水工隧洞概述清楚明了

第八章

水工隧洞

§1概述

一、水工隧洞的类型

二、水工隧洞的工作特点

三、水工隧洞的组成

一、水工隧洞的类型：分类方法：按功用分、按受力状态分。（一）按功用分：①泄洪②引水：发电、灌溉、供水；航运输水。③排沙④放空水库⑤施工导流（二）按受压状态分：（1）有压：水力计算、管流计算在工程布置上受力情况差别较大（2）无压：明渠流计算运行条件上（同一条洞前段有压，后段无压）禁忌：明满流交替危害：（1）易引起振动、空蚀。（2）影响泄流能力。具体到一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。二、水工隧洞的工作特点（1）水力特点：深式泄水孔：A泄水能力与H1/2成正比。B进口位置低，能预泄。C承受得水头较高，易引起空化、空蚀。D水流脉动会引起闸门等振动。E出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。（2）结构特点：A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。B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。（3）施工特点：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。三、水工隧洞的组成进口段洞身段出口段

§2水工隧洞的布置

及线路选择

一、总体布置及线路选择

二、闸门在隧洞中的布置

三、多用途隧洞的布置一、总体布置及线路选择（1）应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划。（2）在合理选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口的位置及进口结构形成，确定闸门在洞口中的位置。（3）确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。（4）根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的相互关系，选定出口的位置，底板高程及消能方式。选线是设计中一个至关重要的问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。选洞线的一般原则和要求为：（1）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、围岩可能不稳定及地下水位高、渗流量丰富的地段.在高地应力区,洞线与最大水平地应力方向一致或有较小的交角。（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，减少水头损失，便于施工。必须转弯时，其直线半径不宜小于5倍洞径或洞宽，转角不宜大于60o，弯道两端的直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）。（3）隧洞应有一定的埋藏深度。围岩厚度≥3D(D为洞径)围岩厚度≥0.4H(H为压力水头)进出口顶部岩体厚厚度≥0.1H（4）隧洞的纵坡，应应根据水利条件运运用要求、用途、上下游衔接接、施工和检修等等因素综合分析比较后确确定。（5）对于长隧洞，选选择洞线时还应注注意利用地形、地质条件、布置一一些施工支洞、斜斜井、竖井，以增加工作面，加加快施工进度。（6）要考虑进出口与其它建筑物的关系系：如果水库所建的坝坝是土石坝，则进口应应距离坝坡50M以上，出口应距离离坝坡100M以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞：为了保证电站进水水口免受泥沙淤积积威胁，故排沙洞进口布置在在靠近电站进口的的上游侧，高程比电站进水口低，，以使电站进口在在其拉沙漏斗范围内。泄水隧洞：出口方向要与下游游的河道衔接顺畅畅，减轻对岸边的的冲刷。每一个初步方案均均应用平面图和纵纵剖图来表示。平面图表示出：地形、隧洞和其它它建筑物的关系，，进口位置、闸门位位置、施工旁洞、、竖井、堆渣地点等等。纵剖面图表示出：：地质构造、断层破破碎带以及其它地地质特点，进出口及闸门位置置、底坡的坡率、洞底底高程。二、闸门在隧洞中中的布置泄水隧洞中一般布布置工作闸门，检检修闸门（或事故故闸门）可以布置在进口、、出口或隧洞中某某一适宜位置。。（1）布置在进口：一般为无压洞也可以是有压洞。。（平时利用闸门门挡水，保持洞内无水）（2）布置在出口：有压洞。（3）布置在洞身某一一位置A由于地形、地质、、施工和枢纽布置置上的原因，隧洞线路需需要转弯，闸门室室易布置在转弯段段后的直线段上。。B洞内某处较出口处处的地质条件好，，工作闸门布置在在洞中，可以利用用岩体承受闸门传传输的水推力.三、多用途隧洞的的布置：一洞多用，或临时时任务与永久任务务相结合。这样可减小工程量量，降低造价，也也可解决枢纽中单项工程过多造造成布置上的困难难。（一）泄洪洞与导导流洞合一布置常作成“龙抬头””式，在进口之后后用抛物线段、斜斜坡段、反弧段与与较低的洞身相连连接。“龙抬头”式泄洪洪洞，一般水头高高，流速大，反弧弧段及下游易遭空空蚀破坏。为了避避免空蚀，应做好好体形设计，控制制施工质量。并选选用适当的掺气减减蚀措施。（二）泄洪洞与发发电洞合一布置布置型式：存在问题：1、岔尖处的水流流流态复杂，容易产产生不利负压和空蚀。。2、泄洪时对发电不不利。泄洪发电泄洪（支洞）发电(主洞)岔尖①②（三）泄洪洞与排排沙洞合一布置排沙洞进口高程低低，在施工期可做做导流洞用。1、闸门水压力大，，启闭困难。（洪水期开启，水水头高。）2、泥沙堆积，闸门不不易开启。§3进口段一、形式及计算要要点

二、、进口段的组成部部分（一）进水喇叭口口（（二））通气孔（（三）拦污栅（（四）渐渐变段、闸门室及及平压管一、形式及计算要要点按布置与结构形式式分为：竖井式、塔式、岸岸塔式、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、进口段的组成成部分进口段包括：进水喇叭口、闸门门室、通气孔、平平压管、渐变段。。（一）进水喇叭口口位置：在隧洞的首部要求：①其体形与孔口水流流的形态相适应，，使水流平顺通过，而不致脱壁壁。②避免产生不利的负负压和空蚀破坏。。③减少局部水头损失失，以提高泄流能能力。体型：常采用矩形断面，，顶板和边墙顺水水流方向三面收缩缩平底矩形断面。喇喇叭口的顶板和边边墙常采用椭圆曲曲线，其方程为：：式中：a—长半轴顶板约约等于闸门处的孔孔口高度（H）边墙约等于闸门处处的孔口宽度（B）b—短半轴顶板：：H/3边墙：（1/3～1/5）B对于重要的工程，，进口曲线应通过过水工模型试验确确定。无压隧洞的压力进进口顶板，在检修修闸门上游通常是一段倾斜的椭圆曲曲线，以便与检修修闸门和工作门之之间的顶板衔接，，此顶板以1：4～1：6的坡度向下游缩，，以增加进口段的的压力，防止发生生空蚀。检修门槽前的入口口段长度可控制在在（0.8～1.0）倍工作闸门处的的孔口高度范围内内。检修门槽与工工作闸门之间的顶顶板也应布置成压压坡段（目的：收收缩断面进一步改改善进口的压力分分布和水流流态））。（二）通气孔位置：①设在泄水隧洞进口口或中部的工作闸闸门之后。②设在检修门和工作作门之间。作用：①工作闸门在各级开开度情况下—补气②检修完毕，工作闸闸门和检修门之间间充分输水直至平平压，此时排气。布置上注意点：①通气孔的进口必须须与闸门启闭机室室分开，因为进口口处气流速度大，，以免在补气、排排气时，影响工作作人员的安全。允许风速[Va]≤40～45m/s②孔管应力求减少转转弯，突变，以减减少阻力。通气量的的计算及及通气孔孔设计：：通气孔应应按正常常的泄流流情况设设计，其其断面多多为圆形形，其大大小决定定于通气气量和允允许风速速。通气量与与泄水流流量及下下游洞内内流态有有关。目前多采采用一些些经验公公式或半半经验公公式。①对于泄水水隧洞中中的工作作闸门和和事故闸闸门的通通气孔的的通气量量：②对于高高水头大大型工程程中重要要闸门后后的通气气孔（无无压隧洞洞或管道道）计算时先先假定通通气孔的的断面积积a，求得Qa后，再以以验验算算Va，确定其是是否超过过允许风风速（Va＜[Va]=40～45m/s）。否则，重重复上述述计算，，直到满满足为止止。检修门后后的通气气孔面积积，一般般以大于于或等于于充水平平压阀的的面积为为宜。（三）拦拦污栅（四）渐渐变段、、闸门室室及平压压管§4洞身段段一、洞身身断面形形式二二、洞洞身断面面尺寸三三、、洞身衬衬砌一、洞身身断面形形式洞身断面面形式，，取决于于水流条条件（有有、无压压），施施工条件件，地质质条件及及适用要要求。（一）无无压隧洞洞的断面面形式1、城门洞洞形（圆圆拱直墙墙形）优点：施工（开开挖、立立模、衬衬砌）简简单，为为渠道上上的隧洞洞，其进进出口与与渠道连连接也简简单。适用：垂直山岩岩压力较较大，而而无侧向向山岩压压力或侧侧向山岩岩压力很很小的情情况。为为减小或或消除侧侧向山岩岩压力，，可把边边墙作成成倾斜的的。2、马蹄形形：适用：岩石比较较软弱破破碎，垂垂直山岩岩压力和和侧向山山岩压力力均较大大的情况况。3、圆形适用：围岩条件件较差，，且内水水压力较较大，掘掘进机施施工。（二）有有压隧洞洞的断面面型式断面一般般采用圆圆形，其其原因：：①水流条件件和受力力条件均均有利。。②在面积一一定的条条件下，，圆形过过流能力力最大。。在围岩较较好，内内水压力力不大时时，为了了施工方方便，，也可采采用无无压隧洞洞常用的的断面形形式。二、洞身身断面尺尺寸洞身断面面尺寸，，可根据据给定的的泄流量量，作用用水头及纵断面面布置，，通过必必要的水水力计算算及水工工模型实实验确定定。导流洞尺尺寸与围围堰高度度有关，，涉及到到经济因因素。水力计算算内容：：1、有压隧隧洞任务：核算泄流流能力及及沿程压压坡线泄水能力力按管流流计算:式中：μ——考虑沿程程和局部部阻力的的系数。。ω出——隧洞出口口断面面面积（约约为洞身身面积80~90%）。H—作用水头头,m。为了保证证洞内水水流处于于有压状状态，一一般要求求洞顶应应有2M以上的压压力余幅幅，流速速高的隧隧洞,压力余幅幅可达10M左右。采用缩小小出口断断面面积积增大压压力，减减免负压压和空蚀蚀。2、无压隧隧洞计算泄水水能力，，①表孔式式进口，，按堰流流计算。。②深式短短管式进进口，泄泄水能力力决定于于进口压压力段，，仍用有有压管流流计算，，但系数数μ随进口段段局部水水头损失失而定。。（一般般在0.9左右，不不考虑沿沿程损失失，因为为距离短短），ω为工作闸闸门处的的孔口面面积。工作闸门门之后的的陡坡段段，可用用能量方方程分段段求出其其水面线线，为了了保证洞洞内为明明流（稳稳定的））状态，，水面线线上应有有一定净净空。流速低，，通气良良好：净空面积积不小于于隧洞断断面面积积的15%，高度≥40cm。流速高：：①要考虑掺掺气和冲冲击波的的影响，，在掺气气水面以以上的净净空约为为洞身面面积的15~25%。②对于城门门洞形断断面，冲冲击波峰峰还应限限制在直直墙范围围内。3、还应考考虑到施施工和检检查维修修等方面面的需要要非圆形不不小于1.5m×1.8m（高）圆形内径径不小于于1.8m三、洞身身衬砌（一）功功用1、阻止围围岩变形形的发展展，保证围岩稳定。2、承受山岩压力力、内水水压力及及其它荷载。3、防止渗渗漏。4、保护岩岩石免受受水流、、空气、、温度、、干湿变变化等的的冲蚀破破坏作用用。（防止岩石石分化）5、减小隧洞的表表面糙率等。（二）类型1、护面：平整（或或抹平）衬砌采用砼、喷浆、砌砌石等护面，不承承受荷载。作用：减小糙率、、防止岩石分化、防止漏水。适用：岩石较好，，水头较低的情况况。优点：造价低，施施工方便。2、单层衬砌适用：中等地质条件，断断面较大，水头较较高，流速较大的情况。采用：混凝土、钢钢筋混凝土、浆砌砌石。3、组合衬砌①内层为：钢板、钢钢丝网喷浆外层为：混凝土、、钢筋混凝土②顶拱为混凝土，边边墙为浆砌石（围围岩好,边墙护面）顶拱喷锚支护，边边墙底板为混凝土土或钢筋混凝土（无压洞洞）③先喷锚支护，再做做混凝土或钢筋混混凝土衬砌。适用:水头大、软弱破碎的岩体.4、预应力衬砌（以以隔河岩为例子发发电引水洞）适用：高水头有压压隧洞.衬砌型式的选择，，应根据隧洞能担担负的任务，地质质条件，断面尺寸，受力状状态，施工条件等等因素，通过综合合比较后确定。（三）衬砌分缝分缝原因：混凝土土或钢筋混凝土衬衬砌在施工和运用用期1、由于混凝土的干干缩和温度应力可可能产生裂缝2、当隧洞穿过地质质条件变化显著地地区（通过断层、、破碎带及其它软软弱地带）可能由由于不均匀沉降而而产生裂缝。3、施工只能是分块块分段浇筑。☆施工缝（临时）横向（垂直轴线））：间距由浇筑能能力定（一般与伸伸缩缝、沉降缝合合在一起）纵向（平行轴线））：根据浇筑能力力，缝设在顶拱，，边墙及底板分界界处或是内力较小小部位。施工缝需进行凿毛毛处理或设插筋以以加强其整体性。。☆沉降缝（永久）设置部位：1、通过断层破碎带带或软弱带：衬砌砌加厚，厚度突变处。2、洞身与进口渐变变段等接头处，可可能产生较大位移的地段。缝中设止水，填沥沥青油毡或其他填填料。伸缩缝(永久)防止混凝土干缩和和温度应力而产生生的裂缝。缝的间距约为6～12m，缝中设止水。实际施工中：横向向施工缝、沉降缝缝、伸缩缝，尽量量结合在一起。（四）灌浆（回填填、固结）1、回填灌浆目的：为了充填衬衬砌与围岩之间的的空隙，使之紧密密结合，共同工作作，改善传力条件件和减少渗漏。做法：在顶拱部位位预留灌浆管，在在衬砌完成后，通通过预埋管进行灌灌浆。灌浆范围：一般在在顶拱中心角900～1200以内。压力：砼衬砌可采用0.2～0.3MPa,钢筋砼衬砌可采用用0.3～0.5MPa.孔距、排距：一般般为2～6cm.(深入围岩5cm以上)2、固结灌浆目的：在于加固围围岩，提高围岩的的整体性，减小山山岩压力，保证岩岩石的弹性抗力，，减小地下水对衬衬砌的压力。范围：整个断面。。压力：为1.5～2.0倍内水压力。（4～10kg/cm2）一般深入围岩2～5m，对于围岩条件差的的地段或直径较大大的隧洞达6～10m。排距：2～4m，每排不宜少于6孔，作对称布置。。灌浆时应加强观测测，防止洞壁产生生变形或破坏。当地质条件良好，，围岩单位吸水率率ω<0.01L/min.m，可不进行灌浆。。回填灌浆孔、固固节灌浆孔通常常分排间隔排列列。（五）排水作用：降低作用用在衬砌上的外外水压力。1、有压洞：外水水压力一般不控控制衬砌设计加强固结灌浆（（防渗）必须时在底部的的衬砌下面设纵纵向排水。2、无压洞：外水压力较大时时，设置排水（（径向、纵向））径向：在洞内水水面线上通过衬衬砌设置排水孔孔排水孔距、排距距一般为2~4m深入岩体2~4m，将地下水引入洞洞内。在洞内水面下也也有设置排水孔孔，（如刘家峡峡电站导流洞）），因为隧洞放放空后，底板及及侧墙难以满足足抗浮稳定。纵向排水设在衬衬砌底部。总之，一般说来来，有压洞的外外水压力能抵消消一部分内水压压力，除外水压压力起控制作用用的特殊情况外外，不需设排水水，特别是有压压洞覆盖层厚的的进口附近，地地质较差的地段段，特别是围岩岩内存在易溶填填充物，不宜设设排水，而是加强固节灌灌浆。§5出口段及消能设设施一、出口段的结结构布置二二、消消能方式一、出口段的结结构布置无压洞：出口仅设有门框框（以防洞脸及及上部岩石崩塌塌）。有压洞：出口常设工作闸闸门，启闭机室室。闸门前有渐变段段（洞圆门方）），出门之后为为消能设施，为避避免负压，常采采用断面收缩的的法。二、消能方式常用：挑流、底底流、洞内突扩扩消能。特点：隧洞出口口宽度小，单宽宽流量大，能量量集中，所以出口设置扩扩散段以扩散水水流，减小单宽宽流量。※挑流消能（常用用扩散式）适用：出口高程程高于或接近于于下游水位，且且地质条件允许时。优点：经济合理理。注意：尽量不要要冲刷对岸。形式：斜切式挑挑流鼻坎（洞轴轴线与河道交角角小）、横向扩散挑坎、、收缩式窄缝挑挑坎。※底流消能优点：消能比较较充分平稳。缺点：开挖量大大，施工时间长长，造价高。※洞中突扩消能（（孔板消能）举例：小浪底工工程冲沙洞（泄泄洪洞）§7洞室开挖时的围围岩稳定性一、岩体初始应应力（地应力））

二、、围岩的应力集集中三三、围岩稳定分分析一、岩体初始应应力（地应力））◆定义：岩体处于天然产产状所具有的内内应力叫做岩体体的初始应力力(天然岩体内应力力)，在地学领域中中，通常叫地应应力。岩石有构构造应力（地应应力）自重应力◆形成岩体初始应应力的因素：★上覆岩体的重力力★地壳构造运动★成岩过程中的物物理、温度作用用、地形影响★地下水及地震作作用由于。◆如何测得地应力力?目前常用的方法法：应力解除法法、应力恢复法法★应力解除法：通通过切槽或钻孔孔解除应力而测测得岩石的应变以推推求其初始应力力。★应力恢复法：岩体中的应力解解除后，不是通通过岩体的变形形特性来推求岩岩体中的应力值值，而是通过施施加压力，使岩岩体恢复到原来来的状态，以求求得岩体在应力力解除前的应力力值。以上测得的是岩岩体中一点的应应力，至于整个个岩体中初始应应力的分布情况况，目前还不能能根据有限的测测点的结果来加加以确定。◆对岩体初始应力力的初步认识★上覆岩石的重量量是形成岩体初初始应力的基本本原因之一，岩