水工地下洞室河海大学课件

第七章水工地下洞室第一节概述一、水工隧洞的功用及其特点1.功用在水利枢纽中，为满足防洪、发电、灌溉、供水等各项任务的要求而设置的隧洞称为水工隧洞。其功用有：(1)与溢洪道一起担任泄洪任务——泄洪洞；(2)向下游供水(灌溉、航运、供水)用——供水(通航)洞；(3)放空水库用——放空洞；(4)施工导流用——导流洞；(5)排沙用的——排沙洞；(6)发电引水用的——发电洞；

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。

20世纪60年代在黄河上建成刘家峡重力坝，H=147m，N=122.5万Kw，V=57亿m3；

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。在深覆盖层上建成碧口心墙土石坝，H=101.8m，防渗墙深65.4m。大坝过木道溢流道水库returnreturnreturn注意：

应提倡“一洞多用”，如导流洞在施工期导流，在运行期改建成泄洪洞；或改建成引水发电洞；或改建成灌溉供水洞；以取得最大的经济效益。2.工作特点(1)地质特点地下结构作用有山岩压力、弹性抗力等；洞口易坍塌；山岩压力山体中任一点处，在未开挖前是处于平衡状态的，开挖后由于围岩的变形、滑移或塌落而施加在衬砌或支护上的压力称为山岩压力，它对衬砌而言是主动荷载。弹性抗力

隧洞在内水压力作用下，衬砌(部分)向围岩方向发生变形，当变形受到围岩的抵抗时，就有一个抵抗力作用在衬砌上，称该抵抗力为弹性抗力。它对衬砌而言是被动荷载。请问：这两个荷载是否会同时作用在衬砌上？(2)水力特点A.有压洞：洞内水头大压力高，对衬砌、强度、防渗等要求均较高；闸门启闭力大，设备复杂，局部开启时易振动。

B.无压洞：高速水流问题（空化、空蚀、脉动、振动等）；易掺气；C.隧洞出口水流通常流速高、单宽流量大、需要采取适当的消能防冲措施；D.超泄能力小；

(3)施工特点a.施工条件差、工序多、工艺复杂；b.工作面小、干扰大；(打炮、出渣、支护等)c.质量要求高、防渗要求高、安全问题突出；d.进度慢、时间紧、任务重；第二节隧洞的组成、闸门的位置

及其线路的选择一、

组成隧洞的组成上游引水段：（可省）；进口段：控制流量及流态；洞身段：输水道的主体；出口段：消能段；尾水渠：解决归河问题；二、闸门的位置闸门类型：1.检修门(有时可作为事故门用，故亦称为事故检修门)：检修门位于隧洞首部，工作门的前部。要求：能动水关闭、静水开启。2.工作门：位于检修门后的某个合适位置处，可能紧挨着，也可能离得很远。

作用：封闭孔口、调节流量，要求：动水启闭。

闸门的位置：a、位于进口：——无压洞（如甘肃文县碧口右岸洞）见教材P.363优点：工作门与检修门在一起，运行管理方便；内水压力小；缺点：高速水流对隧洞进口体型及施工质量要求比较高；b、位于出口：——有压洞优点：洞内水流平稳，门后通气条件好；便于部分开启，调节流量；控制闸门的建筑物比较简单；检修相对容易。

缺点：工作门检修门分离，运行管理不便；洞内压力大，衬砌一旦开裂，内水外渗;

对岩体和土石坝等建筑物的稳定问题突出；闸门推力大，支承体受力复杂。c、位于隧洞中间(内部)——门前有压门后无压适用于：因地形地质条件的原因，隧洞线路需转弯时，工作门置于转弯后的直线段上；可利用洞内某处地质条件好的岩体支承闸门传过来的水推力；（如碧口左岸泄洪洞采用此种布置）。三、线路的选择关系到围岩整体稳定、工程造价、施工难易、工期长短、运行是否可靠等因素。

一般原则：直、短、少拐弯。

B.应有足够的埋置深度h当埋置深度不足时：

1.不能很好地利用弹性抗力；

2.漏水的隧洞h小会影响坝体的稳定性；

3.爆破时h小对坝基稳定不利；1.地形条件：

A.当地形条件要求转弯时，要求：2.地质条件：

构造简单，岩体坚固完整，地下水微弱；围岩稳定，以减小山岩压力和外水压力；洞线要与岩层层面、破碎带、节理面有较大的交角，；高地应力区，隧洞的轴线与最大水平正应力方向一致。进出口应为覆盖层或风化层较浅，岩石坚固完整的陡坡地段；3.水力条件：进口水流平顺、均匀，不影响洞内流态；出口水流与下游河道顺畅衔接，以减轻对河岸的冲刷，出口距坝址应有一段距离，150-200M，特别是土石坝更应注意，以防冲刷坝脚。

4.其它条件：(1)隧洞纵坡应满足施工、水流条件以及运行、维修的要求。运输出渣要求底坡i=3-5‰不宜超过10‰，不宜做成平坡、反坡；出口处设反坡时，应考虑维修时的排水措施。无压洞：i>i临界，以防在洞内产生水跃。(2)长隧洞需增设施工支洞或竖井；以增加工作面，加快施工进度，便于通风；如引滦入津工程，长9.68km，打了15个斜井支洞，４个竖井。(3)当隧洞穿过坝、坝肩或其他建筑物地基时，之间要留有足够的厚度，以满足结构和防渗上的要求。第三节隧洞进口的型式和布置进口可采用表孔式进水口也可采用深孔式进水口。前者即以实用堰作为进口控制堰，与溢洪道相同，以无压多见，后者常用于有压的情况。A.竖井式进口：组成：闸前渐变段，竖井，闸后渐变段。优点：结构简单，节省工作桥,不受风浪和冰的影响，抗震及稳定性好。缺点：竖井开挖困难，检修门前一段隧洞检修不便。适用：河岸岩石坚固,开凿竖井无塌方危险。(三门峡)B.塔式进口：组成：闸前渐变段，塔身，闸后渐变段。优点：为独立悬臂结构，布置紧凑,闸门检修相对来说方便。缺点：另设工作桥，可能增加投资，需进行稳定验算。适用：进口处岸坡低缓,覆盖层较厚,山岩破碎,不宜开凿竖井。类型：框架式塔和封闭式塔。C.岸塔式进水口：优点：稳定性比塔式好，造价比塔式省，施工方便，地形、地质条件许可时优先选用。缺点：若倾斜,闸门也斜,启门力增加,不易靠自重关闭闸门。适用：进口处岩石坚固，可开挖成近于直立的陡壁时。D.组合式进水口：E.斜坡式进水口：优点：结构简单，施工方便，稳定性好，造价最低。缺点：斜坡上装闸门，关门时不易靠自重下降，需另加关门力。适用：较为完整的岩坡。一、进水口的组成与功用

进水口由进水喇叭口、闸门段、通气孔、平压管、渐变段等组成。

1.进水喇叭口原则：流线型，水流平顺，不产生有害负压，水头损失要小。体型：平底板，顶板与侧墙采用四分之一椭圆顶板

闸门处孔口高度侧墙闸门处孔口宽度无压进水口，为满足水流的稳定压力要求，防止空化空蚀，两门间设压坡，坡度1：4－1：6。

2.闸门室

弧形门：不需门槽，水流平顺，启门力小，应力集中严重；止水设在前部，后部无水无压力；称为“干井”p.9-12。平板门：需门槽，槽中有回流，易空化、振动等；启门力大；止水设在后部，门井内有水称为“湿井”；参见p.370图9-11。3.通气孔功用：

1.在工作闸门快速关闭时承担补气作用，以防产生负压，稳定流态，避免闸门振动。

2.检修时，检修门下放洞内补气，检修空毕，平压管充水，通气孔排气。通气孔的通气流量用下式计算：Aa为水断面以上空间断面积(m2)

Aa=A-AWA为门后隧洞面积；AW为门后隧洞水面下面积为通气孔的风速系数，取0.6B为闸门孔口宽度a为通气孔面积L为门后隧洞长度VW

为闸门孔口处水流速度(m/sec)g为重力加速度Va

风速(=Qa/a)4.平压管为了减小检修门的启门力，在检修门与工作门间设平压管，与水库相通，使检修门能在静水中开启。面积由充水时间决定。5.渐变段闸门断面为矩形断面需渐变为洞身段的圆型或城门洞形。需设渐变段。渐变段的长约为2－3倍洞径，收缩率小于1：5－1：8。6.栏污栅设在闸门上游侧的网格型的铁栅栏。泄洪洞可不设；发电洞必须设------尺寸构造设计见(水电站)二、深孔水工隧洞的体型与设备1.闸前及闸后渐变段：闸前喇叭口和闸后渐变段D---断面高度B---断面宽度

闸后渐变段的长度以洞身直径或洞高的1.52.0倍为宜。2.通气孔:补气和排气3.平压管4.拦污栅第四节洞身段及出口消能段

一、洞身断面型式及尺寸

1.断面型式无压洞－以城门洞形、马蹄形常见有压洞－以圆形断面常见城门洞形：顶拱中心角90－180之间，断面高宽比为（1：1）－（1.5：1）马蹄形：可减小或消除侧向山岩压力圆形断面：水流及受力条件好，水头损失小2.断面尺寸：有压洞：为保证洞内处于有压流态，由能量方程求出压坡线，洞顶一般保持２m以上的余幅。为减免空蚀，可通过缩小出口面积增加压力。(缩小15-30%)

有压进水口的流量计算公式（即有压管流公式）：

H

为作用水头。无压洞：由进口压力段核算泄流能力并用水力学中的方法计算洞内水面线，为保证明流状态，水面线以上应有一定净空，净空不小于洞高的0.15倍且不小于0.40cm。二、洞室衬砌——人工护壁是指沿隧洞开挖断面四周或一部分所做的人工护壁1.其功用有：保证围岩稳定，承受内水压力、山岩压力等荷载；防止隧洞渗漏；防止水流、空气、温度和湿度变化对围岩的冲刷、风化侵蚀等破坏作用；减小糙率，改善水流条件，减小水头损失。2.其类型有：(1)抹平衬砌（又名平整衬砌）：作用：减糙但不承载材料：混凝土喷浆适用于：水头低、岩层好的情况(2)单层衬砌：作用：承载、减糙、防冲防渗等材料：混凝土、钢筋混凝土适用于：中等地质条件、断面较大、水头较高的情况衬砌厚度：(3)组合式衬砌:采用多层结构且各层材料可以不同，或在断面的不同部位采用不同的材料进行衬砌。组合１：内层用钢板或钢丝网喷浆；外层用砼或钢筋砼组合２：顶部拱用砼；边墙用浆砌石组合３：顶部拱用喷锚支护；边墙、底板用混凝土(组合１、２都是从节省材料的角度)(4)预应力衬砌

衬砌分两层，层间留有3－5cm空隙，以便灌浆预加应力，灌浆用膨胀水泥，对层间衬砌预加应力；其型式有压浆式、钢箍式等，以前者用得较多。优点：可使衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量缺点：施工复杂，工序多，工期长，灌浆技术要求高适用于：高水头圆形有压隧洞(5)喷锚支护：是指喷混凝土支护与锚杆加固法相结合，这样支护本身有一定的刚度，又有一定的柔性，使围岩在适量变形后取得自身的稳定，减小传到支护上的力。有压洞：一般单层衬砌，水头较高时，单层衬砌不经济，可用组合式双层衬砌，特殊地可用预应力衬砌。单层衬砌----顶拱、侧墙与底板采用不同材料的组合衬砌。不衬砌----地质条件特别好。围岩好，不易风化；注意：糙率大时，为满足泄量要求，需加大洞径；漏水的隧洞会造成电能损失。3.衬砌类型的选择4.衬砌分缝

为满足施工能力、防止不均匀沉陷，对衬砌应进行分缝。纵缝---设在顶拱与边墙、底板的交界处。横缝(伸缩缝)---距一般为6－12米沉陷缝---设在地质条件较差的断层处或破碎带处。各类缝内均应设止水。三、灌浆1.回填灌浆：目的：充填衬砌与围岩间的空隙，使之紧密结合，共同工作。范围：顶拱部位压力：低压(2-3)kg/cm2深度：5m2.固结灌浆：目的：加固围岩，提高其整体性和弹性抗力。范围：全断面压力：压力4-6kg/cm2深度：2－10m四、排水当地下水位较高时，外水压力将是隧洞的主要荷载之一，为了减少外水压，应设排水设施。无压洞：采用径向排水管，将外水直接排至洞内。有压洞：沿纵向设暗排水管，收集渗水排向下游。五.出口消能段有压洞：

出口有工作门及启闭机室，门前为渐变段（由圆形变为矩形），门后为消能段；无压洞：

出口消能段设有门框和消能段；消能方式:

扩散挑流消能扩散水跃消能六、多用途隧洞

1.导流洞与泄洪洞相结合

(1)适用场合该布置方式适用于狭窄河谷，需采用隧洞导流的场合。为减少泄洪建筑物的工程量，节省枢纽投资，将导流洞在导流结束后改建成泄洪洞----先导流，再泄洪。

(2)型式----“龙抬头”见教材p.363图9-5导流洞进口高程低，泄洪洞进口高程可高一些。(3)体形设计“龙抬头”曲线由三部分组成a.抛物线段b.斜坡段c.反弧段

抛物线段符合水流运动轨迹：曲线与起始流速有关，特别是局部开启时，流速大，为适应不同开度，应使堰面保持有较大的正压。

当起始流速为水平向时，根据自由射流轨迹方程，并给以一定的安全系数，常用下列曲线方程

H---孔口底板x轴以上的作用水头

M---系数，由水工水力学模型试验确定如我国的碧口M=1.42

石头河M=1.36

刘家峡M=1.25

一般情况下M=1.20-1.45斜坡段：是抛物线段与反弧段的连接段起稳定流态的作用反弧段：是使水流转向的结构斜坡段坡度愈陡，反弧半径愈小，压力变化愈大。因此：

抛物线段不宜过长，斜坡段不宜太陡，反弧半径不宜太小。一般斜坡坡度１：1.5--１：３之间反弧半径约为该处流速的0.8v或(7.5-10)D洞径2.泄洪洞与发电洞结合----打支洞

a.主洞泄洪(直洞)支洞发电

b.支洞泄洪(斜洞)主洞发电研究表明：“主泄支发”好，流态好，岔尖附近负压小。研究重点：分岔位置、洞径比例、分岔角度、泄洪洞出口断面面积收缩比等。第五节地下洞室围岩应力分布和稳定性判别未开挖岩体：在自重及地质构造运动后形成初始应力场并处于相对稳定状态。开挖后岩体：在洞室四周一定范围内的岩体，相对稳定应力场受到破坏，产生应力重分布，随围岩部位和产状不同，产生两种结果：1.应力重分布后趋于稳定；

2.洞顶崩塌；需进行稳定性判别：一、用弹塑性理论分析法判别---视径向正应力大小来判别洞室开挖以后，围岩内应力重分布，在受扰动的范围内产生塑性区，但出现塑性区并不意味着一定失稳。只有当弹性区与塑性区之间出现分离形成承载环时，环内岩体失稳。根据弹塑性理论式中：有两种方法求得：在岩体深处初始垂直应力与其上复的岩体重量成正比地下洞室工程经验表明：M≥1，海姆取M=1

M称为静止侧压力系数a.瑞士地质学家海姆在1878年提出的假说：应力恢复法：挖前测读应变挖槽后再读应变b.现场量测

应力解除法：挖前先测出应变，由应变求出应力

挖深后再测应变求其应力两次应力差=初始地应力槽内设千斤顶加压，使读数为首次测读的应变，则所加的压力即为地应力二、用自然平衡拱理论判别

1908年前苏联学者普罗托基柯诺夫将岩体视为具有一定凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于部分岩块失去平衡形成一个塌落拱，平衡拱下缘以下的岩体则认为是不稳定的部分。即垂直山岩压力：三、经验法判别围岩稳定性(见教材P.397)1.围岩分类

按围岩工程地质特征和地下水状态将围岩分为五类a.稳定围岩b.基本稳定围岩c.稳定性差的围岩d.不稳定围岩e.极不稳定围岩2.岩体质量指标评估法--“RQD”(RockQualityDesignation)

RQD的定义：勘测钻孔中，所有取岩芯长度大于10cm的长度总和占钻孔总进尺的百分比RQD愈大，围岩的稳定性愈好，开挖跨度可越大。五类岩石对应的RQD指标如下：RQD(%)0-2525-5050-7575-9090-100岩体品质极差差一般好很好岩体状态松散状破碎状破碎镶嵌状块状整体块状不同RQD指标的洞室最大开挖跨度

RQD(%)1020407090100最大开挖跨度(m)55891020第六节作用在隧洞衬砌上的荷载计算可近似计算一、荷载种类内水压力自重可准确计算外水压力灌浆压力地震荷载温度荷载山岩压力弹性抗力难以准确计算1.内水压力(1)无压洞－内水压力为水面线以下的静水压；

(2)有压洞－内水压力为均匀内水压力和无水头洞内满水压力两部分；(3)发电引水隧洞－内水压力为全水头加水击压力； 衬砌厚度：00－0.250.25－0.500.50－0.750.75－1.012.外水压力3.灌浆压力回填灌浆：范围小、压力低、浅孔灌浆。临时荷载，可不考虑。固结灌浆：范围大、压力高、深孔灌浆。相当于外水压力，位置较深，大部分作用于围岩上，临时荷载，可不考虑。无微弱显著强烈剧烈地下水指衬砌混凝土的水泥水化热与运行时水温或气温之差引起的的温度应力。通常只在非常寒冷的地区才予考虑。对有压洞：

按弹性理论厚壁筒公式计算，根据围岩和衬砌的径向变位一致的条件，计入温度变形，进行内外层荷载分配，分别计算各层在荷载作用下的内力和应力。对无压洞：

在确定温差后，按结构力学方法计算内力。4.温度荷载5.地震荷载埋入地下与围岩紧密结合的洞身衬砌与地面建筑物相比，地震的影响较小,埋深10m的隧洞在地震时所受的地震力约为地面的十分之一，因此设计时一般不考虑。８、９度地震地区，不宜在风化和裂隙发育的傍山岩体中修建大跨度的隧洞。6.山岩压力松散介质理论(见前)山岩压力分三个方向：