门及相相应的启闭闭设备，门门前设渐变变段，门后后接消能设设施。2、无压：出口处无闸闸门，因此此其型式相相对简单，，仅设门框框，以防洞洞脸及其上上部岩体崩崩塌，洞身身直接与消消能设施相相连。36二、消能方方式1、挑流消能能2、扩散水跃跃消能3、洞内消能能37第六节隧隧洞衬砌的的结构计算算一、水工隧隧洞的荷载载组合基本荷载与特殊荷载１）正常运运用情况围岩压力+衬砌自重+设计洪水时时的内、外外水压力２）施工、、检修情况况围岩压力+衬砌自重+可能最大的的外水压力力３））非非常常运运用用情情况况围岩岩压压力力+衬砌砌自自重重+校核核洪洪水水时时的的内内、、外外水水压压力力38二、、衬衬砌砌上上的的荷荷载载计计算算１、、围岩岩压压力力：垂垂直直围围岩岩压压力力；；侧侧向向围围岩岩压压力力；；底底部部上上挤挤力力392、弹性性抗抗力力：当衬衬砌砌受受力力变变形形后后，，变变形形方方向向指指向向围围岩岩，，就就产产生生弹弹性性抗抗力力。。*考考虑虑弹弹性性抗抗力力的的条条件件:(1)围岩岩没没有有不不利利的的断断层层或或裂裂隙隙;(2)围岩岩厚厚度度大大于于洞洞中中内内水水压压力力的的0.4倍;(3)围岩岩厚厚度度大大于于3倍洞洞径径;(4)围岩岩与与衬衬砌砌之之间间的的间间隙隙被被完完好好填填充充,接触触紧紧密密.弹性性抗抗力力的的计计算算：：其中中,k为岩岩石石抗抗力力系系数数,为围围岩岩变变形形.3.水荷荷载载（1）内水水压压力力：有有压压:压坡坡线线。无压压:洞内内水水深深。（2）外水水压压力力：指指作作用用在在衬衬砌砌外外壁壁上上的的地地下下水水压压力力，，其其值值取取决决于于洞洞外外地地下下水水位位线线的的高高低低和和外外水水压压力力，，折折减减系系数数的的大大小小。。40三、、隧隧洞洞衬衬砌砌的的结结构构计计算算衬砌砌的的计计算算包包括括确确定定衬衬砌砌厚厚度度，，配配筋筋，，校校核核衬衬砌砌强强度度等等计算算方方法法：（1）结结构构力力学学方方法法：：以衬衬砌砌为为计计算算方方法法，，只只能能求求到到衬衬砌砌的的应应力力，，得得不不到到围围岩岩的的应应力力；；（2）弹弹性性力力学学方方法法：：以隧隧洞洞整整体体为为计计算算对对象象。。要要求求围围岩岩满满足足均均匀匀各各向向同同性性无无限限弹弹性性体体，，圆圆洞洞，，均均匀匀内内压压力力要要求求。。（3）有有限限元元方方法法：：能够够对对任任何何复复杂杂的的岩岩体体结结构构中中的的隧隧洞洞进进行行线线性性或或非非线线性性分分析析，，成成为为最最有有效效的的方方法法。。41一、、铅铅直直断断面面为为圆圆形形的的洞洞室室衬衬砌砌结结构构计计算算内水水压压力力是是主主要要荷荷载载，，同同时时应应谨谨慎慎而