水工隧洞与坝下埋管课件

1、第七章 水工隧洞与坝下埋管,第一节 概述 第二节 隧洞的进出口建筑物 第三节 隧洞洞身的形式及构造 第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算 第五节 隧洞的喷锚衬砌 第六节 土石坝坝下埋管 思 考 题,第一节 概述,一、水工隧洞的类型 水工隧洞是在山体中开凿的一种泄水、放水建筑物，其主要作用是渲泄洪水、引水发电或灌溉、供水、航运输水、放空水库、排放水库泥沙以及水利枢纽施工期导流。 水工隧洞按其担负的任务可分为：泄洪隧洞和放水隧洞。按其工作时洞内的水流状态可分为：有压隧洞和无压隧洞。一般从水库引水发电的水工隧洞是有压的，而为泄洪、供水、排沙、导流等目的而设置的隧洞，可以是有压的，也可以是无压的。有压隧洞运

2、行时，其内壁承受一定的内水压力。无压洞内水流具有自由水面，水面与洞顶保持一定的净空。,第一节 概述,水工隧洞可以设计成有压的，也可以设计成无压的。即使是在同一条隧洞中，以主闸门为界，闸门前有压，闸门后为无压的。但是在隧洞的同一段内，除了流速低的导流隧洞外，应严禁出现时而有压，时而无压的明满交替的流态，以免造成因此引起的震动与空蚀。 二、 水工隧洞的工作特点 1深式过水建筑物的特点 （1）泄水遂洞出口流速高，单宽流量大，能量集中，消能防冲措施要求较高。 （2）进口处于水下较深处，闸门承受的水压力大，要求闸门刚度大，启闭机容量大。,第一节 概述,（3)高水头无压泄水隧洞，容易在高速水流的作用下引起

3、的振动及洞身空蚀破坏。 （4)有压隧洞往往承受较大的内水压力，要求有一定厚度的围岩和足够强的衬砌。 2.地下建筑的特点 （1)水工隧洞是一种地下结构。隧洞开挖后，改变了岩体原来的平衡状态，引起孔洞附近应力重分布，岩体产生变形，严重的甚至发生崩塌。因此，隧洞中常需设置临时性（施工期）支护和永久性衬砌，以确保隧洞施工期和运行期的安全。 （2）与地面建筑物相比较，隧洞的断面尺寸小，施工场地狭窄，施工干扰较大；,第一节 概述,（3)外水压力是水工隧洞设计的主要荷载之一。 三、水工隧洞的线路选择和工程布置 1水工隧洞的线路选择 在洞线选择时，应结合隧洞的用途，根据当地实际情况，综合考虑，地质、地形、水力

4、学、施工、运行、枢纽总布置及对周围环境影响等因素，通过技术经济比较选定。并通过多方案进行经济技术比较而加以确定。 （1）地质条件 1）隧洞线路选择原则上应使洞线布置于地质构造简单、岩体完整坚硬稳定，水文地质条件有利及施工方便的地区。尽量避开向斜、断层、软弱地层、,第一节 概述,滑坡等不利地质构造。同时尽量避开涌水量大、地下水位高、岩溶发育、承压水区以及高地应力区，以减少隧洞衬砌荷载及便于施工。 2)若洞线与岩层、构造破碎带及主要节理面相交时，应尽量使洞线具有较大夹角。在整体块状结构的岩体中，其夹角应不小于30，在层状岩体中，其夹角不宜小于45。 3)隧洞洞线穿过高地应力区时，原则上应使洞线与最

5、大水平地应力方向一致。 4)当隧洞沿水平或倾斜岩层走向布置时，应使洞身位于坚硬均质不透水的岩层中。当洞身穿切不同岩体的岩层时，应使其洞顶置于较坚硬的岩层中。,第一节 概述,（2）地形条件 1）隧洞的线路在平面上应力求短、直，以降低工程造价和减小水头损失，并保持良好的水流条件。若受限制而不能保持直线时，隧洞应以曲线连接，其曲率半径不小于5倍的隧洞洞径（或洞宽），且转角不宜大于60。弯道的两端应设直线连接，其长度不宜小于5倍的洞径（或洞宽）。 2）洞线穿过沟谷时，应根据地形、地质、水文及施工条件进行经济技术比较而定其线路。 3）隧洞的出口与下游河道的连接，应尽可能的使其衔接畅顺，减少对河岸的冲刷。

6、,第一节 概述,（3）施工条件 隧洞施工工作面小，干扰多。因此，隧洞的线路选择应认真考虑施工出渣通道和施工场地布置等条件。对于洞线较长的隧洞，应考虑有适合的地点可以设置竖井、斜井或平洞（图7-1），以便进料、出渣和通风，增加工作面，提高施工进度。此外，应尽量少破坏自然环境，并使其较易恢复，环境投资最小。,第一节 概述,图7-1 竖井、平硐及斜井的位置,第一节 概述,（4）运行管理条件 洞线选择应考虑工程的运行管理条件，应满足枢纽总体布置和运行的要求，应尽量避免其在施工和运行中与枢纽中其它建筑物的相互干扰，如土石坝结合泄洪洞时，在隧洞线路选择时，其进出口应尽可能的离坝体一定距离，以免影响大坝正常

7、工作。 2隧洞的工程布置 隧洞的工程布置其主要内容包括：进出口的布置、纵剖面的布置以及闸门的布置。隧洞布置的总体要求是必须满足过水、水流状态和运行的要求 ，并尽可能的降低工程造价。 在修建水工隧洞时，应根据实际情况，尽可能的考虑,第一节 概述,“一洞多用”，以降低工程造价，如采用灌溉与发电相结合的布置方式。导流与引水泄洪相结合的隧洞，由于两者进口高程不同，导流洞进口较低，引水泄洪洞进口较高，工程竣工后，先将导流隧洞的进口封堵，并用斜管将引水隧洞的进口与主洞连接起来，工程上称之为“龙抬头”的型式，如图7-2所示,第一节 概述,图7-2 刘家峡深孔无压泄水洞 单位：m 1-混凝土坝；2-岩面线；3

8、-原地面线；4-通风洞； 5-检修门槽；6-弧形闸门,第一节 概述,（1）隧洞进出口位置应依据的总体规划，结合地形、地质条件，使水流顺畅，进流均匀，出流平稳，满足使用功能和运行安全等方面的要求。进出口宜选在地质构造简单、岩体完整，风化层较浅的地区，避开不良地质构造和易崩塌、危崖、滑地地区。 隧洞的进口高程应根据隧洞的用途，结合实际运用要求加以确定。如发电隧洞，其进口顶部的高程应在水库最低工作水位以下0.51.0m；底部最小高程应高出水库淤沙高程1.0m以上，以防止粗颗粒泥沙进入洞中。在不影响隧洞正常使用的前提下，尽量提高隧洞的进口高程，以缩短洞长，减小主闸门的作用水头和洞身的内力压力，降低造价

9、。,第一节 概述,（2）纵剖面的布置 隧洞的纵剖面布置主要是其纵坡的确定，有压隧洞的纵坡主要从施工排水和放空隧洞及检修的角度考虑，一般取i=1/2001/1000。当洞身较短时，也可以做成水平，但不应做成倒坡。无压隧洞的纵坡应满足水流条件，多采用陡坡。隧洞纵坡不宜变化太多，而变坡应尽量选在水流比较均匀稳定的部位。 （3）闸门在隧洞中的位置 泄水隧洞中通常设置两道闸门。一道工作闸门，用来调节流量或封闭孔口，要求能在动水中启闭。一道为检修闸门，当工作闸门或隧洞发生事故时用来挡水，检修闸门要求能在动水中关闭，静水中开启。,第一节 概述,工作闸门可以布置在隧洞的进口，出口或隧洞中的某一适宜位置。 工作

10、闸门布置在进口的隧洞（图7-2），一般为无压。为了保证洞内为稳定的无压流态，门后洞顶应距离自由水面一定净空，并向门后不断充分通气。这种布置的优点是工作闸门，检修闸门都布置于首部，便于运行管理。 工作闸门布置在出口的隧洞（图7-3），一般为有压。这种布置洞内水流条件好，但工作闸门与检修闸门分置于出、进口，不便于运行管理。 工作闸门设置于洞内时，门前为有压段，门后为无压段。这种布置往往是受某些条件限制所致。如地形、施工和枢纽布置上的原因。,图73 深孔有压泄水隧洞 单位：m 1-平面检修闸门；2-弧形工作闸门；3-渐变段；4-消能段,第二节 隧洞的进出口建筑物,一 、进口建筑物 1.进口建筑物的型

11、式 进口建筑物位于隧洞的最前端，按其结构型式和布置方式可分为：竖井式、塔式、岸塔式和斜坡式等几种。 （1）竖井式 竖井式是指在隧洞进口附近的山体中开挖竖井，井壁衬砌，井内设置闸门，启闭设备及操作室布置于井顶（如图7-4）。其优点是结构简单，抗震性好，稳定性高，不受风浪水的影响，工程量小，造价较低。其不足之处是闸门前的进口段和洞身段检修不便。竖井式一般适用于隧洞进口段岩石坚硬完整的情况。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-4 竖井式进口建筑物（单位：m）,第二节 隧洞的进出口建筑物,（2）塔式 如图7-5所示，塔式进口是独立于隧洞的进口处的钢筋混凝土塔。闸门布置于塔底，启闭设备及操作室布于塔（内

12、）顶，操作室与彼岸之间用工作桥连接。这种形式适用于岸坡较平缓，边坡岩石破碎，覆盖层厚，不宜采用靠岸进口的情况。其优点是：布置紧凑，闸门启闭较为方便可靠。不足之处是受风、浪、冰、地震的影响大，稳定性相对较差；工程造价高。 塔式进口建筑物根据其结构形式的不同，可分为封闭式（图7-5）和框架式（图7-6）两种。封闭式塔身横断面可以是矩形、圆形或多边形。封闭式塔身可以在其不同高程处设置进水口，以适应水库水位的变化及取水的要求。,第二节 隧洞的进出口建筑物,框架式进水口建筑物结构轻便，受风浪等的作用也较小，工程量小，造价较低，但只能在低水位时进行检修，水流流态不好，容易产生空蚀。因而，大型泄水隧洞采用较

13、少。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-5 封闭式分层取水进水塔 （单位：高程以m计，构造尺寸以cm计）,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-6 框架式进口建筑物,第二节 隧洞的进出口建筑物,（3）岸塔式 如图7-7所示，这种形式的进口建筑物，下部紧靠岸坡，塔身稳定性较好，甚至可以对岩坡起到一定的支撑作用，施工安装较为方便，无需工作桥，较为经济。适用于岸坡较陡，岩石比较坚固稳定的地区。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-7 岸塔式进水口（高程：m，尺寸：cm） 1-清污台；2-固定栏污格栅；3-通气孔； 4-闸门轨道；5-锚筋,第二节 隧洞的进出口建筑物,（4）斜坡式 如图7-8所示，是直接在岸

14、坡上进行平整开挖并加以衬砌而成的。闸门及拦栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。其优点是：结构简单，施工方便，稳定性好，工程量小。缺点是闸门面积大，关闭闸门不易靠自重下降。斜坡式进口一般只用于岸坡岩体条件较好的中、小型工程。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-8 响洪甸斜坡式进水口 单位：m 1-喇叭口式进水口；2-检修闸门；3-渐变段；4-堵头；5-通气孔；6-贮门罩,第二节 隧洞的进出口建筑物,2.进口建筑物的组成、作用及构造 进口建筑物主要有进水口、闸室段及渐变段所组成，它主要包括：栏污栅、进水喇叭口、门槽、平压管、通气孔和渐变段等。通气孔、渐变段的构造详见重力坝有关章节。 (1)拦物栅 拦物

15、栅是由纵、横向金属栅条组成的网状结构。拦物栅布置在隧洞的进口，其作用是防止漂浮物进入隧洞。为了便于维修更换等，拦物栅通常做成活动式的。 (2)进水喇叭口 喇叭口段是隧洞的首部。喇叭口的作用就是保证水流能平顺的进入隧洞，避免不利的负压和空蚀破坏，减少局部水头损失，提高隧洞的过水能力。,第二节 隧洞的进出口建筑物,喇叭口的横断面一般为矩形，顺水流方向呈收缩状，顶部常采用1/4的椭圆曲线（图7-9），椭圆曲线方程为： (7-1) 式中： 椭圆长半轴，约等于h; 椭圆短半轴，约等于h/3。 边墙曲线 可取闸门处孔口的宽度， 可取闸门处孔口宽度的1/31/5。当隧洞流速不大时，顶部也可采用圆弧曲面，其半

16、径要求R2D（D为洞径）。 对于无压隧洞，检修闸门与工作闸门之间的洞顶（如图7-10）多采用141:6的坡度向下游压缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图79 喇叭口形状 （a）圆弧曲线 （b）椭圆曲线,第二节 隧洞的进出口建筑物,（3）平压管 为了减小检修闸门的启门力，通常在检修闸门与工作闸门之间设置平压管与水库相通（图7-11），检修完毕后，首先在两道闸门中间充水，使检修闸门前后的水压相同，保证检修闸门在静水中开启。平压管直径主要根据充水时间，充水体积等确定。 当充水量不大时，也可以采用布置在检修门上的短管，充水时先提起门上的充水阀，待充满后再继续提升闸门。

17、,第二节 隧洞的进出口建筑物,（4）通气孔通气孔是向闸门后通气的一种孔道。其主要作用是补充被高速水流带走的空气，防止气蚀的破坏和闸门的振动，同时在工作闸门和检修闸门之间充水时，通气孔又兼作排气孔。因此，通气孔通常担负着补气，排气的双重任务。通气量和泄水量与下游洞内的流态有关，通气孔的面积计算见第三章。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-11 平压管布置,图7-10 压板式压力进口段布置,第二节 隧洞的进出口建筑物,二、出口建筑物 隧洞出口建筑物的型式与布置，主要取决于隧洞的功用及出口附近的地形、地质条件。隧洞出口建筑物主要包括：渐变段、闸室段及消能设施。 有压隧洞出口常设有工作闸门和启闭设施（

18、图7-12），闸门前设渐变段，出口之后为消能设施；无压隧洞的出口仅设门框而不设闸门，以防止洞脸及上部岩石崩塌，洞身直接与下游消能设施相连接（图7-13）。,第二节 隧洞的进出口建筑物,图7-12 有压隧洞的出口建筑物 1-钢梯；2-混凝土块压重；3-启闭机操纵室,图7-13 无压隧洞的出口结构,第二节 隧洞的进出口建筑物,隧洞出口的消能方式与岸边溢洪道相似，常采用挑流消能和底流消能两种型式。 由于隧洞的出口断面尺寸较小，单宽流量大，能量较集中，通常采取平面扩散的措施，以减小挑流鼻坎处或消力池的单宽流量。扩散度的要求与溢洪道相同。对于特别重要的工程，扩散段的布置应由模型试验来确定。 隧洞的出口流

19、速较大，除平面上要求适当扩散外，底部边界布置平顺光滑，以适应高速水流的要求。一般在洞口后设一水平过渡段，然后再接不陡于14斜坡，从洞口算起的水平段长度可按下式经验公式拟定：,第二节 隧洞的进出口建筑物,（m） （7-2） 式中：出口流速 m/s； D洞径 m。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,一、洞身断面形式及尺寸 影响洞身断面形式及尺寸的因素很多，如水流条件，地质条件，地应力情况，施工及运用要求条件，因此，其断面形式及尺寸应通过技术经济分析来确定。 1.无压隧洞洞身的断面型式 （1）圆拱直墙式图7-14（d）（i）。由于其顶部为圆形，适宜于承受垂直围岩压，且便于开挖和衬砌。圆拱中心角一般为90

20、01800之间。一般情况下较大跨度泄洪隧洞的中心角常采用1200左右。为了减小或消除作用在侧墙上的侧向围岩压力，也可以把直墙改做倾斜的图7-14（e）。其缺点是圆拱受力条件不好，拱圈截面将出现弯矩。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,（2）马蹄形图7-14（f）、（h） 当岩石比较软弱破碎，洞壁崩塌严重，铅直围岩压力及侧向围岩压力较大，而且底部也存在围岩压力时，可采用马蹄形的断面形式。这种型式的最大特点是受力条件好，但施工复杂。 （3）圆形图7-14（a）、（b）、（c）、（g） 当地址条件较差，同时又有较大的外水压力时，可以考虑采用圆形断面。当采用掘进机开挖施工时，也可采用圆形断面。,第三节 隧

21、洞洞身的形式及构造,图714 断面形式及衬砌类型（单位：cm） （a）-（f）单层衬砌；（g）-（i）组合式衬砌 1-喷混混土；2-=16mm钢板；3-25排水管； 4-20cm钢筋网喷混凝土；5-锚筋,第三节 隧洞洞身的形式及构造,2.无压隧洞的断面尺寸 无压隧洞的断面尺寸应根据隧洞通过的流量，作用水头及纵剖面布置，通过水力计算确定，其断面尺寸同时还应满足施工和维修的要求。 无压隧洞的泄流能力取决于进口压力段，其泄流能力按管流计算： (7-3) 式中 流量系数（考虑进口段局部水头损失情况下而定）； 闸门处孔的面积； 作用水头。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,在工作闸门之后的陡坡段,可用能量方

22、程分别求出其水面曲线。为保证洞内为明流状态，洞内必须留有一定的净空。当流速较低，通气很好时，要求净空面积不小于断面面积的15%，且净空高度不小于40cm。当流速较大时，还因考虑掺气的影响，在掺气水面以上的净空约为洞身断面积的1520%；对圆拱直墙式断面，水流波峰应限制在直墙范围以内。 无压隧洞断面的高宽比一般为1.01.5，一般非圆形断面的尺寸（宽高）不小于1.51.8m；圆形断面的内径不小于1.8m。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,3有压隧洞的洞身断面型式及尺寸 有压隧洞的洞身型式一般均采用圆形断面。若洞径较小，外水压力又不大，为了施工方便，也可采用无压隧洞常用的断面型式。 有压隧洞的断面尺

23、寸可按有压管流公式进行计算。为了保证洞内水流处于有压流态，一般要求洞顶应有2m以上的压力余幅。流速越大，压力余幅也应加大。 二、洞身衬砌的类型和构造 衬砌是指在开挖后的洞壁做一层人工护壁。衬砌的作用主要包括：阻止洞周围岩体的变形发展，保证围岩的稳定；承受围岩压力，内水压力和其他荷载；防止水流，空气，温度和干湿变化等对围岩的冲蚀破坏。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,1衬砌的型式 隧洞洞身衬砌按其作用可分为平整衬砌和受力衬砌两大类。 （1）平整衬砌 平整衬砌也称抹面衬砌，其主要作用是使隧洞围岩面光滑平整，减小糙率，防止渗漏和岩面不受风化。衬砌不承受荷载。因此，衬砌常用混凝土、喷浆及浆砌石等材料做成

24、（图7-15）。这种衬砌适用于围岩较好，水头较小的隧洞。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,图7-15 砌石衬砌（单位：cm）,第三节 隧洞洞身的形式及构造,（2）受力衬砌 受力衬砌按其结构又可分为单层衬砌、组合衬砌、预应力衬砌和喷锚衬砌等四种。 1）单层衬砌 单层衬砌是指由混凝土、钢筋混凝土、喷混凝土及浆砌石等做成的衬砌。如图7-14（a）（f）所示，适用于中等地质条件、高水头、高流速、大跨度的情况。衬砌的厚度应根据受力、抗渗、结构和施工要求分析确定。一般约为洞径和跨度的1/81/12。单层整体混凝土衬砌，其厚度不宜小于20cm；单层钢筋混凝土衬砌不宜小于25cm；双层钢筋的不宜小于30cm。,

25、第三节 隧洞洞身的形式及构造,2)组合衬砌 它是由两种或以上的衬砌型式组合而成，如图7-14（g）（i）所示。如内层为钢板、外层为混凝土或钢筋混凝土；顶拱为砂浆或混凝土，边墙为混凝土或浆砌石；顶拱为喷锚衬砌，边墙和底板为混凝土或钢筋混凝土衬砌。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,图714 断面形式及衬砌类型（单位：cm） （a）-（f）单层衬砌；（g）-（i）组合式衬砌 1-喷混混土；2-=16mm钢板；3-25排水管； 4-20cm钢筋网喷混凝土；5-锚筋,第三节 隧洞洞身的形式及构造,3）预应力衬砌（图7-16） 预应力衬砌多用于高水头的圆形有压隧洞。由于衬砌预加了压应力，可以抵消运行时产生的

26、拉应力，因此，可使隧洞衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量。预加应力的方法，以压浆式最为简单。压浆是用高压将水泥砂浆或水泥浆灌注到衬砌外层的预留孔隙中，使衬砌承受预加的压应力。,图7-16 预应力衬砌 1-5cm水泥砂浆预压灌奖层；2-7cm预制混凝土块,第三节 隧洞洞身的形式及构造,2洞身构造 （1）衬砌的分缝与止水 洞身衬砌的分缝按其方向可分为纵缝和横缝；按其作用可分为临时施工缝和永久的伸缩变形缝。 纵缝平行于洞线，纵缝的位置应根据隧洞施工的浇筑能力和隧洞衬砌的结构型式确定。 一般设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力较小的部位。对于这些纵向施工缝，都需进行凿毛或插筋处理，以加强其整体性，缝内可设键

27、槽，必要时还应加设止水片。 横缝是沿洞身断面轴线布置。横缝的主要作用是满足隧洞混凝土浇筑能力；防止混凝土因干缩和温度变化产生裂缝；防止因围岩变形产生洞身断裂。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,一般洞身横向施工缝常与其横向变形伸缩缝相结合，形成永久性横缝。因此，横缝的间距一般可采用612m。当隧洞通过断层破碎带或软弱带时，除适当加厚隧洞衬砌外，还应设置沉陷横缝（图7-17）。 （2）灌浆 1)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，减小地下水对衬砌的压力和渗漏。固结灌浆的参数，应根据围岩的地质条件、衬砌结构型式、围岩的防渗和加固要求等确定。一般灌孔深入围岩的深度为一倍

28、的洞径。灌浆孔常呈梅花形布置。灌浆孔排距一般为24m，每排不少于6孔，对称布置。灌浆压力为1.52.0倍的内水压力。见图（718）。,第三节 隧洞洞身的形式及构造,图7-17 伸缩变形缝（单位：cm） 1-断层破碎带；2-变形缝； 3-沥青油毡1-2cm；4-止水片,图718 灌浆孔布置图 1-回填灌浆孔；2-固结灌浆孔； 3-伸缩缝,第三节 隧洞洞身的形式及构造,2)回填灌浆 回填灌浆的目的在于填充衬砌与围岩之间的空隙，保证衬砌与围岩紧密结合，改善传力条件及减少渗漏。回填灌浆多在顶拱中心角以内布置。孔距和排距一般为26m，灌浆压力常采用0.20.3Mpa，孔深应深入围岩5cm以上。 3.防渗

29、与排水 在外水压力控制衬砌设计的有压隧洞中，除应加强围岩的固结灌浆外，还应采用相应的排水措施（图7-19）。通常可在隧洞底部设置纵向排水管，间距为410m横向排水槽，槽内填放卵石，构成纵、横向排水系统。 对无压隧洞，如外水压力较大时，可在洞顶最高,第三节 隧洞洞身的形式及构造,水面线以上通过衬砌设置排水孔。排水孔间距、排距一般为24m，深入岩层24m。同时还可以在洞底衬砌下设置排水设施（排水管、排水沟）。 图7-19 有压隧洞排水布置 1-隧洞混凝土衬砌；2-横向排水槽；3-纵向排水管；4-卵石,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,一、衬砌的荷载及其组合 1.衬砌上荷载 作用于衬砌上的荷载有：围岩

30、压力、内水压力、外水压力、衬砌自重、灌浆压力、温 度荷载、施工荷载和地震力等。各荷载的计算详见第二章。 2.荷载的组合 在隧洞设计时，应根据不同情况，把各种可能同时作用的荷载进行组合，找出最不利的组合情况。作用于衬砌上的荷载分为基本荷载和特殊荷载。基本荷载包括：衬砌自重、围岩压力、预应力设计条件下的内水压力和外水压力等。它是运行中经常出现的主要,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,荷载。特殊荷载包括：校核洪水位时的内水压力和外水压力、灌浆压力、温度荷载以及地震作用等。 荷载组合必须切合实际，设计中常考虑的荷载组合有： （1）正常运用情况：围岩压力衬砌自重设计水位时的内水压力、外水压力。 （2）校核

31、情况：围岩压力衬砌自重校核水位情况下的内水压力、外水压力。 （3）施工、检修情况：围岩压力衬砌自重可能出现的最大外水压力灌浆压力施工荷载。 温度荷载、地震荷载在隧洞设计时一般不考虑。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,均匀内水压力作用下的衬砌计算 1混凝土衬砌(按混凝土未开裂考虑) 当围岩厚度大于3倍洞径时，且围岩坚硬完整，按照弹性理论，应考虑围岩体的弹性抗力，将衬砌当作无限介质中的厚壁圆筒进行计算。 （1）围岩弹性抗力及衬砌边缘应力 根据衬砌和围岩接触面的径向变位相容条件，可求出内水压力P作用下围岩的弹性抗力P0，然后按轴对称内外受力的弹性厚壁圆筒公式计算衬砌应力。图7-20所示，弹性抗力及衬

32、砌边缘应力可用下式计算：,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,弹性抗力： （7-4） 衬砌内缘砌向应力： (7-5) 衬砌外缘切向应力： (7-6) 式中 A弹性特征因素； t衬砌外半径与内半径之比； Eh混凝土的弹性模量； 混凝土的泊桑比； p均匀内水压力； K0、P0围岩的单位弹性抗力；弹性抗力 、 衬砌内、外表面的应力 (KN/2);,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,当围岩太差或施工质量难以保证时，不考虑弹性抗力。但内外表面应力仍可按公式(7-5)和(7-6)进行计算。 图7-20 均匀内水压力应力计算图,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,（2）混凝土衬砌厚度的计算 对于、类围岩中的圆形有压隧

33、洞，且直径小于6m，衬砌计算只考虑均匀内水压力。由于 ，控制衬砌厚度的是内表面应力 ，令 等于混凝土允许拉应力 ， 使 （h为衬砌厚度），将上述值代入公式(7-5)，经整理得： (7-7) 为了不使混凝土衬砌过厚，对坚固岩体的混凝土衬砌，一般限制水头不超过20m，否则宜采用钢筋混凝土衬砌。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,由于公式（7-22）只考虑均匀的内水压力，故要求其不得小于结构的最小厚度，对于素混凝土结构的最小厚度为20。 由公式（7-22）还可以看出，当混凝土的泊桑比取1/6， 时，A将出现负值；又当 时，公式（7-22）根号内也为负数。此时，我们可作如下进行处理：当 ， 时 ，可直接

34、按公式（7-7）计算衬砌厚度，但取值不得小于结构的最小值；,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,当 ， 时，衬砌采用结构的最小厚度；当 ， 时，则应提高衬砌混凝土的强度等级；当 ， 时，则应降低衬砌混凝土强度等级。 （3）混凝土衬砌的应力校核 当仅考虑均匀内水压力作用计算衬砌厚度时，其内、外表面应力可按公式（7-5）和（7-6）进行计算，所求得的 , 均应不大于允许应力 ;当衬砌计算考虑内水压力和其它荷载时，则衬砌内、外表面应力应按下式进行校核：,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,（7-8） （7-9） 式中 M、N除内水压力以外的其它荷载产生的弯矩和轴力和。其符号是使衬砌内表面受拉应力时弯矩为正，

35、使衬砌断面受压时的轴力为正。 F衬砌横截面的面积； W衬砌横截面的抗弯模量。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,2双层配筋的钢筋混凝土衬砌（按混凝土未出现裂缝情况） （1）对、类围岩中的隧洞，当直径小于6m时，只计均匀内水压作用。 1）衬砌厚度计算 衬砌厚度仍按公式（7-8）计算，但要将钢筋混凝土中混凝土允许轴拉应力替代混凝土的允许轴拉应力强度（式7-11），如果算得的值为负值或小于结构的最小厚度时，则采用结构的最小厚度。 钢筋混凝土衬砌厚： （710）,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,式中 钢筋结构中混凝土的允许轴向拉应力， = ， 为混凝土的设计抗裂强度， 为钢筋混凝土结构构件的抗裂安全系数

36、。 2）钢筋布置 衬砌中的 钢筋按对称布置，钢筋 面积可按结构最小配筋 率配置。 图 721 双层钢筋混凝土衬砌断面图,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,3）混凝土应力校核 由于内水压力作用，衬砌内、外表面的应力可按下式计算： （711） 式中 包括钢筋面积在内的衬砌横截面折算面积； ( 7-12 ),第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,钢筋的弹性模量； 混凝土的弹性横量； 衬砌的内层钢筋面积； o衬砌的外层钢筋面积。 （2）对于非、类围岩，或洞径大于6m，则按内水压力和其它荷载共同作用计算。 1）衬砌厚度 隧洞的衬砌厚度不得小于按公式(7-24)所计算的值。 2）内水压力产生的轴向力 由于内水压力

37、作用，在衬砌中产生的轴向拉力按下式计算: （713）,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,式中 在内水压力作用下，每米洞长的衬砌中产生的轴向拉力。 3）配筋计算 双层钢筋混凝土内、钢筋的横截面面积可按下式计算： （714） （715） 式中 N、M除内水压力以外的其他荷载产生的轴向力和弯矩的总和，其符号规定同前. 钢筋允许应力， ，为钢筋的设计强度； 为钢筋混凝土结构构件的强度安全系数；,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,h0衬砌的有效厚度； 内外钢筋的保护层厚度。 4）混凝土应力校核 钢筋混凝衬砌，其衬砌中混凝土的应力校核可按下式计算： (7-16) (7-17) 式中 考虑钢筋面积在内的衬砌折算

38、抗弯截面模量。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,3双层配筋的钢筋混凝土衬砌（按混凝土衬砌出现裂缝情况） （1）对、类围岩，当直径D6m时，只考虑内水压力作用，其衬砌的厚度按构造要求确定。当采用对称配筋时，钢筋面积可按下式计算，但不得小于最小配筋率。 ( 7-12 ) 式中,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,内、外圈钢筋应力可按下式校核 (7-19) (7-20) 当必须进行衬砌的限裂计算时，其计算方法参见水工钢筋混凝土结构设计规范SL/T 191-96。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,(2)对非、类岩体，或洞径D6m时，衬砌计算还应考虑其它荷载的共同作用，其衬砌厚度按构造要求确定。在内水压力N

39、p的作用下，钢筋断面面积可按公式(7-33)计算，并采用对称配筋。在其它荷载作用下，衬砌内、外圈钢筋横截面面积可按下式计算： (7-21) (7-22) 衬砌内、外圈钢筋横截面积应为内水压力、其它荷载共同作用下钢筋面积之和，而且其截面面积不得小于结构的最小配筋率。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,内、外圈钢筋应力可按下式校核： (7-23) (7-24) 式中符号意义同前。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,三、受围岩压力及其它荷载作用下的衬砌内力计算 圆形有压隧洞的衬砌不仅承受均匀内水压力作用，同时还要承受围岩压力、衬砌自重等荷载作用。将各荷载单独作用产生的内力求和后，计算相应截面的应力然后与

40、均匀内水压力产生的应力叠加。 1.考虑弹性抗力时的内力计算 对于、类围岩的岩，对衬砌具有弹性抗力。弹性抗力作用在中心角为2700的部分衬砌上，如图7-22所示，抗力方向为径向，其分布的变化规律常假定为： 当 时， (7-25 ),第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,当 时， （7-26） 式中 为计算截面与过洞顶铅直线的夹角； 、 分别表示抗力图上水平轴和铅直轴处的弹性抗力值。 为了计算方便，给出以下基 本假定：荷载对称于顶拱垂直中 心线；垂直和侧向的围岩压均匀 分布；衬砌自重沿衬砌中心线均 匀分布；隧洞满水而无水头时， 水压力的作用方向及外水压力的 作用方向均为径向；计算中不计 衬砌与围岩之间的

41、摩擦力。利用 结构力学法，求出各荷载单独 作图7-22 衬砌承受的弹性抗力图 用下的内力。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,1）铅直围岩压力作用下的内力计算 假定围岩压力均匀分布如图7-23（a）所示，各断面上的弯矩和轴向力按下式计算： (7-27) (7-28) 式中 M、N分别为计算断面上的弯矩和轴向力； q垂直围岩压力强度； 其中,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,、 分别为衬砌的外半径、内半径和平均半径，m； K围岩弹性抗力系数； b计算采用的衬砌宽度，取b=1m； E衬砌材料的弹性横量； J计算断面的惯性矩，m4。 A、B、C、D、E和F为内力计算系数，与断面与垂直线的夹角有关，各系数

42、值可查有关书籍和文献。 2)衬砌自重作用下的内力计算 假定衬砌为等厚度，其作用力分布如图7-26（b）所示。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,图7-23 圆形隧洞衬砌上的荷载及其弹性抗力分布示意图 （a）铅直围岩压力；（b）衬砌自重；（c）侧向围岩压力；（d）水重,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,各断面的弯矩和轴向力按下式计算： (7-29) (7-30) 式中 g单位面积衬砌的自重，其它符号意义同前。 A1、B1、C1和D1均为内力计算系数，其值的大小与断面和垂直线的夹角有关系。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,3)非均匀内水作用下的内力计算 水压力径向作用于衬砌上，其值由零(顶拱)起逐渐增

43、加到2 (洞底)，各断面的弯矩和轴向力按下式计算： (7-31) (7-32) 式中 水的容量，其它符号意义同前。 A2、 B2、 C2和D2为内力计算系数，断面与垂直线的夹角不同，各系数的取值也不一样，各系数的取值可查有关书籍和文献。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,4)外水压力作用下的内力计算 在无内水压力组合的情况下，当衬砌所受的浮力小于铅直围岩压力及衬砌自重之和，即 时，断面的弯矩和轴向力可按下列公式计算。 (7-33) (7-34) 式中 均匀外水压力水头，即计算水位线在拱顶以上的高度，其余符号意义同前。 计算内力系数 值查有关书籍和文献。 当 时，衬砌内力计算应按不考虑弹性抗力的公

44、式计算。,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,当荷载组合中包括内水压时，均匀外水压力一般与均匀内水压力先进行迭加，然后进行衬砌的内力计算。通常在荷载迭加后，衬砌的变形指向围岩，弹性抗力为正。此时，计算外水压力作用下衬砌的内力不 受 条件的限制 。 5)灌浆压力作用下的内力计算 由于灌浆压力作用范围及分布情况复杂，通常只计算由回填灌浆压力所引起的内力。 回填灌浆孔一般布置在隧洞的顶拱部份，布置范围大致在 之间，灌浆压力垂直作用于衬砌上。假定灌浆压力为P2，均匀分布于顶部 的范围内( 为 或 )，如图7-24所示，其内力计算公式如下：,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,(7-35) (7-36) 式中

45、回填灌浆压力，其余符号意义同前。 内力系数 的大小可查有关书籍和文献。 图7-24 灌浆压力及岩石弹性抗力分,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,2不考虑弹性抗力时衬砌的内力计算 对为、类围岩，比较软弱，特别是后两种，不仅不能考虑围岩的弹性抗力作用，而且尚需计入侧向围岩压力的影响。不考虑弹性抗力时，应考虑与铅直荷载相应的地基反力，假定地基反力按余弦曲线分布，且作用在衬砌的下半圆上，如图7-25所示。 反力强度在竖轴处最大，其值为R，其余部分为 。地基反力值，可由作用在衬砌上的全部荷载与全部的地基反力的平衡条件来确定，其方向与围岩变化的方向相反。当地基反力的大小，方向和分布规律确定后，便可用结构力学

46、的方法求出在各种荷载单独作用下衬砌的内力的大小。 衬砌在围岩铅直压力，围岩侧向压力，衬砌自重，,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,无水头洞内满水压力和外水压力作 用下的内力计算公式详见表7-3，相关内力系数可查有关书籍和文献。 图7-25 荷载及反力分布图 （a）铅直山岩压力；（b）衬砌自重； （c）侧向山岩压力；（d）水重,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,表7-3中，当外水压力与围岩铅直压力及衬砌自重组合时，表中： (7-37) 当外水压力与衬砌自重相组合时，表7-3中的按下式计算： (7-38),第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,第四节 圆形有压隧洞的衬砌计算,上面介绍了圆形有压隧洞的衬砌设计

47、和配筋计算，至于其它断面形式的隧洞或无压隧洞的衬砌设计和配筋计算详见水工隧洞设计规范。,第五节 隧洞的喷锚衬砌,一、概述 喷锚衬砌，它是喷混凝土衬砌，喷混凝土与锚杆组合式衬砌，喷混凝土，锚杆与钢筋网组合式衬砌等几种衬砌形式的统称，如图7-26所示。 1、喷锚衬砌的工作原理 隧洞开挖前，岩体是保持平衡的，隧洞开挖后，原来岩层的平衡状态即遭到破坏，洞室附近的应力重新分配，造成环向集中应力，并使岩体向临空面产生位移。当围岩应力小于其弹性极限强度时，岩体处于稳定状态；当洞壁一定范围内围岩应力超过极限强度时，该范围内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区或松弛区，在此区范围之外，围岩仍为弹性体。由于塑性的影响，

48、在洞壁处应力减小，而在深处应力增大。,第五节 隧洞的喷锚衬砌,因此，可以认为塑性区形成了一个承重圈，以承受周围岩体的压力。如果岩层压力过大，使承重圈内的应力超过破坏强度或产生过大的变形，岩体将产生裂缝、滑移、掉块以至大面积坍塌，从而失去稳定。 在岩体变形过程中，喷锚衬砌能及时将围岩予以封闭加固，给予其一定的反力，阻止其变形的发展，可以发挥围岩的自承能力，保持围岩的稳定。喷锚衬砌与围岩紧密联合，它具有一定的柔性，能与岩体共同变形，衬砌所承受的载荷仅为抑制围岩继续变形所产生的压力，这种变形压力与松散压力相比较要小得多。 2、喷锚衬砌设计要点及特点 （1）喷混凝土衬砌 喷混凝土衬砌图7-26（a）是

49、通过喷射机械，在洞室,第五节 隧洞的喷锚衬砌,开挖后将掺有速凝剂和按一定比例配合的混凝土干拌混合物送至喷头与水混合后，以高速喷射到岩面，凝结硬化而成的一种衬砌。这种衬砌具有以下特点：,第五节 隧洞的喷锚衬砌,图7-26 喷锚衬砌类型 （a）喷混混土衬砌；（b）喷混凝土与锚杆组合式衬砌；（c）喷混凝土与钢筋网组合式衬砌； （d）喷混凝土、锚杆与钢筋网组合式衬砌 1-喷混凝土；2-钢筋网；3-锚杆；4-浇混凝土,第五节 隧洞的喷锚衬砌,1)不需要立模，衬砌随隧洞掘进而进行，既可减少施工工序，又能提高施工效率。 2)在高压喷射作用下，衬砌能与围岩紧密粘结并共同作用，改善衬砌受力条件。 3)在喷射压力

50、作用下，混凝土不仅可填充洞壁坑洼，同时砂浆能渗入节理，裂缝中，胶结松动的岩块，加固围岩。 4)能使围岩迅速与大气隔离，避免或者缓和围岩风化、潮解而引起的岩体松动和剥落，并同时堵塞渗漏通道。 5)喷混凝土衬砌能够分别与锚杆或钢筋网结合使用，并可以任意调整掌握其厚度。 喷混凝土衬砌的厚度与隧洞围岩的地质条件、隧洞的运行条件有关。 （,第五节 隧洞的喷锚衬砌,2）喷混凝土与锚杆组合式衬砌 如图7-26（b）所示，它是按一定的距离、方向和深度打孔插入锚杆，注入砂浆固定，或以机械加载锚固，再喷混凝土面而形成的组合衬砌。它一般适用于地质条件较差的围岩。为了及时进行喷锚，除一般情况下可先锚后喷外，当地质条件

51、不良时，宜采用喷锚喷的施工程序。如遇有局部不稳定岩块，可采用悬吊式的砂浆锚杆加固。 锚杆应垂直岩面布置，锚入稳定围岩的长度一般为4050倍锚杆直径，通常采用锚杆长度为1.52.9m ，最小长度不宜小于1.0m 。锚杆间距不宜大于其长度的1/2，一般为0.5m1.0m。锚杆直径按GB50086-2001的规定计算，但不宜小于16mm。,第五节 隧洞的喷锚衬砌,如图7-25（d）所示，对于构造、裂隙发育的围岩，可以采用喷锚加钢筋网组合衬砌型式。它可以在全断面上使用，也可以只在隧洞顶部使用。 在更软弱的岩体中，使用喷锚衬砌后再浇混凝土或钢筋混凝土，形成较坚强的衬砌。在设计内层衬砌时可不计或少计围岩松

52、动压力。,第五节 隧洞的喷锚衬砌,图7-25 荷载及反力分布图 （a）铅直山岩压力；（b）衬砌自重； （c）侧向山岩压力；（d）水重,第六节 土石坝坝下埋管,在蓄水枢纽中，为了城市供水、灌溉、放空水库、施工导流以及排沙等目的，通常在土坝或土石坝下面埋设洞形或管形的建筑物，这类建筑物称坝下埋管，又称坝下涵管，如图7-27所示。 与隧洞相比，坝下埋管施工方便，构造简单，通常工期短、造价也低，但施工时与土石坝相互干扰大。因此，在我国中小型土坝或堆石坝枢纽工程中，使用比较普遍。与水工隧洞类似，坝下埋管也属深式泄水或放水建筑物，其进口通常在水下较深处，其工作特点、工程布置、进出口建筑物的形式、构造等许多

53、方面与水工隧洞有相同之处。 由于坝下埋管置于坝下，穿坝而过，它的破坏直接威胁着大坝的安全，所以在高水头、大流量、基础差的情况下，其安全性低。据国内外土石坝失事的,第六节 土石坝坝下埋管,调查资料分析，坝下埋管的缺陷是引起土石坝失事的重要原因之一。 图7-27 坝下涵管示意图 1-进口；2-洞身；3-出口消能段；4-八字墙； 5-截渗环；6-自闭台；7-工作桥；8-土石坝,第六节 土石坝坝下埋管,因此，在坝下埋管设计、施工中必须采取适当的措施，加强管身的防渗、管身与坝体的结合，以保证埋管和坝体的安全。 坝下埋管也属于深埋式的地下建筑物，管道上有较大的填土压力和外水压力，而且维修、扩建都十分困难。

54、因此，在设计中必须认真考虑各种可能的运用情况，合理确定结构的型式和断面尺寸。 一、坝下埋管的线路选择及工程布置 坝下埋管的线路选择与工程布置的一般原则：经济合理，安全可靠，运行方便。 在进行埋管线路选择及布置时，应综合考虑埋管的用途与作用、工程地质、地形条件、水力条件等因素，进行多方案经济技术分析比较确定。,第六节 土石坝坝下埋管,在具体线路选择及工程布置时，主要应从以下几方面进行考虑。 (1)地形、地质条件 在平面上埋管的轴线应尽可能地与坝轴线垂直，而且直线布置，这样管道水流条件较好。但有时为了适应地形条件和利用岩石基础，也可稍有弯曲。但弯曲段应以光滑曲线连接，其曲率半径不得小于5倍的洞径。

55、 为了减少沿埋管轴线不均匀沉陷，埋管应尽可能地建在岩石地基或均匀土基上。一定要避免将管身一部分放在岩基上而另一部分放在软基上，切忌从坝体填土中通过。 (2)运行管理灵活方便 如坝下灌溉埋管，多放在坝的两端，并布置在灌区同一侧，以免建过河建筑物。,第六节 土石坝坝下埋管,埋管尽可能地离溢洪道远些，以免相互干扰；泄洪排沙或放空水库的坝下埋管，尽量布置在主河槽部位，其轴线与河流的主流方向一致，以获得良好的水流条件；为了避免管身漏水影响土石坝安全，坝下埋管最好设计成无压的。在运用中，必须严格按设计规定的水流状态进行工作，不能任意将无压管变成有压管。 (3)经济合理 坝下埋管应尽可能地选择较短的轴线，节

56、省工程量，降低工程造价，而且减少了管道的水头损失，提高其过水能力。 二、坝下埋管的进出口建筑物 1.进口建筑物 埋管的进口建筑物通常有：卧管式、塔式及浮子式等几种型式。对用于引水灌溉的坝下埋管，由于,第六节 土石坝坝下埋管,农业生产对水温有一定的要求，其进口建筑物最好设计成分层取水结构，以使在灌溉季节引取表层的清水灌溉。 (1)塔式 坝下埋管的塔式进口建筑物的结构、构造与水工隧洞的塔式进口建筑物相同，如图7-5所示。对灌溉用的埋管，其塔式进口结构大多采用分层取水的封闭塔。 塔式进口的布置一般有三种方式：第一种进水塔布置在坝身内靠近坝顶处，其优点是塔身不受风浪、冰冻压力的作用，周围侧向土压力大致

57、相同，稳定性较好，产生不均匀沉降和断裂的可能性较小，对地基的要求较低。不足之处是：塔前输水管常浸在水中，检修不便；塔身位于坝体中部，若塔身与管道结合处漏水，则会抬高坝体浸润线，引起坝体的渗透变形，,第六节 土石坝坝下埋管,甚至导致滑坡。第二种是将进水塔布置在上游坝脚处，其优、缺点正好与第一种布置相反；第三种是将进水塔布置在前述两种位置之间，此时塔身受坝体变形的影响大，承受的土压力也不平衡，对于斜墙坝更不宜采用这种布置形式。 (2)浮子式 浮子式进口建筑物是一种活动的取水装置，它是由浮子、取水盘、伸缩套筒式水管以及竖塔所组成，如图7-28所示。竖塔为钢架或钢筋混凝土框架，用作浮子升降时的导向和安装栏物栅。控制水量的工作闸门设在塔底后部或其它适当位置。浮子式进口型式一般取表层水效果很好。,第六节 土石坝坝下埋管,图7-28 浮子竖塔型取水结构（尺寸单位：cm）,第六节 土石坝坝下埋管,2.出口建筑物 坝下埋管的出口建筑物的型式及构造与水工隧洞相同，它包括出口渐变段及消能设施。坝下埋管出口处的消能大多采用底流式水跃消能方式。 三、坝下埋管的管身型式及构造 坝下埋管的管身应具有足够的断面以满足过流能力，要有一定的强度以承担外部荷载，并能抵抗水流的冲刷。管身断面型式、建筑材料及管身结构尺寸