（完整版）水工隧洞

1、本word文档可编辑可修改 建筑水工隧洞第一节概述一、水工隧洞得类型分类方法：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 1受力情况（2 ）无压：明渠流计算运行条件上差别较大。（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。具体道一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。二、水工隧洞得工作特点（1 ）水力特点：深泄水孔： a泄水能力于 H1/2成正比。B进口位置低，能预泄。C承

2、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承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。（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、水工隧洞得组成主要包括下列三部分：（1 ）进口段（2 ）洞身段（3 ）出口段第2节水工隧洞得布置及线路选择一、总体布置及线路选择（一）总体布置（1 ）应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。（2 ）在合理得选定洞线得基础上，根据地形、地质、水流

3、条件，选定进口得位置及进口结构形成，确定闸门在洞口中得位置。（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得相互关系，选定出口得位置，关注我 实时更新 最新资料 建筑底扳高程及消能方式。（二）线路选择选线室设计中得一个至关重要得问题，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。（ 1 ）隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，渗流量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。（ 2）洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，方便施工、减少水头损失，便于施工。o必须转弯时，其直线半径不宜小于5倍得洞径或

4、洞宽，转角不宜大于60，弯道两端得直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）（ 3 ）隧洞应有一定得埋藏深度。（ 4）隧洞感的 纵坡，应根据水利条件运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。（ 5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件、布置一些施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。（ 6 ）要考虑进出口于其它建筑物的 关系：如果水库所建的 坝时土石坝，则进口应距离坝坡 50M 以上，出口应距离坝坡100M以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞，为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电站进口的 上游侧，高程比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗范

5、围内。泄水隧洞的 出口方向要与下游的 河道衔接顺畅，减轻对岸边的 冲刷。每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示：平面图表示出：地形、隧洞和其它建筑物的 关系，进口位置、闸门位置、施工旁洞、竖井、堆渣地点等。纵剖面图表示出：地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，以及进出口及闸门位置、底坡的 坡率、洞底高程。二、闸门在隧洞中的 布置泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门）1检修门：设在进口2工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。（ 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 ）布置在洞身某一位置A由于地形

6、、地质、施工和枢纽布置1的 原因，隧洞线路需要转弯，闸门室易布置在转弯段后的 直线段上。B洞内某处较出口处的 地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的 水动力。三、多用途隧洞的 布置一洞多用，或临时任务与永久任务相结合这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置1的 困难。（一）泄洪洞与导流洞合一布置常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、及反弧段与较低的 洞身相连 建筑接。“龙抬头”式泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，为了避免空蚀，应做好体形设计，控制施工质量。限制不平跨度，并选用适当的 掺气减蚀措施。（二）泄洪洞与发电洞合一

7、布置布置型式：存在问题：1岔尖处的 水流流态复杂，容易产生不利负压合空蚀。2泄洪时堆发电不利。（三）泄洪洞与排沙洞合一布置排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。问题： 1。闸门压力大，启闭困难。（洪水期开启，水头高）2泥沙堆积，闸门不易开启第 3 节进口段一、形式及计算要点按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式。适用条件优缺点计算要点竖井式：地质条件好优：结构简单、不受风浪、水沿井的 不同高度，截取断面，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。按单位高度的 封闭或框架进行分析。地形适宜干井弧门湿井平门塔式：岸坡低缓，岩石破碎或覆盖层较厚

8、。优：对于取水用的 封闭塔，可塔身时直立的 悬臂结构，需计在不同高程设置取水口，取用算塔身的 抗倾、抗滑稳定。按上层温度较高的 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。封闭框架计算单位的 高度的 横断面的 水平应力，按悬臂计算铅直应力（将立体框架简化成平面问题计算）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。基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。缺：受风浪、冰、地震优一定影响。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

9、。缺：闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降。二、进口段的 组成部分：包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。（一）进水喇叭口位置：在隧洞的 首部要求：其体形与孔口水流的 形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。避免产生不利的 负压合空隙破坏。减少局部水头损失，以提高泄流能力。体型：常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩，平底。喇叭口的 顶板和边墙常采 建筑用椭圆曲线，其方程为：x2 y 2a 2 b21式中： a 长半轴b短半轴顶板约等于闸门处的 孔口高度（边墙约等于闸门处的 孔口宽度（H）B）顶板： H/3边墙：（1/31/5）B对于重要的工程，进口曲线，应通过水工模型

10、试验确定。无压隧洞的 压力进口顶板，在检修闸门上游通常式一段倾斜的 椭圆曲线，以便与检修闸门和工作门之间的 顶板衔接，力，防止发生空蚀。此顶板以 1：41：6的 坡度向下游缩，以增加进口段的 压检修门槽前的 入口段长度可控制在（0。8 1。0）倍工作闸门处的 孔口高度范围内。检修门槽与工作闸门之间的 顶板也应布置成压坡段，力分布和水流流态）。（目的 ：收缩断面进一步改善进口的 压（二）通气孔1位置：设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。设在检修门和工作门之间。2作用：工作闸门在各级开度情况下：补气检修时：补气。检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平压，此时排气。3布置上注意点：通气孔的

11、进口必须与闸门启闭机室分开，因为进口处气流速度大，以免在补气、排气时，影响工作人员的 安全。Va 40 45m/s孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。4通气量的 计算及通气孔设计通气孔应按正常的 泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。目前多采用一些经验公式或半经验公式。对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的 通气孔：Q 0.09V ?AawQaaVaA隧洞断面积对于高水头大型工程中重要闸门后的 通气孔（无压隧洞或管道）式中：风速系数，取 0。6aB闸门处孔口宽度（ M）a通气孔断面面积 建筑L 闸门后的 隧洞的 长度aV闸门孔口处的 水

12、流流速， m/s。wA 闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（am2），通常 A0.3AaA闸门后的 隧洞或管道断面积Qa计算的 先假定 a、求得 Qa后，再以Va，验算 V a，确定其是否超过允许风速aV V 40 50m / s。aa否则，重复上述计算，直到满足为止。检修门后得通气孔面积，一般以大于或等于充水平压阀的 面积为宜。（三）拦污栅（四）渐变段、闸门室及平压管第 4 节洞身段一、洞身断面形式洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压）（一）无压隧洞的 断面形式，施工条件，地质条件及适用要求。1城门洞形（圆拱直墙形）优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的 隧洞其进出口与渠道连接也简单

13、。适用：垂直山岩压力较大，而无侧向山岩压力或侧向山岩压力很小的 情况。为减小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的 。2马蹄形：适用：岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大的 情况。3圆形适用：围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。（二）有压隧洞的 断面型式1断面一般采用原形，其原因：1水流条件和受力条件均有利。2在面积一定的 条件下，圆形过流能力最大。2在围岩较好，内水压力不大时，为了施工方便，也可采用无压隧洞常用的 断面形式。二、洞身断面尺寸洞身断面尺寸，可根据给定的 泄流量，作用水头及纵断面布置，通过必要的 水力计算及水工模型实验确定。导流洞尺寸与围堰高度有关，涉及到经济

14、因素。水力计算内容：1有压隧洞p任务：核算泄流能力及沿程压坡线（z，侧压管水头线）泄水能力按管流计算Q2gH出 建筑Q出洞2gH出（80 90）%式中：考虑沿程和局部阻力的 系数。隧洞出口断面面积（约为洞身面积的 8090%）H 上下游水位差（作用水头）为了保证洞内水流处于有压状态，也大。一般要求洞顶应有 2M以上的 压力余幅，流速大压力余幅采用缩小出口断面面积增大压力，减免负压和空蚀。2无压隧洞计算泄水能力，1表孔式进口，按堰流计算。2深式短管式进口，泄水能力决定于进口压力段，仍用有压管流计算，但系数不考虑沿程损失，因为距离短），随进口段局部水头损失而定。（一般在 0.9左右，为工作闸门处的

15、 孔口面积。工作闸门之后的 陡坡段，可用能量方程分段求出其水面线，为了保障洞内为明流（稳定的 ）状态，水面线上应有一定净空。流速低，通气良好：净空面积不小于隧洞断面面积的 15%，高度 40cm。流速高：要考虑掺气和冲击波的 影响，在掺气水面以上的 净空约为洞身面积的 1525%。对于城门洞形断面，冲击波峰还应限制在直墙范围内。3还应考虑到施工和检查维修等方面的 需要非圆形不小于1.5 1.8m（高）圆形内径不小于1.8m三、洞身衬砌（一）功用1阻止围岩变形的 发展，保证围岩稳定。2承受山岩压力、内水压力及其它荷载。3防止渗漏。4保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的 冲蚀破坏作用。5减小

16、隧洞的 表面糙率等。（二）类型1护面：平整（或抹平）衬砌采用混凝土、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。作用：减少糙率，防止漏水。适用：岩石较好，水头较低的 情况。优点：造价低，施工方便。2单层衬砌适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速较大的 情况。采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。1 1，且不小混凝土、钢筋混凝土的 厚度一般为洞径或跨度的 8 12于 25cm。3组合衬砌内层为：钢板、钢丝网喷浆1 建筑外层为：混凝土、钢筋混凝土2顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（围岩好，边墙护面）顶拱喷锚支护，边墙底板为混凝土或钢筋混凝土（无压洞）先喷锚支护，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌。34预应力衬砌以隔河岩为例

17、子发电引水洞适用：高水头有压隧洞衬砌型式的 选择，应根据隧洞能担负的 任务，地质条件，断面尺寸，受力状态，施工条件等因素，通过综合比较后确定。（三）、衬砌分缝分缝原因：混凝土或钢筋混凝土衬砌在施工和运用期1由于混凝土的 干缩和温度应力可能产生裂缝2当隧洞穿过地质条件变化显著地区（通过断层、破碎带及其它软弱地带）可能由于不均匀沉降而产生裂缝。3施工只能是分块分段浇筑。1施工缝（临时）横向（垂直轴线）间距由浇筑能力定（一般与伸缩缝、沉降缝合在一起）纵向（平行轴线）根据浇筑能力，缝设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力较小部位。施工缝需进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性。2沉降缝（永久）设置部位：1通过

18、断层破碎带或软弱带：衬砌加厚，厚度突变处。2洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位移的 地段。缝中设止水，填沥青油毡或其他填料。3伸缩缝 (永久 )防止混凝土干缩和温度应力而产生的 裂缝。缝的 间距约为 612m，缝中设止水。实际施工中：横向施工缝、沉降缝、伸缩缝，尽量结合在一起。（四）灌浆（回填、固结）1回填灌浆目的 ：为了充填衬砌与围岩之间的 空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏。做法：在顶拱部位预留灌浆管，在衬砌完成后，通过预埋管进行灌浆。灌浆范围：一般在顶拱中心角90 以内。0 0120压力： 23kg/cm 2（过去会破坏衬砌结构）孔距、排距：一般为26cm（深入岩

19、体几厘米）3固结灌浆目的 ：在于加固围岩，提高围岩的 整体性，减小山岩压力，保证岩石的 弹性抗力，减小地下水对衬砌的 压力。范围：整个断面。压力：一般为 1.52.0倍内水压力。（410 kg/cm）2一般深入围岩 25m，对于围岩条件差的 地段或直径较大的 隧洞达排距： 24m，每排不宜少于 6孔，作对称布置。灌浆时应加强观测，防止洞壁产生变形或破坏。610m。当地质条件良好，围岩的 单位吸水率6，（仅均匀内水压力作用）内水压力在 20m以下，用素混凝土。超过 20m，宜用钢筋混凝土。（一）均匀内水压力作用下的 内力计算计算方法的 基本原理：将衬砌视为无限弹性介质中的 厚壁圆管，根据衬砌和围

20、岩接触面的 径向变位相容的 条件，求出以内水压力力圆管的 弹性力学厚壁管公式计算衬砌的 抗力。P所表示的 弹性抗力 P，再利用轴对称受0如图所示，在内水压力P的 作用和弹性抗力 P作用下，按图衬砌在均匀水压力弹性理0 建筑论平面变形情况，求得厚壁管管壁任意半径r处的 径向变位 u为：rre(1 2 ) ( e) 2( ) (1 2 )t 2rp0 2r(1 )rupt 2 1t 2 1E取 r r，得衬砌外缘的 径向变位eu为：ere (1) (1 2 ) 1 p 1 (1 2 )t 2uep022Et1t1式中 E 衬砌材料的 弹性模量；衬砌材料的 泊松比；reriri hrihrit 衬砌

21、外半径之比，t1p0p r0 e100K 0，y ue，当开挖的 洞壁作用有 P时，按文克尔假定，洞壁的 径向变位y0K此处， K为岩石的 弹性抗力系数， K 0为单位弹性抗力系数。根据变形相容条件，整理后可得围岩的 弹性抗力为1 At 2p0pA（8 18）E K (1 u)0A（8 19）E K (1 u)(1 2u)0A为弹性特征因素，式中的 E、K分别以 kPa和 KN / m计；若以 kg / cm和 kg / cm3320为单位，则需要将式中的 E改为 0.01E。按弹性理论的 解答，厚壁管在均匀内水压力p和弹性抗力 P作用下，管壁厚度内任意0半径 r处的 切向正应力为trrt 2

22、 ( )2rt 2 11 ( ) 2eert 2 1pp0（8 20）t将式（ 8 18）代入式（ 8 20），分别令 r r ,r ri，即可得到单层衬砌在均匀内水e压力 p作用下边缘切向拉应力和外边缘切向拉应力为eit 2t 2AAppi1 At 2eA 建筑reri因为 t1，显然,这表明衬砌内壁的 切向应力恒大于外壁的 切向应力e.当不i考虑弹性抗力时 ,即 K =0,则 A=1.0如果 1。围岩厚度大于 3倍开挖洞径衬砌计算只考虑内水压力2 fK6洞径 D6时1混凝土衬砌求混凝土的 衬砌厚度，在8 21式中，泠泠 混凝土允许轴心抗拉强hli度。RlhlK iR 抗拉极限强度lK 抗拉

23、安全系数i Pt 2hlA解出 t得： Phlrehrit1ri（8 23）h r A Phl1i Phl（8 23）式存在缺点：当 与 P的 数值逐渐接近时，h逐渐扩大到不合理程度。hl p时，hhl p时，h为虚数hl为了不使混凝土衬砌过厚，对坚固岩体内的 混凝土衬砌，一般限制水头不大于20m，超过时，宜用钢筋混凝土。混凝土应力校核：t 2t 2AAp p ihl1 Aehl2tA除内水压力外，还有其它的 荷载作用，计算各种荷载单独作用时产生的 轴向力和弯矩，再按下式校核混凝土衬砌的 切向拉应力：MNRl hlieWFK i 建筑bh 26式中： W 抗力矩（）F断面积，即 F=bh如需求

24、出在均匀水压力作用下的 断面内力，可先算、，然后近似按直线分布，求ei出轴向拉力 N和弯矩。ieNh2()h(h h)2 3ieIM23钢筋混凝土衬砌用 代替即得：ghhl p pghghh r Ai1（8 25）钢筋混凝土的 允许轴心抗拉强度gh衬砌边缘应力：2F t Ap gh（ 8 26）i2F t AnRf ghK fF沿洞线 1m长衬砌混凝土的 纵断面面积。F F中包括钢筋在内的 折算面积。nR 混凝土设计抗裂强度fK f 抗裂系数如果（ 8 25）式中，求出 h为负值，或小于结构的 最小厚度时，则应采用结构的 最小厚度，钢筋采用最小配筋率，对称配置。(二)其它荷载作用下的 内力计算1.考虑弹性抗力的 内力计算(1)基本假定和计算方法 .如果围岩较好 ,在围岩压力、衬砌自重、无水头洞内满90 0范围以水压力作用下，应考虑弹性抗力的 存在。根据研究，约在顶拱中心角下部分，衬砌变形指向围岩，作用有弹性抗力（如图8 29），其分布规律为 建筑, KK cos2a42, KK sin 2aK cos2b2其中 KK,2、分别为b处衬砌受到的 弹性抗力。a现以铅直