水工隧洞构造及布置（75清楚明了）

第六章章水水工工隧洞洞第一节节概概述述第二节节水水工工隧洞洞的布布置和和构造造第六章章水水工隧隧洞第三节节隧隧洞的的运用用管理理习题一、水水工隧隧洞的的特点点（一））结构特特点（二））水流特特点（三））施工特特点二、水水工隧隧洞的的类型型1.按用途途分类类2.按洞内内水流流状态态分类类第一节节概概述述一、水水工隧隧洞的的布置置（一））水工隧隧洞的的线路路选择择（二））水工隧隧洞的的工程程布置置二、水水工隧隧洞的的布置置和构构造（一））进口段段的形形式和和构造造（二））洞身段段的形形式与与构造造（三））出口段段及消消能设设施第二节节水水工工隧洞洞的布布置和和构造造一、隧洞的的检查查养护护二、隧隧洞常常见的的问题题及处处理（一））隧洞常常见问问题及及产生生原因因（二））隧洞常常见问问题的的处理理第三节节隧隧洞洞的运运用管管理在水利利枢纽纽中为为满足足泄洪洪、灌灌溉、、发电电等各各项任任务在在岩层层中开开凿而而成的的建筑筑物叫叫水工工隧洞洞。一、水水工隧隧洞的的特点点（一））结构构特点点在岩层层中开开挖隧隧洞后后，引引起洞洞孔附附近应应力重重新分分布，，岩体体产生生新的的变形形，严严重的的会导导致岩岩石崩崩塌。。围岩岩除了了产生生作用用在衬衬砌上上的围围岩压压力以以外，，同时时又具具有承承载能能力，，可以以与衬衬砌共共同承承受内内水压压力等等荷载载。围围岩压压力与与岩体体承载载能力力的大大小，，主要要取决决于地地质条条件。。因此此，应应使隧隧洞尽尽量避避开软软弱岩岩层和和不利利的地地质构构造。。第一节节概概述述（二））水流流特点点1、枢纽纽中的的泄水水隧洞洞，其其进口口通常常位于于水下下较处处，属属深式式泄水水洞。。2、由于于作用用在隧隧洞上上的水水头较较高，，流速速较大大，如如果隧隧洞在在弯道道、渐渐变段段等处处的体体型不不合适适或衬衬砌表表面不不平整整，都都可能能出现现气蚀蚀而引引起破破坏，，所以以要求求隧洞洞体型型设计计得当当、施施工质质量良良好。。3、泄水水隧洞洞的水水流流流速高高、单单宽流流量大大、能能量集集中，，在出出口处处有较较强的的冲刷刷能力力，必必须采采取有有效的的消能能防冲冲措施施。（三））施工工特点点隧洞洞洞身断断面小小，施施工场场地狭狭窄，，洞线线长，，施工工作业业工序序多，，干扰扰大，，工期期一般般较长长。尤尤其是是兼有有导流流任务务的隧隧洞，，其施施工进进度往往往控控制着着整个个工程程的工工期。。因此此，加加快施施工进进度是是隧洞洞工程程建设设中需需要引引起足足够的的重视视。’二、水水工隧隧洞的的类型型1.按用途途分类类（1）泄洪洪洞：：配合合溢洪洪道宣宣泄洪洪水，，保证证安全全。（2）引水水洞：：引水水发电电、灌灌溉或或供水水。（3）排沙沙洞：：排放放水库库泥沙沙，延延长水水库的的使用用年限限，有有利于于水电电站的的正常常运行行。（4）放空空洞：：在必必要的的情况况下放放空水水库。。（5）导流流洞：：在水水利枢枢纽的的施工工期用用来施施工导导流。。在设计计水工工隧洞洞时，，应根根据枢枢纽的的规划划任务务，尽尽量考考虑一一洞多多用，，以降降低工工程造造价。。如施施工导导流洞洞与永永久隧隧洞相相结合合，枢枢纽中中的泄泄洪、、排沙沙、放放空隧隧洞的的结合合等。。2.按洞内内水流流状态态分类类（1）有压压洞：：工作作闸门门布置置在隧隧洞出出口，，洞身身全断断面被被水流流充满满，隧隧洞内内壁承承受较较大的的内水水压力力。（2）无压压洞：：工作作闸门门布置置在隧隧洞的的进口口，水水流没没有充充满全全断面面，有有自由由水面面。一般说说来，，隧洞洞可以以设计计成有有压的的，也也可设设计成成无压压的，，也可可设计计成前前段是是有压压的而而后段段是无无压的的。但但应注注意的的是，，在同同一洞洞段内内，应应避免免出现现时而而有压压时而而无压压的明明满流流交替替现象象，以以防止止引起起振动动、空空蚀等等不利利流态态。第二节节水水工工隧洞洞的布布置和和构造造一、水水工隧隧洞的的布置置（一））水工工隧洞洞的线线路选选择隧洞的的路线线选择择关系系到工工程造造价、、施工工难易易、工工程进进度、、运行行可靠靠性等等方面面。影影响隧隧洞线线路选选择的的因素素很多多，如如地质质、地地形、、施工工条件件等。。隧洞洞的线线路选选择主主要考考虑以以下几几个方方面的的因素素：地质条条件地形条条件施工条条件水流条条件1．地质质条件件隧洞路路线应应选在在地质质构造造简单单、岩岩体完完整稳稳定、、岩石石坚硬硬的地地区，，尽量量避开开不利利的地地质构构造，，要尽尽量避避开地地下水水位高高、渗渗水严严重的的地段段。洞洞线要要与岩岩层、、构造造断裂裂面及及主要要软弱弱带走走向有有较大大的交交角，，对胶胶结紧紧密的的厚岩岩层走走向，，其夹夹角不不宜小小于30°°，对薄薄层以以及层层间连连接较较弱，，其夹夹角不不小于于45°°。在高地地应力力地区区，洞洞线应应与最最大水水平地地应力力方向向尽量量一致致，以以减少少隧洞洞的侧侧向围围岩压压力。。隧洞洞应有有足够够的覆覆盖厚厚度，，对于于有压压隧洞洞，当当考虑虑弹性性抗力力时，，围岩岩的最最小覆覆盖厚厚度不不小于于3倍洞径径。在隧洞洞的进进、出出口处处，围围岩的的厚度度往往往较薄薄，一一般情情况下下，进进、出出口顶顶部的的岩体体厚度度不宜宜小于于1倍的洞洞径或或洞宽宽。2．地形形条件件隧洞的的路线线在平平面上上应尽尽量短短而直直。如如因地地形、、地质质、枢枢纽布布置等等原因因需要要转弯弯时，，对于于低流流速的的隧洞洞弯道道曲率率半径径不应应小于于5倍洞径径或洞洞宽，，转弯弯转角角不宜宜大于于60°°，弯道道两端端的直直线段段长度度也不不宜小小于5倍的洞洞径或或洞宽宽。高高流速速的隧隧洞应应避免免设置置曲线线段。。3.水流条条件隧洞的进进口应力力求水流流顺畅，，减少水水头损失失。水流流应与下下游河道道平顺衔衔接，与与土石坝坝下游坝坝脚及其其建筑物物保持足足够距离离，防止止出现冲冲刷。4.施工条件件洞线选择择应考虑虑施工出出渣通道道及施工工场地布布置问题题。对于于长隧洞洞，还应应注意利利用地形形、地质质条件布布置施工工支洞、、斜洞、、竖井，，增加总总工作面面，加快快施工进进度。此外，洞洞线选择择应满足足枢纽总总体布置置和运行行要求，，避免在在隧洞施施工和运运行中对对其它建建筑物产产生干扰扰。（二）水水工隧洞洞的工程程布置隧洞进、、出口的的布置主主要包括括：进、、出口和和洞身及及闸门的的布置。。1、进、出出口布置置（1）隧洞的的进口高高程应根根据隧洞洞的用途途及实际际运用要要求来加加以确定定。发电引水水隧洞的的进口，，顶部高高程应在在水库最最低工作作水位以以下0.5～1.0m，底部应应高出水水库淤沙沙高程最最少1.0m以上。灌溉隧洞洞的进口口高程应应保证在在水库最最低工作作水位时时，能引引入设计计流量，，应满足足引水高高程的要要求，并并应与下下游灌区区布置在在同一侧侧。排沙洞应应设置在在需要排排沙的发发电、灌灌溉引水水洞进口口附近，，其高程程宜较低低。用于放空空水库和和施工导导流的隧隧洞进口口高程一一般都较较低。进口的进进水方式式有表孔孔溢流式式和深水水进口式式两种。。前者的的进口布布置方式式与岸边边溢洪道道相似，，只是用用隧洞代代替了泄泄槽，泄泄水时，，洞内为为无压流流。具体体布置见见下图深式进水水口的隧隧洞，可可以是无无压的或或有压的的。这种种布置形形式与重重力坝上上的泄水水孔布置置形式相相似。（2）隧洞的的出口布布置应保保证水流流下泄安安全，出出流平稳稳。对于有压压隧洞，，出口断断面面积积应小于于洞身断断面积，，以保持持洞内有有较大的的正压。。出口的的断面积积宜收缩缩为洞身身断面的的80%～90%，收缩方方式采用用洞顶压压坡的形形式。隧洞的出出口应通通过技术术经济比比较选择择消能防防冲方式式。对于于高流速速、高水水头、大大流量的的泄水隧隧洞，常常为挑流流消能。。2．隧洞的的纵坡选选择有压洞的的纵坡主主要取决决于进出出口高程程，要求求全线洞洞顶保持持不小于于2m的压力水水头。有有压洞的的底坡不不宜采取取平坡或或反坡，，因其会会出现压压力余幅幅不足且且不利于于检修排排水。有有压洞的的纵坡一一般取为为3‰～10‰。无压隧洞洞的纵坡坡应根据据水力计计算加以以确定，，一般要要求在任任何运用用情况下下，纵坡坡均应大大于临界界坡度。。3.闸门位置置布置检修闸门门设置在在隧洞进进口，一一般要求求在静水水中启闭闭。工作作闸门用用来调节节流量和和封闭孔孔口，要要求能在动水中中启闭。。无压洞的的工作闸闸门布置置在进口口。为保保证门后后洞内无无压流的的流态，，门后洞洞顶应高高出洞内内水面一一定高度度，并向向门后通通气。有压洞的的工作闸闸门布置置在出口口。洞内内始终为为有压流流，水流流流态稳稳定。具具体布置置见下图图。4.多用途隧隧洞的布布置为了减小小工程量量，降低低工程造造价，往往往考虑虑一洞多多用或临临时任务务与永久久任务相相结合的的布置方方式。(1)泄洪洞与与导流洞洞合一布布置在已已建工程程中较常常采用。。导流洞的的进口高高程较低低，而泄泄洪洞进进口高程程可以较较高，常常在施工工导流任任务完成成后，将将导流洞洞前段堵堵塞，而而在原导导流洞口口的上方方另设进进口，由由上部进进口向后后，隧洞洞底坡设设计为抛抛物线形形式，然然后再接接一反弧弧段与原原导流洞洞相衔接接。这种种布置形形式在工工程上常常形象地地称为龙龙抬头形形式。(2)泄洪洞与与发电洞洞合一布布置泄洪洞与与发电洞洞的合一一布置是是在洞前前段共用用一洞，，在后段段分岔为为两个洞洞分别来来泄洪与与发电。。对于泄泄洪量大大、经常常使用的的泄洪洞洞或重要要的水电电站，不不宜采用用这种布布置方式式。(3)发电与灌灌溉隧洞洞的合一一布置发电与灌灌溉隧洞洞合一布布置，水水轮机尾尾水后接接灌溉渠渠道，利利用发电电尾水进进行灌溉溉。由于于发电是是经常性性的，而而灌溉用用水是季季节性的的，所以以应在发发电尾水水的后面面设置一一弃水设设施，将将不需灌灌溉时的的发电尾尾水排入入下游河河道。有压洞的的工作闸闸门布置置在出口口布置图图二、水工工隧洞的的布置和和构造（一）进进口段的的形式和和构造1．进口建建筑物的的形式（1）竖井井式竖井式进进口是进进口附近近的岩体体中开凿凿竖井。。优点是是结构比比较简单单，不需需要工作作桥，不不受风浪浪和冰的的影响，，抗震性性及稳定定性好。。构造布布置见下下图。（2）塔式塔式进口口建筑物物是独立立于隧洞洞的进口口处而不不依靠山山坡的塔塔，用工工作桥与与岸坡相相连。其其缺点是是，受风风浪、冰冰、地震震的影响响大，稳稳定性相相对较差差，需要要较长的的工作桥桥。常用用于岸坡坡岩石较较差，覆覆盖层较较薄，不不宜修建建靠岸进进口建筑筑物的情情况。构构造布置置见下图图。（3）岸塔式式此种进口口是靠在在开挖后后洞脸岩岩坡上的的进水塔塔。塔身身可以是是直立的的或倾斜斜的。岸岸塔式的的稳定性性较塔式式的好，，不需工工作桥。。适用于于岸坡较较陡，岩岩体比较较坚固稳稳定的情情况。构构造布置置见下图图。(4)斜坡式斜坡式进进水口是是在较完完整的岩岩坡上进进行平整整、开挖挖、护砌砌而修建建的一种种进水。。优点是是，结构构简单，，施工、、安装方方便，稳稳定性好好，工程程量小。。缺点是是，由于于闸门倾倾斜，闸闸门不易易依靠自自重下降降。斜坡坡式进口口一般只只用于中中、小型型工程。。构造布布置见下下图。(5)组合式在实际工工程中常常根据地地形、地地质、施施工等具具体条件件采用。。如半竖竖井半塔塔式进水水口，下下部靠岸岸的塔式式进水口口等。具具体布置置见下图图。2．进口段段的组成成及构造造进口段的的组成包包括：进进水喇叭叭口、闸闸门室、、通气孔孔、平压压管和渐渐变段等等。进水喇叭叭口：隧隧洞进口口为顶板板和边墙墙顺水流流方向三三向逐渐渐收缩的的平底矩矩形断面面，形成成喇叭口口。收缩缩曲线常常采用1/4椭圆曲线线。竖井式构构造布置置图塔式构造造布置图图岸塔式构构造布置置图斜坡式构构造布置置图组合式构构造布置置图通气孔：：设在泄泄水隧洞洞进口或或中部的的闸门之之后应设设通气孔孔，其作作用是：：①在工作作闸门各各级开度度下承担担补气任任务；②检修时时，在下下放检修修闸门后后，放空空洞内水水流时补补气；③检修完完成后，，向检修修闸门和和工作闸闸门之间间充水时时，通气气孔用以以排气。。通气孔的的上部进进口必须须与闸门门启闭机机室分开开设置，，通气孔孔风速应应保持在在20m/s左右为好好。平压管：：为了减减小启门门力，往往往要求求检修门门在静水水中开启启。为此此，常设设置绕过过检修门门槽的平平压管。。平压管的的尺寸根根据所需需的灌水水时间（（约8小时左右右）。具具体布置置见下图图。（4）拦污栅栅：进口口处的拦拦污栅是是为了防防止水库库中的漂漂浮物进进入隧洞洞。（5）渐变段段、闸门门室：渐渐变段及及闸门室室等，可可参见第第二章第第七节重重力坝的的深式泄泄水孔有有关内容容。（二）洞洞身段的的形式与与构造1．洞身断断面形式式及尺寸寸(1)无压隧洞洞的断面面形式及及尺寸无压隧洞洞多采用用圆拱直直墙形（（城门洞洞）断面面。如围围岩条件件较差还还可以采采用马蹄蹄形断面面。无压隧洞洞的断面面尺寸主主要根据据其泄流流能力要要求及洞洞内水面面线来确确定。流速较低低、通气气良好的的隧洞，，要求水水面以上上净空不不小于洞洞身断面面面积的的15%～25%，冲击波波波峰高高不应超超过城门门洞形断断面的直直墙范围围。在确确定隧洞洞断面尺尺寸时，，还应考考虑到洞洞内施工工和检查查维修等等对最小小尺寸的的要求。。(2)有压隧洞洞的断面面形式及及尺寸有压隧洞洞由于内内水压力力较大，，一般均均采用圆圆形断面面。有压隧洞洞的断面面尺寸应应根据泄泄流能力力要求以以及沿程程压坡线线情况来来确定。。2．洞身衬衬砌的类类型及构构造衬砌是指指沿开挖挖洞壁而而做的人人工护壁壁，主要要作用是是：①阻止围围岩变形形的发展展，保证证围岩的的稳定；；②承受围围岩压力力、内水水压力和和其它荷荷载；③③防止渗渗漏；④保护围围岩免受受水流、、空气、、温度、、干湿变变化等的的冲蚀破破坏作用用；⑤平整围围岩，减减小表面面糙率。。(1)衬砌的类类型1)平整衬砌砌（也称称护面））：用用混凝土土、喷混混凝土和和浆砌石石做成的的护面，，它不承承受荷载载，仅起起到平整整隧洞表表面、减减小糙率率、防止止渗漏、、保护岩岩石不受受风化的的作用。。2)单层衬砌砌：用混混凝土、、钢筋混混凝土做做成。单单层衬砌砌适用于于中等地地质条件件，隧洞洞断面较较大，水水头及流流速较高高的情况况，混凝凝土和单单层钢筋筋混凝土土衬砌的的厚度不不宜小于于25cm，双层钢钢筋混凝凝土衬砌砌的厚度度不宜小小于30cm。3)喷锚衬砌：喷喷锚衬砌是利利用锚杆和喷喷混凝土加固固围岩措施的的总称，是逐逐渐发展起来来的新型加固固措施。4)组合式衬砌：：在开挖断面面周边不同部部位采用不同同的衬砌材料料组合而成。。如内层为钢钢板、钢筋网网喷浆，外层层为混凝土或或钢筋混凝土土；如顶拱为为混凝土，边边墙和底板采采用浆砌石。。5)预应力衬砌：：预应力衬衬砌是对混凝凝土、钢筋混混凝土衬砌的的外壁施加预预压应力，以以便在运用时时抵消内水压压力产生的拉拉应力。预应应力衬砌多用用于高水头有有压隧洞。(2)衬砌的分缝与与止水在混凝土及钢钢筋混凝土衬衬砌中，一般般设有施工缝缝和永久性的的横向变形缝缝。隧洞在穿过断断层、软弱破破碎带以及和和竖井交接处处，衬砌需要要加厚，应设设置横向变形形缝。围岩地质条件件比较均一的的洞身段只设设施工缝。一一般分段长度度为6～12m，底拱和边拱拱、顶拱的环环向缝不得错错开。纵向施施工缝应设置置在衬砌结构构拉应力及剪剪应力较小的的部位。(3)灌浆1)回填灌浆：回填灌浆是为为了填充衬砌砌与围岩之间间的空隙，使使之结合紧密密，以改善传传力条件和减减少渗漏。2)固结灌浆：固结灌浆是为为了加固围岩岩，提高围岩岩的整体性，，减小围岩压压力，保证岩岩石的弹性抗抗力，减小地地下水对衬砌砌的压力和减减少渗漏。(4)排水设置排水是为为了降低作用用在衬砌外壁壁上的外水压压力。对于无压隧洞洞衬砌，当地地下水位较高高时，外水压压力成为衬砌砌的主要荷载载。可在洞底底设纵向排水水管通向下游游，或在洞内内水面线以上上，通过衬砌砌设置排水孔孔，将地下水水直接引入洞洞内，排水孔孔间距、排距距以及孔深一一般为2-4m。对于有压圆形形隧洞，可不不设置排水设设备。当外水水位很高，外外水压力很大大，对衬砌设设计起控制作作用时，可在在衬砌底部外外侧设纵向排排水管，通至至下游，必要要时，为提高高排水效果，，可沿洞轴线线每隔6～8m，设一道环向向排水槽，环环向排水槽可可用砾石铺筑筑，将搜集渗渗水汇入纵向向排水管。具具体布置见下下图。（三）出口段段及消能设施施有压隧洞的出出口常设有工工作闸门及启启闭机室，闸闸门前有渐变变段，出口之之后即为消能能设施。无压压隧洞出口仅仅设有门框，，其作用是防防止洞脸及其其以上岩石崩崩塌，并与扩扩散消能设施施的两侧边墙墙相衔接。泄水隧洞出口口水流的特点点是隧洞出口口宽度小，单单宽流量大，，能量集中，，所以常在出出口处设置扩扩散段，使水水流扩散，减减小单宽流量量，然后再以以适当形式消消能。1．挑流消能当隧洞出口高高程高于或接接近下游水位位，且地形地地质条件允许许时，采用扩扩散式挑流消消能比较经济济合理，因为为它结构简单单，施工方便便，国内外泄泄洪、排沙隧隧洞广泛采用用这种消能方方式。2．底流消能当隧洞出口高高程接近下游游水位时，也也可采用扩散散式底流水跃跃消能。底流流消能具有工工作可靠、消消能比较充分分、对下游水水面波动影响响范围小的优优点，但缺点点是开挖量大大、施工复杂杂、材料用量量多、造价高高。3．窄缝式挑坎坎消能窄缝式挑坎消消能为挑坎处处采用收缩成成窄缝的布置置形式。窄缝缝式挑坎与等等宽挑坎不同同之处在于，，它的挑角很很小，一般取取0°，顺水流方向向，两侧边墙墙向中心的显显著收缩使出出水口处水流流迅速加深，，水舌的出射射角在底部和和表层差别很很大，底部约约0°，表层可达45°左右，因此水水舌下缘挑距距缩短，上缘缘挑距加大，，水流挑射高高度增加，使使水流纵向扩扩散加大，减减小了对河床床单位面积上上的冲击动能能，同时水舌舌在空中扩散散时及入水时时大量掺气，，在水舌进入入水垫后气泡泡上升，大大大减轻了对下下游河床的冲冲刷。4．洞中突扩消消能洞中突扩消能能也称为孔板板消能，它是是在有压隧洞洞中设置过流流断面较小的的孔板，利用用水流流经孔孔板时突缩和和突扩造成的的漩滚，在水水流内部产生生摩擦和碰撞撞，消减大量量能量。黄河小浪底水水利枢纽中将将导流洞改建建为压力泄洪洪洞，就采用用了多级孔板板消能方案，，在直径为D=14.5m的洞中布置了了三道孔板，，孔板间距为为3D=43.5m，由导流洞改改建的泄洪洞洞，经过三级级孔板消能，，可将140m水头消煞去60m水头，洞内平平均流速仅10m/s。第三节隧隧洞的运用管管理隧洞和涵管由由于设计、施施工、管理等等方面的原因因，可能出现现裂缝、断裂裂、漏水、空空蚀及磨损破破坏等现象，，影响工程的的正常运用。。特别是坝下下涵管的断裂裂漏水，不仅仅影响水库的的兴利，而且且有可能引起起垮坝的重大大事故，所所以，要加强强经常性检查查养护，发现现问题及时处处理。一、隧洞的检检查养护隧洞的检查养养护内容主要要有以下几个个方面。1、运用前要经经常检查隧洞洞的衬砌或涵涵管有无变形形、裂缝、漏漏水，出口部部位有无异常常潮湿和漏水水现象，要及及时分析原因因并进行处理理。2、运用期间，，随着闸门的的启闭要密切切注意观察和和倾听洞内有有无异常响声声，要作好记记录；对于坝坝下涵管，要要观察其附近近的上下游坝坝坡有无塌坑坑、裂缝或湿湿软等现象。。应及时清理理通气孔吸入入的杂物，确确保其畅通。。特别应指出出的是要正确确操作运用，，避免洞（管管）内出现明明、满交替的的流态，闸门门的启闭均应应缓慢进行，，避免流量的的猛增猛减，，防止洞内产产生超压、负负压或水锤等等不良现象，，对于无压洞洞严禁在受压压情况下使用用。3、运用之后，，要认真检查查洞或管壁有有无蜂窝、麻麻面、有无裂裂缝和漏水的的孔洞，出口口消能设施有有无损坏现象象等，要分析析其产生的原原因，提出处处理的方法。。闸门、启闭机机要经常检查查、养护，以以确保灵活、、安全。其它方面，如如发生严重冰冰冻后，要防防止冰冻对进进水塔和进水水口造成冰冻冻破坏，位于于地震区的水水库，当发生生五级以上的的地震后，应应进行全面检检查，发现问问题及时处理理，禁止在建建筑物附近采采石爆破或炸炸鱼，以免因因振动引起隧隧洞或涵洞断断裂，对于洞洞顶岩石厚度度小于3倍洞径的情况况，禁止在顶顶部堆放重物物或修建其它它建筑物，以以免发生意外外二、隧洞常见