水工隧洞施工

1、第六章水工隧洞要求：了解其作用、功能、掌握水工隧洞设计的基本原理及方法。第一节 水工隧洞的类型、特点、组成教学目的：掌握水工隧洞的类型、特点和组成。教学难点、重点：水工隧洞的特点和组成。主要概念、名词：龙抬头、一洞多用。教学内容：（1复习巩固：前面介绍了侧槽式河岸溢洪道的位置选择和设计过程。引入新课：本节介绍水工隧洞的类型、特点和组成。讲授新课：一、类型按功用分：1泄洪2输水（灌溉，发电，供水）3排空（排砂）4施工导流，尽量一洞多用按流态分：无压有压隧洞按工作性质分：引水；泄水隧洞。后者一般为高流速洞（V10m/S）二、特点常承受较大的内（外）水压力。高流速洞易空蚀破坏。深式进水口，闸门要受巨

2、大的水压力。洞身断面较小，洞线长，施工期长。泄洪洞出口流速高，单宽能量大，应注意下游消能。三、组成部份进口：栏污栅、喇叭口、闸门、进口渐变段。洞身：一般在岩体内开挖，多有衬砌。出口：洞脸（门框），消能（发电洞则接高压管道，进入厂房）。检修闸门和事故闸门一般设在进口，无压洞工作闸门一般也设在进口;有压泄洪洞的工作闸门可布置在出口 （大中型），也有布置在进口（中小型）， 但流态不好。第二节水工隧洞的选线与总体布置教学目的：掌握水工隧洞的选线的原则和隧洞的总体布置方法。教学难点、重点：水工隧洞的选线和总体布置。主要概念、名词：山岩压力、偏转角、支洞、临界底坡。教学内容：复习巩固：前面介绍了水工隧洞的

3、类型和特点。引入新课：本节介绍水工隧洞的选线的原则和隧洞的总体布置方法。讲授新课：一、选线的一般原则避开山岩压力大，地下水位高，漏水严重，可能塌方的不稳定地段。洞线力求短直，隧洞要有一定的埋深，除局部段外，一般要求围岩厚度应大于3倍洞径，且大于0.4倍的内水压力水头。进出口应选在覆盖层浅，岩石较完整，边坡较稳定的地段；从水流条件上看，进口水流应平顺，避免涡流；隧洞转弯半径R应 大于5倍洞宽B；高流速无压洞尽量避免设置平面转弯。两并列隧洞之间的岩体厚度应大于12倍的洞径（宽）。二、隧洞的总体布置（一）进（出）口开敞式多为泄洪洞无压洞（见水闸一章）深孔式发电排砂放空（见本章）有压洞出口段的断面积应

4、缩小为洞身断面的8090%。进出洞口的开挖应直到岩石完整且洞顶岩体厚度相当于洞径的35倍时才可开始进洞。（二）洞身布置无压洞的底坡由水力计算确定，但一般大于临界底坡，输水洞常用 1/2001/2000；无压泄洪洞的底坡一般为15%；大型泄洪洞常布置成无 压洞。一般来说，当工作水头小于50m,流量小于500m3/s,地质条件较好时， 采用有压洞泄洪可能比无压洞（或溢洪道）经济。有压洞的优点是流态平稳， 有利于减蚀；在泄相同流量时，有压洞的断面常比无压洞小（1020%左右）; 缺点是衬砌承受内水压力，渗漏可能引起山体滑坡，特别对出口处山坡稳定 有威胁。（有压泄洪洞洞径D=5m，V=10m/s时，泄

5、量Q=200m3/s）无压洞适用于水头较高，流量较大，地质条件较差的情况；但流速较 大的地方易气蚀；高速水流平面转弯时，将引起冲击波等不利水流现象。流 速大于15m/s时就可能发生空蚀，断面平均流速大于40m/s时，空蚀破坏较 多。三、隧洞断面尺寸的确定砼衬砌的引水隧洞经济流速约为24m/s（泄洪洞常达1030m/s）， 由此可拟定洞径；钢管的经济流速为25m/s，对于发电引水隧洞，洞径的 选择还应考虑使总水头损失不大于毛水头的58%。无压洞应按明渠均匀流公式计算过流能力，洞顶以上的净空一般不 小于洞断面积的15%，且大于40cm；水深一般不超过直墙部份,高流速洞还 要考虑掺气的影响。无压洞的

6、高度H=（11.5）B，B为洞宽。顶拱中心角约90180度。施工要求隧洞开挖断面应不小于BH=1.5x1.8m。四、过流能力较核及水头损失计算无压洞 Q=3CRiC=R0.16667/n砼衬砌n=0.0120.017钢管 0.011 0.013喷砼 0.017 0.025不衬砌岩洞0.0250.04有压洞 Q=gAc2gZZ库水位至有压洞出口中心的水位差AC有压洞出口收缩断面面积g流量系数p=1/山+#2+以K2L/DK=A/AcA计算水头损失的过水断面面积L, D洞长和洞径入=8g/C2，局部水头损失系数；拦污栅，进水口（包括门槽，渐变段等），转弯段，收缩断等；有时无压洞的泄流能力Q由进口的

7、有压段决定，则仍由上式计算。有压段的长度小于10倍洞高，则流量系数g可达0.9左右。隧洞总水头损失h=局部损失+沿程损失L/D大于200的长度，局部水头损失可忽略不计。第三节隧洞各部份的型式及构造教学目的：掌握水工隧洞各部份的型式及构造。教学难点、重点：水工隧洞的进口建筑物的型式和适用条件，各组成 部分的形状和构造。主要概念、名词：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式、平整衬砌。教学内容：复习巩固：前面介绍了水工隧洞的选线的原则和隧洞的总体布置方法。引入新课：本节介绍水工隧洞各部份的型式及构造。讲授新课：一、进口建筑物的型式及构造（一）型式开敞式进口：见水闸及溢洪道；深式进水口：见重力坝。竖井式：在库

8、区地形（高程）和地质条件合适的岸边岩体中开挖。岸塔式斜坡式：造价低，但闸门不易靠自重关闭，且发生故障时检修困难。 一般用于小型工程或作为安装检修闸门。（二）构造拦污栅：发电洞过栅流速一般不超过1m/s,以免水头损失过大，多 为直立，倾斜时为6075度。进水喇叭口 ：常用椭圆；低流速时也可用圆弧，R大于h/2, （h为闸 门处的孔口高度）。顶板常用1/4椭圆x2/a2+y2/b2=1顶板a=hb=h/3；边墙2=闸门处孔口宽B，b=（1/31/5）B进口渐变段（矩形变园形）：长度约为洞径的23倍通气孔：作为补气以稳定水流，避免振动和空蚀；平压开启检修闸门时，通气 孔又用以排气。发电引水洞或管道快

9、速闸门后的通气孔的断面积可取为洞 （管）身断面积的23%；高流速泄水洞可达510%。通气孔断面积a=0.1VA/V1V允许风速4050m/sV，A分别为隧洞的水流流速及断面积。平压管（旁通阀）灌水时间一般控制在26小时之内二、洞身的断面型式和构造（一）.断面形式有压洞：应根据能量方程求出隧洞的压坡线，要求洞顶应有以上2m以上的压 力余幅；高流速泄水洞应有10m以上压力余幅。当工作水头H大于100m，或流速大于35m/s时，有压洞铅直面转弯 的反弧段末端易发生空蚀破坏；（高流速洞的空蚀常发生在反弧段末端，门 槽下游，边界突体下游，断面突然扩大而补气不畅处；人工掺气是一种有效， 经济的防蚀措施）。

10、引水压力洞的转弯半径应大于5倍洞径，且转弯后的直段长也应不小于5倍洞径。无压洞断面型式1城门形顶拱中心角90180度，宽高比1： 11： 1.5。2马蹄形卵形适用于地质条件差，侧向山岩压力大的洞段。（二）隧洞衬砌衬砌的目的1承载稳定2减糙（使洞壁光滑）3减渗4防蚀（保护围岩免受冲刷，风化，浸蚀）衬砌的费用较高，有的可占隧洞工程总费用的60%；对于不衬砌的洞， 进出口和地质条件较差的洞段也应适当加固，洞底部均用砼抹平减糙。衬砌的类型（岩石坚硬完整，耐风化的洞段可以不衬砌；进出口段一般均要加强衬 砌，长度一般不小于5倍洞径.）1平整衬砌（不承载）：喷水泥砂浆13cm厚，喷砼58cm厚，浆砌 石25

11、35cm厚。适用于地质条件较好的洞段。2锚喷衬砌A喷素砼（见上）B锚喷结合，钻孔插入锚杆，注入砂浆 固定；锚杆应深入稳定岩层，一般长达倍洞径。喷锚支护适用于无压洞和中 低水头的有压洞（H小于70m）。3砼和钢筋砼衬砌:厚度一般为洞径或洞跨的1/10左右，且不小于25 30cm；砼标常用200号。常用于隧洞进出段和地质条件较差的洞段。钢筋 砼衬砌的纵向架立钢筋一般不经计算直接采用1216间距200400（洞径 较大者采用较大的直径和较大的间距）。环向受力钢筋按结构计算确决定， 常用 1220间距200300，g=1 %左右.4组合衬砌：内层为钢板，外层为砼（厚度大于20cm），适用于内水压 力大

12、的有压洞。5预应力衬砌：在衬砌和围岩之间进行压力灌浆，浆液使用膨胀水泥。衬砌的分缝止水1施工缝（临时，浇筑缝）：根据浇筑能力分纵横缝，也称工作缝；有压 洞缝处结合面应凿毛，有的还应加插筋以加强整体性。2变形缝：是永久缝，对有压洞缝中应设止水.目的防止不均匀沉降， 兼作温度伸缩缝；间距618m（洞径大的，可大些），进出口，渐变段，岩 性变化处，破碎带两侧等均应设缝。（三）隧洞的灌浆排水灌浆1回填灌浆在衬砌的顶拱部位90120度范围内预留灌浆孔.孔排距 46m，灌浆压力0.20.3mPa，逐步加密法灌浆。2固结灌浆一般深入岩体0.81倍洞径，常为35m；排距24m， 每排不少于6孑L，灌浆压力常用

13、0.41mPa，一般要达到1.52倍的内水压 力水头，常在回填灌浆结束后714天进行。排水：目的是降低衬砌的外水压力，常设在无压洞的顶部，孔深2 4m，间距24m；有压洞一般不设径向排水孔，遇到外水压力较大的破碎 带，可在衬砌底部设纵向排水暗管，将水排向下游.暗管可用无砂砼管或多 孔缸瓦管。三、出口段的构造发电有压洞出口段常对围岩进固结灌浆，并将压力钢管伸入洞内3 5D，形成组合衬砌。有压泄洪洞出口有的设有工作闸门（因此有启闭房，渐变段），无压（有 压）泄洪洞的出口消能与河岸式溢洪道相似：当隧洞出口高程高于或接近于 下游水位，且下游水深和地质条件适宜时，优先考虑挑流消能，否则考虑底 流消能。泄

14、洪洞下游消能的特点是单宽能量大，能量非常集中，因此需先将出 口的高速水流扩散，减少单宽流量，然后消能.不具备合适地形条件时，有 些泄洪洞也不扩散，直接挑流消能。四、隧洞施工隧洞钻进常用气腿风钻孔，电雷管引爆，硝胺岩石炸药爆破；地质较 好的洞段常用250号水泥砂浆支护，洞底砼铺砌。人工炮眼一般深0.61m，洞径2m左右的洞可全断面一次开挖完成， 各炮眼装药一般为孔深的5060%.隧洞开挖每方岩石炸药用量0.51KG， 导洞开挖增加80%左右。第四节隧洞衬砌上的荷载教学目的：掌握水工隧洞荷载的种类及计算步骤。教学难点、重点：水工隧洞的荷载的计算，特别是山岩压力及弹性抗 力的计算。主要概念、名词：山

15、岩压力、形变山岩压力、松动山岩压力、弹性抗 力。教学内容：（1复习巩固：前面介绍了水工隧洞进口建筑物的型式和适用条件，各 组成部分的形状和构造。引入新课：本节介绍水工隧洞荷载的种类及计算步骤。讲授新课：基本荷载：山岩压力，衬砌自重，洞内静水压力（正常及设计洪水位）， 外水压力（稳态渗流）特殊荷载：较核洪水位的内水压力（包括动水压力）及相应的外水压力。与地面结构相比，隧洞所受的地震力较小，可不考虑，仅在进出口段 和洞脸考虑地震力的影响；温变，砼干缩，灌浆压力主要用构造措施解决， 不计算（一般不让它成为控制截面和配筋的依据）。一、山岩压力普氏公式塌落拱高度h=隧洞开挖半宽b/围岩坚固系数fk曲线形

16、洞顶的垂直山岩压力q=0.7xy1xhL围岩的容重，中等坚硬的岩石fk=24侧向山岩压力e=YX（h1+H）xtg2（45。-p/2）h=b+Hxtg（45。-p/2）/fkH隧洞开挖高度，B隧洞开挖宽度B=2b，P=tg-f当f大于6,且开挖宽度B小于6m时，可不考虑山岩压力；f大于等 于2时，可不考虑侧向山岩压力。一般认为洞顶以上岩层厚度要大于3倍洞径时，平衡拱的形成才有保 证，否则按实有岩层厚度计算垂直山岩压力。2.1985年规范建议将围分为五类一类（围岩稳定）能长期自稳，不计山岩压力二、三类（基本稳定和稳定性较差）只计垂直山岩压力q=（0.10.2）YXB四、五类（稳定性差和不稳定）可

17、按松动介质平衡理论（如普氏公式）估算 山岩压力二、弹性抗力弹性抗力系数k表示单位面积的衬砌向围岩方向发生单位径向变位时 所受到围岩的被动反力，洞半径r为1m的K值称为单位弹性抗力系数K。 对于无压洞K值可查P289表，对于有压洞一般先由表中查得K。由下式计算K值：K=100K0/r式中及表中开挖半径r的单位为cm，K的单位为N/cm2K0=E/100（1+E，p围岩的弹模及泊松比弹性抗力一般是一种有利的反力，在下列情况之一不应考虑（或只能降 低考虑）弹性抗力：1围岩的厚度小于3倍洞径或小于0.4倍内水压力水头。2衬砌与围岩结合不紧密（有一定间隙）。3围岩破碎，或有软弱构造带（fk小于2）。三、

18、内外水压力发电引水洞的内水压应考虑水锤影响.无压洞一般采用排水措施来消 除外水压力；对于有压洞，外水压力有抵消内水压力的作用，应慎重确定. 在难以精确定出地下水位线时，常近似假定地下水位线在进水口外与设计洪 水位相同，在出口处与下游水位或洞顶外壁平齐，中间连以直线，外水压力 等于地下水位线至洞底板之间的水柱高可乘以折减系数0，一般0=0.25 1.0围岩裂隙发育时取大值，反之取小值；当围岩采用了排水措施时也取小 值。除此外还应注意以下几点荷载组合中外水压力对衬砌不利时（如隧洞放空时），0取大值，有时 干脆取为1（外水压力100%作用于衬砌上）；当外水压力对衬砌有利时（例如 与内水压力组合），取

19、表中的较小值，常常取为0；在进水口段，由于靠近水 库，常取8=0.号0.7。没有地下水的地段，有时考虑有压洞内水可能外渗，在检修放空时 渗入地层中的水象地下水一样作用于衬砌上，甚至认为其强度等于内水压力 强度.四、灌浆压力P1灌浆压力是作用于衬砌表面上的径向力，但有时为了利用垂直山岩压 力作用下的内力计算表，也可假定为垂直均布，一般P1=23个大气压，回 填灌浆的范围为洞顶90120度；灌浆压力产生的内力一般不计算，而通过 施工临时支承措施解决。五、荷载组合正常情况：山岩压力+衬砌自重+设计洪水位的内水压力+对应可能的最小外水压 力非常情况：山岩压力+衬砌自重+较核洪水位的内水压力+相应的外水

20、压力检修情况：山岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力+（灌浆压力）六、荷载组合中应注意的几个问题（对有压，无压洞）垂直山岩压力和侧向山岩压力使顶拱产生的变位（和内力）相反，有所 抵消；一般侧向山岩压力的估算可靠性比垂直山岩压力更差，故常常不计侧 向山岩压力。考虑了围岩弹性抗力时可不计侧向山岩压力。灌浆压力与外水压力不迭加，回填灌浆压力大于外水压力时，顶部 只计灌浆压力，其余范围才作用外水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不 计灌浆压力；灌浆压力是一种临时性荷载，如对衬砌成为控制性因素时，可 少考虑或不考虑计算值，而在灌浆时用临时支护解决。无压洞在洞顶设有排水孔，所以可以不考虑（或少考虑）外水

21、压力；为 了计算简便，无压洞还常常忽略洞内水重对衬砌内力的影响。计算衬砌自重及山岩压时，都应考虑隧洞施工平均每侧超挖0.10.3m的影响。第五节 圆形有压隧洞衬砌的结构计算教学目的：掌握圆形有压隧洞衬砌结构计算的方法和步骤步骤。教学难点、重点：水工隧洞衬砌的内力计算和配筋。主要概念、名词：抗裂、限裂。教学内容：复习巩固：前面介绍了水工隧洞荷载的种类及计算步骤。引入新课：本节介绍圆形有压隧洞衬砌结构计算的方法和步骤步骤。讲授新课：一、特点内水压力一般是主要荷载；除非在进出口和地质条件十分差的地段， 若荷载组合中包括了内水压力，一般都应同时计入弹性抗力的有利影响，而 不计侧向山岩压力。二、隧洞衬砌

22、结构计算步骤沿隧洞全长根据荷变化情况分成几段计算，每段选择一个控制性断面， 计算环向内力及配筋；纵向钢筋一般按构造配置。拟定衬砌的型式和厚度T一般T=洞径或洞宽B的1/81/12。荷载计算：山岩压力，内外水压力，衬砌自重等。选定适当的荷载组合。查表或按结构力学方法分别计算每个荷载单独作用下的内力m，N， 再按适当的荷载组合求出衬砌几个控制断面的总内力Zm和NN，作为配筋 的依据。按钢筋砼结构的计算公式，进行强度计算，确定配筋（多为小偏心受 拉构件）；然后进行抗裂或限制裂缝开展宽度验算。有压洞过去常按抗裂设 计，现在认为可以限裂设计，只要裂缝开展宽度不超过0.150.3mm即可（按 不同水力梯度

23、）。三、隧洞结构设计的几个注意点钢筋砼衬砌的最小配筋率(环向主筋)为叩0.2%；纵向架立筋直径不小于受力筋直径之半，数量不少于主筋的1/6，常用1220间距250 300(每米34根，大直径的隧洞采用较大的直径的钢筋)；环向主筋的经济 配筋率大约11.5 %左右。钢筋保护层34cm。当隧洞开挖直径D6时，衬砌可只按内水压 力计算内力及配筋。但经验计算表明，对于这种断面尺寸中等以下的隧洞 (D6m)，内水压力水头大于40m，于一般的围岩(fk大于3)，单纯按内水压 力计算内力和配筋，与考虑了所有荷载之后确定的总配筋量十分相近。四、单纯考虑内水压力配筋计算简便方法求出围岩的弹性抗力(砼未开裂时)P

24、0=P(1-A)/(t2-A)(6 14)t衬砌的外内半径之比A弹性特征因素0.01Eh (1+QK。A= (6 17)0.01Eh+(1+g)(1-2g)KE，p砼弹模及泊松比K0围岩单位弹性抗力系数P均匀内水压力均匀内水压力P产生的总环向拉力(每米长隧洞)N =pr -p r =0P i 0 emp只考内水压力时的总配筋Ag=KxNp/RgK钢筋砼强度安全系数，二，三级建筑物取1.5，四，五级取1.4。Rg钢筋设计强度三号钢Rg=240mPa以上是按砼允许开裂计算配筋，计算结果偏安全(因为P0比实际小)。五、一般荷载作用下圆形有压隧洞的内力可直接利用教材中的公式及 表格计算。六、钢筋砼衬砌

25、裂缝开展宽度计算，按规范进行。第七节坝下涵管教学目的：掌握坝下涵管的总体布置方式和水力计算、结构计算的内 容。教学难点、重点：坝下涵管的管身构造型式和布置，水力计算。主要概念、名词：沆管、管座、截水环、涵衣。教学内容：（1复习巩固：前面介绍了圆形有压隧洞衬砌结构计算的方法和步骤步 骤。引入新课：本节介绍坝下涵管的总体布置方式和水力计算、结构计 算的内容。讲授新课：小型土石坝枢纽常用坝下涵管引水灌溉，以节省投资；缺点是，当设 计施工不良或运用管理不当时，极易影响土坝安全。因此坝下引水涵管常做 成无压管。较高或重要的土石坝（包括在强地震区的坝）尽量避免采用坝下涵 管。一、涵管的总体布置（一）位置选择地质条件：尽量布置在岸边开挖的岩槽内，坝高小于10m的土坝也 可将涵管建于开挖出的稳定均匀的土基（槽）内