水工隧洞概述（67页清楚明了）

1、 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： 泄洪 引水：发电、灌溉、供水；航运输水。 排沙 放空水库 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、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

3、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

4、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) 进出口顶部岩体厚度0.1H（4）隧洞的纵坡，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）要考虑进出口与其它建筑物的关系： 如果水库所建的坝是土石坝，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

5、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 范围内。 泄水隧洞： 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， 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） 可以布置在进口、出口或隧洞中某一 适宜位置。（1）布置在进口

6、： 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、地质、施工和枢纽布置上的原因，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推力.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上的困难。（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、反弧段与较低的洞身相连接。 “龙抬头”式泄洪洞，一般水头高，流速大，反弧

7、段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。并选用适当的掺气减蚀措施。 （二）泄洪洞与发电洞合一布置 布置型式： 存在问题： 1、岔尖处的水流流态复杂，容易产生 不利负压和空蚀。 2、泄洪时对发电不利。泄洪发电泄洪（支洞）发电(主洞)岔尖 （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。 1、闸门水压力大，启闭困难。 （洪水期开启，水头高。） 2、泥沙堆积，闸门不易开启。 3 进 口 段 一、形式及计算要点 二、进口段的组成部分 （一）进水喇叭口 （二）通气孔 （三）拦污栅 （四）渐变段、闸门室及平压管一、形式及计算要点 按布置与结构形式分为： 竖井

8、式、塔式、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

9、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、进口段的组成部分 进口段包括： 进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段。（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和

10、空蚀破坏。 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 平底矩形断面。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：式中：a 长半轴 顶板约等于闸门处的孔口高度（H） 边墙约等于闸门处的孔口宽度（B） b 短半轴 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试验确定。无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常是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，此顶板以1：4 1：6的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。 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

11、修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段（目的：收缩断面进一步改善进口的压力分布和水流流态）。（二）通气孔位置：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。作用：工作闸门在各级开度情况下补气 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。布置上注意点： 通气孔的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。允许风速Va40 45m/s 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。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。

12、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的通气量： 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）计算时先假定通气孔的断面积a，求得Qa后，再以 验算Va，确定其是否超过允许风速（Va Va =40 45m/s）。 否则，重复上述计算，直到满足为止。 检修门后的通气孔面积，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 4 洞 身 段 一、洞身断面形式 二、洞身断面尺寸 三、洞身衬砌一、洞身断面形式 洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压），施工条件，地质条件及适用要求。（一）无压隧洞的断面形式 1、城门洞形（圆

13、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。 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，且内水压力较大，掘进机施工。（二）有压隧洞的断面型式 断面一般采用圆形，其原因： 水流条件和受力条件均有利。 在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。 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

14、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，涉及到经济因素。 水力计算内容： 1、有压隧洞 任务：核算泄流能力及沿程压坡线 泄水能力按管流计算 : 式中： 考虑沿程和局部阻力的系数。 出 隧洞出口断面面积（约为洞身面积8090%）。 H 作用水头,m。 为了保证洞内水流处于有压状态，一般要求洞顶应有2M以上的压力余幅，流速高的隧洞,压力余幅可达10M左右。 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， 表孔式进口，按堰流计算。 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，但系数随进口段局部水头损失而定。

15、（一般在0.9左右，不考虑沿程损失，因为距离短），为工作闸门处的孔口面积。 工作闸门之后的陡坡段，可用能量方程分段求出其水面线，为了保证洞内为明流（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 1.5m1.8m（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。

16、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。 （防止岩石分化） 5、减小隧洞的表面糙率等。（二）类型 1、护面：平整（或抹平）衬砌 采用砼、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。 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。 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。 3、组合衬砌 内层为：钢板、钢丝网喷浆 外层为：混凝土、钢筋混凝土 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

17、护，再做混凝土或钢筋混凝土 衬砌。 适用:水头大、软弱破碎的岩体. 4、预应力衬砌（以隔河岩为例子发电引水洞） 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。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

18、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。沉降缝（永久） 设置部位： 1、通过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。 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6 12m，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

19、浆。 灌浆范围：一般在顶拱中心角900 1200以内。 压力：砼衬砌可采用0.20.3MPa,钢筋砼衬砌可采用0.30.5MPa. 孔距、排距：一般为26cm.(深入围岩5cm以上) 2、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：为1.52.0倍内水压力。（410 kg/cm2） 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610m。 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。 当地质条件良好，围岩单位吸水率0.01L/min.m，可不进行灌浆。

20、 回填灌浆孔、固节灌浆孔通常分排间隔排列。（五）排水 作用：降低作用在衬砌上的外水压力。 1、有压洞：外水压力一般不控制衬砌设计 加强固结灌浆（防渗） 必须时在底部的衬砌下面设纵向排水。 2、无压洞： 外水压力较大时，设置排水（径向、纵向） 径向：在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔 排水孔距、排距一般为24m 深入岩体24m，将地下水引入洞内。 在洞内水面下也有设置排水孔，（如刘家峡电站导流洞），因为隧洞放空后，底板及侧墙难以满足抗浮稳定。 纵向排水设在衬砌底部。 总之，一般说来，有压洞的外水压力能抵消一部分内水压力，除外水压力起控制作用的特殊情况外，不需设排水，特别是有压洞覆盖层厚的进口附近，

21、地质较差的地段，特别是围岩内存在易溶填充物，不宜设排水，而是加强固节灌浆。 5 出口段及消能设施 一、出口段的结构布置 二、消能方式一、出口段的结构布置 无压洞： 出口仅设有门框（以防洞脸及上部岩石崩塌）。 有压洞： 出口常设工作闸门，启闭机室。 闸门前有渐变段（洞圆门方），出门之后为 消能设施，为避免负压，常采用断面收缩的法。二、消能方式 常用：挑流、底流、洞内突扩消能。 特点：隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中， 所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。挑流消能（常用扩散式）适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地质 条件允许时。 优点：经济合理。 注意：尽量不要冲刷对岸。 形式：斜

22、切式挑流鼻坎（洞轴线与河道交角小）、 横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。底流消能 优点：消能比较充分平稳。 缺点：开挖量大，施工时间长，造价高。洞中突扩消能（孔板消能） 举例：小浪底工程冲沙洞（泄洪洞）7 洞室开挖时的围岩稳定性 一、岩体初始应力（地应力） 二、围岩的应力集中 三、围岩稳定分析一、岩体初始应力（地应力）定义： 岩体处于天然产状所具有的内应力叫做岩体的初始 应力(天然岩体内应力)，在地学领域中，通常叫地应力。 岩石有 构造应力（地应力） 自重应力形成岩体初始应力的因素： 上覆岩体的重力 地壳构造运动 成岩过程中的物理、温度作用、 地形影响 地下水及地震作用 由于。如何测得地应力? 目前常用的方法：应力解除法、应力恢复法应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得 岩石的应变以推求其初始应力。应力恢复法： 岩体中的应力解除后，不是通过岩体的变形特性来推求岩体中的应力值，而是通过施加压力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前的应力值。 以上测得的是岩体中一点的应力，至于整个岩体中初始应力的分布情况，目前还不能根据有限的测点的结果来加以确定。对岩体初始应力的初步认识 上覆岩石的重量是