水工隧洞概述讲义清楚明了

西安理工大学水利水电学院2014.5水工隧洞与坝下涵管主讲人：田嘉宁第一节概述一、水工隧洞的作用和类型1.作用（1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石头河水利枢纽；也可作为主要泄洪建筑物，例石砭峪水利枢纽、黑河水利枢纽。（2）引水兴利：发电、灌溉、供水、生态输水等。（3）排沙：延长水库使用年限，有利于水电站的正常运行。例三门峡左岸排沙洞、二龙山右岸排沙洞。（4）放空水库：满足人防和检修。（5）施工导流。如龙羊峡：15×16m2；二滩：20.5×25.5m2；黑河金盆水库：10×13m2。第一节概述一、水工隧洞的作用和类型石头河水利枢纽第一节概述一、水工隧洞的作用和类型三门峡水利枢纽第一节概述一、水工隧洞的作用和类型二龙山水库第一节概述一、水工隧洞的作用和类型①、②运行条件上差别较大，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替流态。危害：（a）易引起振动、空蚀。（b）影响泄流能力。2.类型按功用分：可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、放空和排沙洞、施工导流洞等。按流态分：①有压：水力计算时按管流计算。②无压：明渠流计算。净空面积不小于隧洞断面积的15％第一节概述二、工作特点Q∝H1/2，比表孔超泄能力低，但进口位置低，可以提前预泄。H较高，P较大，启闭力也就要大，止水要求严格，承受的水头较高。V较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起闸门振动。q出口较大，能量集中，需采取适当的防冲设施。1.水力特点（进口位于水下）2.结构特点（洞身处于地下）洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常

布置临时支护和永久性衬砌。在运行期，承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和必要的衬砌。第一节概述二、工作特点隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。3.施工特点第一节概述三、水工隧洞的组成进口段：控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段等。洞身段：输送水流。一般都需进行衬砌。出口段：连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门框，压力泄水隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。第二节水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置（1）应根据枢纽承担的任务，对泄水建筑物进行总体规划，确定洞线位置。（2）在选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及型式，确定闸门在洞中的位置。（3）确定纵坡i、横断面形状及尺寸。（4）根据地形、地质、尾水位以及与其它建筑物间的相互关系等条件确定出口位置、底板高程及消能方式。（5）还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。1.总体布置第二二节节水水工工隧隧洞洞的的布布置置一、、水水工工隧隧洞洞的的布布置置（1）隧隧洞洞的的线线路路应应尽尽量量避开开不不利利的的地地质质构构造造、围围岩岩可可能能不不稳稳定定及及地地下下水水位位高高、、渗渗流流量量丰丰富富的的地地段段，，以以减减少少作作用用于于衬衬砌砌上上的的围围岩岩压压力力和和外外水水压压力力。。（2）在平面面上应力力求短、直，这样可可以减少少工程费费用，方方便施工工、减少少水头损损失。另另外，进进出口应应使水流尽量量平顺，且对其其他建筑筑物无影影响。2.线路选择择泄水隧洞洞的线路路选择是是设计中中的关键键，关系系到工程造价价、施工工难易、、工期长长短和运运行可靠靠性等方面。。对于无压压隧洞，，转弯时时：当V≥20m/s，R≮5B（5D）；当V＜20m/s，R≮3B（3D）。转角＜60°。弯道两端端的直线线段S≥5B（5D）。（3）隧洞应应有一定定的埋藏藏深度进、出口口：顶部岩岩体厚度度≮1B（1D）。有压隧洞洞洞身，围岩厚厚度＞3D，或根据据工程经经验：有有衬砌时时围岩厚厚度T≮0.4H（H为内水压压力水头头）；不不衬砌或或锚喷衬衬砌：围围岩厚度度T≮1.0H。还应满满足不发发生渗流流失稳和和水力劈裂裂要求。（4）纵坡：：应根据据运用要要求、用用途、上上下游衔衔接、施施工和检检修等因因素综合合分析比比较后确确定。无压洞：：i＞ik；有压洞：：取决于于进口高高程和出出口高程程，要求保持持不小于于2m的压力水水头。不宜采采用平坡坡或反坡坡，因其其不利于于检修排排水。第二节水水工工隧洞的的布置一、水工工隧洞的的布置2.线路选择择（5）对于长长隧洞，，应利用用地形、、地质条条件、布布置一些些施工支（（平）洞洞、斜井井、竖井井，以增加加工作面面，加快快施工进进度。例例引滦入入津工程程在9.68km的引水隧隧洞中布布置了15个斜支洞洞、4个竖井，，将整个个隧洞分分成20份，9680/20=484m。第二节水水工工隧洞的的布置一、水工工隧洞的的布置2.线路选择择第二节水水工工隧洞的的布置二、闸门门在隧洞洞中的布布置一般布置置工作闸闸门、检检修闸门门两道门门（或事事故闸门门）。（1）检修闸门门：一般设设在进口口，要求求能在短短期内挡挡水，在在静水中启启闭，所有隧隧洞都应应设检修修闸门。。（2）事故闸门门：位于检检修门上上游，用用以在发发生事故故时快速关闭（快速闸闸门）。要求在动动水中关关闭，静静水中开开启，一般大大型工程程中采用用。（3）事故检修修门：具备检检修闸门门和事故故闸门的的特点，，因此可可在动水中关关闭，静静水中开开启。（4）工作闸闸门：工作闸门门设在进进口——一般为无无压洞优点：①①工作门门和检修修门都设设在进口口，工作作门后为为无压洞洞，洞内内不受内内水压力力作用，，有利于边边坡稳定定；②检修门门和工作作门都在在首部，，运行管理理方便；③易于检检修和维维修。缺点：①①对工作作门后隧隧洞布置置要求较较高，如如若设置弯道道，其流流态差，，易产生生折冲水水流；②对工作作门后隧隧洞内流流速有一一定要求求，若流速高则则易发生生空蚀破破坏。如李家家峡导流流洞：V=14.5m/s左右，边边壁发生生严重破破坏。第二节水水工工隧洞的的布置二、闸门门在隧洞洞中的布布置工作闸门门设在出出口——多为有压压洞优点：①①运行时时洞内水流流态态平稳；②隧洞洞洞线布置置适应性性强（可可设弯道道）；③闸门控控制结构构简单，，管理方方便；缺点：①①由于检检修闸门门和工作作闸门分分别在进进口和出出口，故故运行管管理不便便；②洞内为为有压流流，一旦旦衬砌漏漏水对岩岩坡和土土坝建筑筑物将造造成危害害。第二节水水工工隧洞的的布置二、闸门门在隧洞洞中的布布置第二节水水工工隧洞的的布置二、闸门门在隧洞洞中的布布置布置在洞洞身某一一位置（门前有有压，门门后无压压）①由于于隧洞线线路平面面上需要要转弯，，工作闸闸门室设设在转弯弯后，弯道为有有压，直直线段为为无压。例三门门峡排沙沙、泄洪洪洞；东江右岸泄洪洪洞；碧口左岸泄洪洪洞。②洞内内某处较较出口处处的地质质条件好好，工作作闸门布布置在洞洞中，可以利用用岩体承承受闸门门传输的的水推力力。三门峡1#泄洪排沙沙洞第二节水水工工隧洞的的布置三、多用用途隧洞洞的布置置前期为导导流洞，，后期为为泄洪洞洞。常作成成“龙抬抬头”式式，在进进口之后后用抛物物线段、、斜坡段段及反弧弧段与较较低的洞洞身相连连接。““龙抬头头”式泄泄洪洞，，一般是是水头高高，流速速大，反反弧及下下游易遭遭空蚀破破坏，为为了避免免空蚀，，应做好好体形设设计，控控制施工工质量，，限制不不平整度度，并选选用适当当的掺气气减蚀措措施。采采用“龙龙抬头””形式的的如：刘家峡、碧口、、石头河河、毛家家村等工工程。1.导流洞与与泄洪洞洞合一布布置第二节水水工工隧洞的的布置三、多用用途隧洞洞的布置置（1）主洞泄洪洪（直洞泄泄洪）、、支洞发电电（岔洞发发电），，如碧口水电站站。洞内流态态较好，岔岔尖附近的的负压相对对较小，发发电支洞回回流强度弱弱，范围也也小。但泄泄洪时，由由于洞内流流速加大，，有效水头头降低，出出力相应减减小。（2）主洞发电、、支洞泄洪洪。2.泄洪洞与发发电洞合一一布置存在问题：：（1）岔尖处的的水流流态态复杂，容容易产生不不利负压和和空蚀。（2）泄洪时对对发电不利利。分岔角角一般在30°～60°之间。第二节水水工隧洞洞的布置三、多用途途隧洞的布布置发电与灌溉溉洞合一。发电后的的尾水用于于灌溉。由由于发电要要求经常供供水，而灌灌溉用水是是季节性的的，因此这这种布置的的主要问题题是用水上上的矛盾。。泄洪与排沙沙隧洞合一一。由于排沙沙洞的进口口高程较低低，施工期期还可结合合导流，导导流完成后后改建为泄泄洪排沙洞洞。但对于于高水头情情况，在设设计中需要要认真研究究高流速含含沙水流的的冲蚀、磨磨损及消能能问题。3.其他任务隧隧洞的合一一布置第三节隧隧洞的进进出、口建建筑物一、进口建建筑物进口建筑物物的主要形形式有三种种：竖井式、塔式和岸岸塔式。竖井式进水水口是在隧洞进口附附近的岩体体中开挖竖竖井，井壁衬砌砌，闸门设设在井的底底部，井的的顶部布置置启闭机械械及操纵室室。1.竖井式第三节隧隧洞的进进出、口建建筑物一、进口建建筑物进口建筑物物的主要形形式有三种种：竖井式、塔式和岸岸塔式。优点：结构简单、、不受风浪浪、水的影影响，抗震震及稳定好好，地形条件适适宜时，工工程量较小小。缺点：竖井开挖较较困难，竖竖井前的一一段隧洞检检修不便。适用：地质质条件较好好、岩体比比较完整的的情况。1.竖井式独立于隧洞洞首部而不不依靠岩坡坡的封闭式塔或或框架式塔塔，塔底装设设闸门。封封闭式塔断断面：大、、中型工程程多采用矩形，也有圆形形和多边形形。2.塔式第三节隧隧洞的进进出、口建建筑物一、进口建建筑物进口建筑物物的主要形形式有三种种：竖井式式、塔式和岸塔式。。2.塔式第三节隧隧洞的进进出、口建建筑物一、进口建建筑物进口建筑物物的主要形形式有三种种：竖井式式、塔式和岸塔式。。优点：开挖量小，可在不同同高程设取取水口。缺点：受风风浪、地震震、冰的影影响大，稳定性相对对较差，需要工作作桥与库岸岸相连，施施工安装不不方便。适用：岸坡坡地形较低低缓，岩石石较差，覆覆盖层较厚厚。靠在开挖后后洞脸岩坡坡上直立的或倾倾斜的进水水塔。优点：稳定定性比塔式式好；无须接岸桥桥梁，施工、安装装比较方便便。缺点：受风风浪、冰、、地震有一一定影响。。适用：岸坡坡较陡，岩岩体比较坚坚固稳定的的情况。3.岸塔式第三节隧隧洞的进进出、口建建筑物一、进口建建筑物进口建筑物物的主要形形式有三种种：竖井式式、塔式和和岸塔式。4.斜坡式第三节隧隧洞的进进出、口建建筑物一、进口建建筑物进口建筑物物的主要形形式有三种种：竖井式式、塔式和和岸塔式。。在较为完整的的岩坡上进行行平整开挖、、护砌而成的的一种进水口口。例：响洪甸甸、磨子潭泄泄洪洞。优点：结构简简单，施工、、安装方便，，稳定性好，，工程量小。。缺点：闸门面积加大大，关门时不易靠靠自重下降。适用：中、小小型工程，或或只用于安设设检修闸门的的进水口。5.组合式第三节隧隧洞的进出、、口建筑物一、进口建筑筑物进口建筑物的的主要形式有有三种：竖井井式、塔式和和岸塔式。三门峡1#泄洪排沙洞第三节隧隧洞的进出、、口建筑物二、进口段的的组成位置：在隧洞的首部。要求：①其体形与孔孔口水流的形形态相适应，，使水流平顺顺通过，而不不致脱壁；②避免产生不不利的负压和和空蚀破坏；；③减少局部水水头损失，以以提高泄流能能力。体型：常采用用矩形断面，顶板和和边墙顺水流流方向三面收收缩，平底。。喇叭口的顶板板和边墙常采采用椭圆曲线线，其方程为：：进口段包括：：进水喇叭口、、闸门室、通通气孔、平压压管、渐变段段等几个部分组组成。1.进水喇叭口第三节隧隧洞的进出、、口建筑物二、进口段的的组成2.通气孔（1）位置：①设设在泄水隧洞洞进口或中部部的工作闸门之后后。②设在检修门和工作作门之间。（2）作用：①工作闸门在在各级开度情情况下：补气气②检修时：补补气。③检修完毕，，工作闸门和和检修门之间间充水平压，，此时排气。。（3）布置上注意意点：①通气孔的进口必须与与闸门启闭机机室分开，因因为进口处气流速度度大，以免在在补气、排气气时，影响工作人员员的安全。[Va]≤40～45m/s②通气孔应力求求减少转弯，，突变，以减减少阻力。第四节隧隧洞洞身段一、洞身断面面形式1.无压洞（1）城门洞形（圆拱直墙形形）优点：施工（开挖、立模模、衬砌）简单，为渠道上的的隧洞其进出出口与渠道连连接也简单。。顶拱中心角：：φ＝90°～180°。适用：垂直山山岩压力较大大，而无侧向向山岩压力或或侧向山岩压压力很小的情情况。为减小小或消除侧向向山岩压力，，可把边墙作作成倾斜的。。第四节隧隧洞洞身段一、洞身断面面形式1.无压洞（2）马蹄形（由三个不同同半径的圆弧弧组成）适用：岩石比比较软弱破碎碎，垂直山岩岩压力和侧向向山岩压力均均较大情况。。（3）圆形适用：围岩条条件较差，且且外水压力较较大，掘进机机施工。（4）蛋形第四节隧隧洞洞身段一、洞身断面面形式2.有压洞（1）圆形：水流流条件和受力力条件均有利利；在面积一定的的条件下，圆圆形过流能力力最大。（2）也可以采用用无压洞的断断面形式——在围岩较好，，内水压力不不大时，为了了施工方便。。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布置，通过必必要的水力计算及水工模型试验验确定。另外，，在确定隧洞洞断面尺寸时时，还应考虑虑到洞内施工工和检查维修修等方面的需需要，圆形断面的内内径不小于1.8m，非圆形洞的的断面不小于于1.5m×1.8m。第四节隧隧洞洞身段二、洞身衬砌砌1.衬砌的作用（1）阻止围岩变形形的发展，保保证围岩稳定定；（2）承受山岩压压力、内水压压力及其它荷荷载；（3）防渗漏；（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；（5）减小隧洞的的表面糙率等。按衬砌目的分分：平整衬砌砌、受力衬砌砌按材料分：砼衬砌、钢筋砼衬砌、浆砌石衬砌砌2.衬砌类型2、3类围岩采用素素混凝土衬砌砌，4、5类围岩采用钢钢筋混凝土衬衬砌第四节隧隧洞洞身段二、洞身衬砌砌3.衬砌分缝分缝原因：混凝土或钢钢筋混凝土衬衬砌在施工和和运用期：①由于混凝土的干缩缩和温度应力力可能产生裂缝缝；②当隧洞穿穿过地质条件件变化显著地地区（通过断断层、破碎带带及其它软弱弱地带）可能能由于不均匀沉降而而产生裂缝；③施工只能能是分块分段段浇筑。（1）施工缝（临临时）横向（垂直轴轴线）：间距距由浇筑能力定；纵向（平行轴轴线）：根据据浇筑能力，，缝设在顶拱拱、边墙及底底板分界处或或是内力较小小部位；施工缝：需进行凿毛处处理或设插筋筋以加强其整整体性。第四节隧隧洞洞身段二、洞身衬砌砌3.衬砌分缝（2）伸缩缝（永永久）：防止止混凝土干缩缩和温度应力力而产生的裂裂缝。间距：：6～12m，缝中设止水。（3）沉降缝（永永久）：设置置部位：①通过断层层破碎带或软软弱带：衬砌砌加厚，厚度突变处；②洞身与进进口渐变段等等接头处，可可能产生较大大位移的地段段。缝中设设止水水，填填沥青青油毡毡或其其他填填料。实际工工程中中：横横向施施工缝缝、沉沉降缝缝、伸伸缩缝缝，尽尽量结结合在在一起起。第四节节隧隧洞洞洞身身段二、洞洞身衬衬砌4.灌浆目的：：为了了充填衬衬砌与与围岩岩之间间的空空隙，使之之紧密密结合合，共共同工工作，，改善善传力力条件件和减减少渗渗漏。。做法：：在顶顶拱部部位预预留灌灌浆管管，在在衬砌砌完成成后，，通过过预埋埋管进进行灌灌浆。。范围：：一般般在顶顶拱中中心角角90°～120°以内。。孔距、、排距距：一一般为为2～6m（深入岩岩体＞＞5cm）。灌浆压压力：：混凝凝土衬衬砌0.2～0.3MPa；钢筋筋混凝凝土衬衬砌0.3～0.5MPa。（过过高会会破坏坏衬砌砌结构构）。。（1）回填填灌浆浆第四节节隧隧洞洞洞身身段二、洞洞身衬衬砌4.灌浆（2）固结结灌浆浆目的：：在于于加固固围岩岩，提高围围岩的的整体体性和承载载能力力，减减小渗渗漏。。范围：：整个断断面。孔深：：入岩岩2～5m，对于围围岩条条件差差的地地段或或直径径较大大的隧隧洞达达6～10m。排距：：2～4m，每排不不宜少少于6孔，作作对称称布置置。灌浆压压力：：一般般采用用0.4～1.0MPa或更大大，对对于有有压隧隧洞可可用1.5～2.0H(H为内水水压力力)。第四节节隧隧洞洞洞身身段二、洞洞身衬衬砌4.灌浆第四节节隧隧洞洞洞身身段二、洞洞身衬衬砌5.排水作用：：降低作作用在在衬砌砌上的的外水水压力力。（1）有压压洞：：外水水压力力一般般不控控制衬衬砌设设计，，仅在在外水水压力力较大大时设设置排排水。。（2）无压压洞：：外水水压力力较大大时，，设置置排水水（径径向、、纵向向）径向：：在洞洞内水水面线线上通通过衬衬砌设设置排排水孔孔排水孔孔距、、排距距一般般为2～4m深入入岩岩体体2～4m，将地地下下水水引引入入洞洞内内。。在洞洞内内水水面面下下也也有有设设置置排排水水孔孔（（如如刘刘家家峡峡电电站站导导流流洞洞）），，因因为为隧隧洞洞放放空空后后，，底底板板及及侧侧墙墙难难以以满满足足抗抗浮浮稳稳定定。。第四四节节隧隧洞洞洞洞身身段段二、、洞洞身身衬衬砌砌5.排水水总之之，，有压压洞洞的外外水水压压力力能能抵抵消消一一部部分分内内水水压压力力，，除除外外水水压压力力起起控控制制作作用用的的特特殊殊情情况况外外，，一般般不不需需设设排排水水，特特别别是是有有压压洞洞覆覆盖盖层层厚厚的的进进口口附附近近，，地地质质较较差差的的地地段段，，围围岩岩内内存存在在易易溶溶填填充充物物，，不不宜宜设设排排水水，，而而应应加加强强固固结结灌灌浆浆。第五五节节隧隧洞洞出出口口段段及及消消能能设设施施一、、出出口口段段的的布布置置1.无压压洞洞：：出口口仅仅设设有有门框框（以以防防洞洞脸脸及及上上部部岩岩石石崩崩塌塌）），，并并与与消消能能设设施施的的两两侧侧边边墙墙衔衔接接。。2.有压压洞洞出口口常常设设工工作作闸闸门门、、启启闭闭机机室室。。闸闸门门前前有有渐渐变变段段（（洞洞圆圆门门方方）），，出出门门之之后后为为消消能能设设施施，，为为避避免免负负压压，，常常采采用用断断面面收收缩缩的的方方法法。。第五五节节隧隧洞洞出出口口段段及及消消能能设设施施二、、消消能能方方式式常用用：：挑流流、、底底流流、、洞洞内内突突扩扩消消