黄水院水工建筑物基础课件第8章 水工隧洞

第八章水工隧洞在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物称为水工隧洞。水工隧洞

一、水工隧洞的特点（一）结构方面在岩层中开挖隧洞后，破坏了原有的平衡状态，引起洞孔附近应力重新分布，岩体产生新的变形，严重的会导致岩石崩塌。因此，隧洞中常需要临时性支护和永久性衬砌，以承受围岩压力。围岩同时又具有承载能力，可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。围岩压力与岩体承载能力的大小，主要取决于地质条件。因此，应做好隧洞的工程地质勘探工作，使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。（二）水流方面

枢纽中的泄水隧洞，其进口通常位于水下较深处，属深式泄水洞。深式进口位置较低，可以提前泄水，提高水库的利用率，故常用来配合溢洪道宣泄洪水。由于作用在隧洞上的水头较高，流速较大，如果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整，都可能出现气蚀而引起破坏。泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集中，在出口处有较强的冲刷能力，必须采取有效的消能防冲措施。

（三）施工方面

隧洞是地下建筑物，与地面建筑物相比，洞身断面小，施工场地狭窄，洞线长，施工作业工序多，干扰大，难度也较大，工期一般较长。尤其是兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制着整个工程的工期。因此，采用新的施工方法，改善施工条件，加快施工进度和提高施工质量需要引起足够的重视。

（三）施工方面

（三）施工方面

（三）施工方面

二、水工隧洞的类型

1、按用途分类泄洪洞配合溢洪道宣泄洪水，保证枢纽安全。引水洞引水发电、灌溉或供水。排沙洞排放水库泥沙，延长水库的使用年限，有利于水电站的正常运行。放空洞在必要的情况下放空水库，用于人防或检修大坝。导流洞在施工期用来施工导流。二、水工隧洞的类型

二、水工隧洞的类型

二、水工隧洞的类型

2、按洞内水流状态分类（1）有压洞隧洞工作闸门布置在隧洞出口，洞身全断面均被水流充满，隧洞内壁承受较大的内水压力。引水发电隧洞一般是有压隧洞。（2）无压洞隧洞的工作闸门布置在隧洞的进口，水流没有充满全断面，有自由水面。灌溉渠道上的隧洞一般是无压的。按洞内水流状态分类

按洞内水流状态分类

三、隧洞的布置

（一）地质条件隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地区，尽量避开不利的地质构造，如向斜构造、断层及构造破碎带。要尽量避开地下水位高、渗水严重的地段，以减少隧洞衬砌上的外水压力。根据以往工程经验，对于围岩坚硬完整无不利构造的岩体，有压隧洞的最小覆盖厚度不小于0.4H（H为压力水头），如不加衬砌，则应不小于1.0H。2、地形条件

隧洞的路线在平面上应尽量短而直，以减小工程费用和水头损失。如因地形、地质、枢纽布置等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞应避免设置曲线段，如设弯道时，其曲率半径和转角最好通过试验确定。

3、水流条件隧洞的进口应力求水流顺畅，减少水头损失。重视隧洞出口轴线与河流主流的相对位置，水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。4、施工条件洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。洞线设置曲线时，其弯曲半径应考虑施工方法及施工大型机械设备所要求的转弯半径。对于长隧洞，还应注意利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖井。以便进料、出渣和通风，增加总工作面，改善施工条件，加快施工进度。

多用途隧洞的布置为了减小工程量，降低工程造价，同时也为了避免枢纽中单项工程过多，给布置上带来的困难，在隧洞设计上，往往考虑一洞多用或临时任务与永久任务相结合的布置方式。但由于需要满足不同的要求，所以必须妥善解决由此带来的一些矛盾。1、泄洪洞与导流洞合一布置利用施工期的导流隧洞改建成运用期的永久泄洪隧洞，是减小工程量，节省投资的合理措施，在已建工程中较常采用。龙抬头式泄洪洞导流洞的进口高程较低，而泄洪洞进口高程可以较高，为了减小闸门上的水压力，降低进口结构造价，改善闸门运行条件及解决进口淤堵问题，常在施工导流任务完成后，将导流洞前段堵塞，而在原导流洞口的上方另设进口，由上部进口向后，隧洞底坡根据水流流速设计为抛物线形式，然后再接一反弧段与原导流洞相衔接。这种布置形式在工程上常形象地称为龙抬头形式。龙抬头式泄洪洞大多是无压洞，并往往水头高，流速大，在弯道处，特别是在反弧段及其下游，由于离心力作用，水流流态复杂，脉动强烈，压力变化大，易遭受空蚀破坏。因此，应做好体形设计，控制施工质量，限制过流表面不平整度。泄洪洞与发电洞合一布置泄洪洞与发电洞的合一布置是在洞前段共用一洞，在后段分岔为两个洞分别来泄洪与发电。这种布置方式的优点是，工程量小，工程进度快，工程布置紧凑，管理集中方便。在分岔部位，水流边界突然改变，必然引起一定范围内水流紊乱。从水力学的角度看，分岔角度越小，对水流的干扰越小，水头损失也越小。但过小的分岔角使岔尖过窄，对结构强度及施工都是不利的。泄洪洞与发电洞的合一布置，有两种形式：一是主洞泄洪、支洞发电；二是主洞发电、岔洞泄洪。试验研究表明，采用前者形式，洞内流态较好，岔尖附近负压相对较小。因此，泄洪洞宜布置在主洞上，发电洞宜布置在支洞上。但泄洪时，由于洞内流速加大，有效水头降低，发电出力会相应减小。其它任务隧洞的合一布置发电与灌溉隧洞合一布置，水轮机尾水后接灌溉渠道，利用发电尾水进行灌溉。由于发电是经常性的，而灌溉用水是季节性的，所以应在发电尾水的后面设置一弃水设施，将不需灌溉时的发电尾水排入下游河道。第二节水工隧洞的构造

一、进口建筑物的形式

1、竖井式竖井式进口是在隧洞进口附近的岩体中开凿竖井，井壁用混凝土或钢筋混凝土加以衬砌，井底设置闸门，井顶布置启闭设备及操纵室。优点是结构比较简单，不需要工作桥，不受风浪和冰的影响，抗震性及稳定性好，运行比较可靠。缺点是竖井开凿困难，竖井前的隧洞段经常处于水下，检修不便。当隧洞进口段岩石坚固，岩体比较完整时多采用这种形式。第二节水工隧洞的构造2、塔式

塔式进口建筑物是独立于隧洞的进口处而不依靠山坡的塔。塔底设闸门，塔顶设操纵平台和启闭机，用工作桥与岸坡相连。这种进口建筑物的优点是，布置比较紧凑，闸门开启比较方便可靠。其缺点是，受风浪、冰、地震的影响大，稳定性相对较差，需要较长的工作桥。常用于岸坡岩石较差，覆盖层较薄，不宜修建靠岸进口建筑物的情况。

2、塔式

2、塔式

塔的结构形式

塔的结构形式有封闭式和框架式两种。封闭式塔的横断面形式为矩形和圆形。矩形断面结构简单、施工方便。圆形断面的受力条件较好，采用较多。封闭式塔身上在不同高程处设置进水口，可引取水库上层温度较高的清水，以满足灌溉农作物的需求。框架式结构具有结构轻便、受风浪影响小、节省材料、造价较低的优点，但只能在低水位时进行检修，不太方便，而且泄水时门槽进水，水流流态不好，容易产生空蚀，一般大型泄水隧洞较少采用。塔的结构形式

塔的结构形式

塔的结构形式

塔的结构形式

3、岸塔式此种进口是靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔。根据岩坡的稳定情况，塔身可以是直立的或倾斜的。岸塔式的稳定性较塔式的好，甚至可对岩坡有一定的支撑作用，施工安装也比较方便，不需工作桥，比较经济。适用于岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。3、岸塔式

3、岸塔式

3、岸塔式

4、斜坡式斜坡式进水口是在较完整的岩坡上进行平整、开挖、护砌而修建的一种进水口。闸门和拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。这种布置的优点是，结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺点是，由于闸门倾斜，闸门不易依靠自重下降，闸门面积加大。斜坡式进口一般只用于中、小型工程，或只用于安装检修闸门的进口。5、组合式

二、进口段的组成及构造进口段的组成包括：进水喇叭口闸门室通气孔平压管渐变段

1、进水喇叭口进水口是隧洞的首部，其体形应与孔口水流的流态相适应，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时还应尽量减小局部水头损失，以提高泄流能力。隧洞进口常采用顶板和两侧边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平底矩形断面，形成喇叭口状。2、通气孔

当闸门部分开启时，孔口处的水流流速很大，门后的空气会被水流带走，形成负压区，可能会引起空蚀破坏使闸门振动，危及工程的安全运行。①在工作闸门各级开度下承担补气任务，补气可以缓解门后负压，稳定流态，避免建筑物发生振动和空蚀破坏，同时可减小由于负压而引起作用在闸门上的下拖力和附加水压力；②检修时，在下放检修闸门之后，放空洞内水流时给予补气；③检修完成后，需要向检修闸门和工作闸门之间充水，以便平压来开启检修闸门，此时，通气孔用以排气。3、平压管

检修门设在工作闸门之前，仅在隧洞或工作闸门检修时才使用，由于使用的机会较少，启闭设备尽可能简单些。为了减小启门力，往往要求检修门在静水中开启。为此，常在闸墙内设置绕过检修门槽的平压管。当检修工作结束后，在开启检修门之前，首先打开平压管的阀门，将水放进检修门与工作门之间的空间，使检修门两侧的水位相同，水压平衡，此时再开启检修门，由于是在静水中开启，可以大大减小启门力。平压管的尺寸根据所需的灌水时间（通常灌水时间约8小时左右）。

4、拦污栅

进口处的拦污栅是为了防止水库中的漂浮物进入隧洞而设置的。泄水隧洞一般不设拦污栅。当需要拦截水库中的较大浮沉物时，可在进口设置固定的栅梁或粗拦污栅。引水发电的有压隧洞进口应设置较密的细栅，以防污物阻塞和破坏阀门及水轮机叶片。

5、检修闸门

检修闸门设置在隧洞进口，用来挡水，以便对工作闸门或隧洞进行检修。检修闸门一般要求在静水中启闭，一些大中型隧洞的深式进水口常要求检修闸门能在动水中关闭，静水中开启，以满足出现事故是的需要，此时也称为事故闸门。当隧洞出口低于下游水位时，出口处还需设置叠梁式检修门。6、工作闸门工作闸门用来调节流量和封闭孔口，要求能在动水中启闭。工作闸门可根据需要设置在隧洞的进口、出口或洞中的某一适宜位置。工作闸门布置在进口的隧洞，一般为无压洞。为保证门后洞内无压流的稳定流态，门后洞顶应高出洞内水面一定高度，并需向门后通气。这种布置的优点是，检修门与工作门都在隧洞的进口，管理运用方便，洞中水压力很小，有利于稳定，易于检修和维修。缺点是，在高流速的情况下易发生空蚀。工作闸门布置在出口的为有压洞。这种布置的优点是，洞内始终为有压流，水流流态稳定，门后通气条件好，便于闸门部分开启。缺点是，洞内经常承受较大的内水压力，一旦衬砌漏水，将对稳定产生不利影响，检修门与工作门分别布置于进出口，管理上有所不便。7、拦污栅、渐变段、闸门室

进口处的拦污栅是为了防止水库中的漂浮物进入隧洞而设置的。泄水隧洞一般不设拦污栅。当需要拦截水库中的较大浮沉物时，可在进口设置固定的栅梁或粗拦污栅。引水发电的有压隧洞进口应设置较密的细栅，以防污物阻塞和破坏阀门及水轮机叶片。二、洞身断面形式

（1）无压隧洞的断面形式及尺寸无压隧洞多采用圆拱直墙形（城门洞）断面。这种断面的顶部为圆拱形，适宜于承受垂直围岩压力，在施工时便于开挖和衬砌。顶拱中心角一般在90°～180°之间。断面的高宽比一般为1～1.5。在侧向围岩压力较大时，为了减小或消除作用在边墙上的侧向围岩压力，也可把边墙做成向内倾斜状。如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面，马蹄形断面有上部半圆和下部三心圆或多心圆构成，以尽量减小衬砌截面弯距。当围岩条件差，而且又有较大的地下水压力时，可以考虑采用圆形断面。

二、洞身断面形式

二、洞身断面形式

二、洞身断面形式

二、洞身断面形式

二、洞身断面形式

二、洞身断面形式

无压隧洞的断面尺寸为了保证洞内的稳定无压流状态，水面以上应有足够的净空。当洞内的水流流速较大时，应考虑由于高速水流引起的掺气和冲击波的影响。流速较低、通气良好的隧洞，要求水面以上净空不小于洞身断面面积的15%；流速较高的隧洞，考虑掺气和冲击波的影响，在掺气升高的水面以上的净空面积一般为洞身断面面积的15%～25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。洞内施工和检查维修等要求圆形断面内径一般不小于1.8m，非圆形断面尺寸不小于1.5*1.8。

有压隧洞的断面形式

有压隧洞由于内水压力较大，从水流条件（过水断面湿周最小）及受力条件（受力方向对称）考虑，一般均采用圆形断面当围岩条件较好，洞径和内水压力都不大时，为了施工方便，也可采用上述无压隧洞常用的断面形式。在隧洞出口处应设有压坡段，减小隧洞出口段面积，以保证洞内水流始终处于有压状态，并要求在最不利运行条件下，洞顶应有2m以上的压力水头。洞内水流流速越大，要求压力水头越大，对于高流速的有压泄水隧洞，压力水头可高达10m左右。三、洞身衬砌的类型和构造

衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁，主要作用是：①阻止围岩变形的发展，保证围岩的稳定；②根据需要，承受围岩压力、内水压力和其它荷载；③防止渗漏；④保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；⑤平整围岩，减小表面糙率，增大过流能力⑥满足环境保护的要求。平整衬砌

用混凝土、喷混凝土和浆砌石做成的护面，它不承受荷载，仅起到平整隧洞表面、减小糙率、防止渗漏、保护岩石不受风化的作用。平整衬砌适用于围岩坚固、完整，能自行保持稳定，水头和流速较小的情况。对于无压隧洞，如岩石不易风化，可只衬砌过水边界部分。平整衬砌的厚度由构造决定，一般混凝土或喷混凝土可采用5～15cm，浆砌石衬砌可采用25～30cm。

砌石衬砌砌石衬砌单层衬砌

用混凝土、钢筋混凝土或浆砌石做成。单层衬砌适用于中等地质条件，隧洞断面较大，水头及流速较高的情况，是我国应用最广的受力衬砌。由于混凝土的抗拉强度较低，靠增加混凝土的厚度来提高其抗弯能力是不经济的，因为在衬砌厚度增加的同时，也增加了自重，并增加岩石的开挖量，所以衬砌厚度应在满足要求的前提下尽量采用较小的尺寸。混凝土和单层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于25cm，双层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于30cm。衬砌所用混凝土的强度等级不应低于C15。单层衬砌

锚喷衬砌

锚喷衬砌是利用锚杆和喷混凝土加固围岩措施的总称，是逐渐发展起来的一项新型加固措施。喷混凝土不需模板，施工进度快，能紧跟掘进工作面施工，缩短围岩暴露时间，使围岩的风化、潮解和应力松弛等不致有大的发展。但由于喷层较薄，随开挖岩面起伏不平，糙率较大，且大面积喷射施工质量难以控制，在内水压力及水流作用下，有可能引起渗漏及冲蚀破坏。喷混凝土的厚度不宜小于8cm，最大不宜超过20cm。混凝土的设计强度等级不宜低于C20。

锚喷衬砌

组合式衬砌

根据开挖断面周边不同部位衬砌的受力特点和运用要求，可采用不同的衬砌材料组合而成。如内层为钢板、钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土；如顶拱为混凝土，边墙和底板采用浆砌石；又如顶拱和边墙先锚喷后再进行混凝土或钢筋混凝土衬砌等形式。实践证明，在软弱、破碎的岩体中开挖隧洞，采用先锚喷，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌，是一种较安全、较经济的组合形式。

预应力衬砌

预应力衬砌是对混凝土、钢筋混凝土衬砌的外壁施加预压应力，以便在运用时抵消内水压力产生的拉应力，克服混凝土抗拉强度低的缺点，这样不仅能减小衬砌厚度，减少隧洞开挖量，节约材料，还可以增强衬砌的抗裂性和不透水性。其缺点是工序多、施工复杂、高压灌浆技术要求高、工期较长。最简单的预应力方法是向衬砌和围岩之间进行压力灌浆，使衬砌产生预压应力。预应力衬砌多用于高水头圆形有压隧洞。

衬砌类型的选择洞身衬砌类型的选择，应根据隧洞的任务、地质条件、断面尺寸、受力状态、施工方法及运行条件等因素，通过综合分析技术经济比较后确定。当围岩坚硬、完整、裂隙少、稳定性好且抗风化性能好时，对于流速低、流量较小的隧洞，可以不加衬砌。由于不衬砌隧洞的糙率大，泄放同样流量就要增大开挖断面，因此，是否采用不衬砌隧洞应经过技术经济比较之后确定。

衬砌的分缝与止水混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工工作缝和永久性的横向变形缝。隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，或其它可能产生较大的相对变位时，衬砌需要加厚，应设置横向变形缝。变形缝的缝面不凿毛，分布钢筋也不穿过，无防渗要求的无压洞，可不设止水，对有压洞或有防渗要求的无压洞，则缝内应设止水片及充填1～2cm厚的沥青油毡或其它相应的防渗措施。

伸缩变形缝1—断层破碎带；2—沉陷缝；3—1～2cm厚沥青油毛毡；4—止水片或止水带

施工缝围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。根据浇筑能力和温度收缩等因素分析确定沿洞线的浇筑分段长度，一般分段长度可采用6～12m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。衬砌的环向施工缝需要进行凿毛处理，或设一些插筋穿过缝面以加强整体性。纵向施工缝应根据浇筑能力，设置在衬砌结构拉应力及剪应力较小的部位，对于圆形隧洞常设在与中心垂直线夹角为45°处；对于城门洞形隧洞，为便于施工可设在顶拱、边墙、底板交界附近。纵向施工缝必须进行凿毛处理，必要时缝内可设键槽。

纵向施工缝1—插筋；2—分布钢筋；3—止水片；4—纵向施工缝；5—受力筋

回填灌浆回填灌浆的目的是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，共同受力，以改善传力条件和减少渗漏。混凝土和钢筋混凝土衬砌的顶部必须进行回填灌浆，砌筑顶拱时，可预留灌浆管，待衬砌完成后通过预埋管进行灌浆，灌浆范围一般在顶拱中心角90°～120°以内，孔距和排距一般为2～6m，灌浆孔应深入围岩5cm以上，灌浆压力一般为0.2～0.3MPa。

固结灌浆固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏。对围岩是否需要进行固结灌浆，应通过技术经济比较而定。固结灌浆孔一般深入围岩约为隧洞半径的1倍左右，一般排距2～4m，每排不少于6孔，做对称布置。灌浆压力可采用1.5～2.0倍的内水压力。固结灌浆应在回填灌浆7～14小时之后进行，灌浆时应加强观测，以防洞壁产生变形或破坏。

灌浆孔布置1—回填灌浆孔；2—固结灌浆孔；3—伸缩缝

排水

设置排水的目的是为了降低作用在衬砌外壁上的外水压力。对于无压隧洞衬砌，当地下水位较高时，外水压力成为衬砌的主要荷载，对衬砌结构应力影响很大。为此，可在洞底设纵向排水管通向下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔，将地下水直接引入洞内。排水孔间距、排距以及孔深一般为2～4m。

无压隧洞排水布置1—径向排水孔；2—纵向排水孔；3—小石子

有压隧洞排水对于有压圆形隧洞，外水压力在衬砌设计中一般不起控制作用，可不设置排水设备。当外水位很高，外水压力很大，对衬砌设计起控制作用时，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游，纵向排水管由无砂混凝土管或多孔缸瓦管做成。必要时，为提高排水效果，可沿洞轴线每隔6～8m，设一道环向排水槽，环向排水槽可用砾石铺筑，将搜集渗水汇入纵向排水管。设置排水设施时，应避免内水外渗。

有压隧洞排水1—隧洞混凝土衬砌；2—横向排水槽；3—纵向排水管；4—卵石

三、隧洞的出口布置有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门前有渐变段，出口之后即为消能设施。无压隧洞出口仅设有门框，其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接。泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。隧洞出口段构造（a）有压隧洞；（b）无压隧洞1—刚梯；2—混凝土压重；3