水工地下洞室new

第5章水工隧洞

1第一节概述一、水工隧洞概念在地基内开挖而成，四周被围岩包围起来的水工建筑物。二、功能1.泄洪；2.发电、灌溉、给水等所需的引水；3.检修或其他原因需要放空水库；4.排沙；5.施工导流2三、类型1、按功能分：泄洪、泄水、引水、输水、放空、排砂、施工导流。2、按流态分：有压和无压。3、按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。4、按流速分：高速（>16m/s）,低速(<16m/s)3刘家峡水电站

由混凝土重力坝、黄土副坝、电站厂房及泄洪排沙等建筑物组成，是以发电为主，兼有防洪、防凌等作用的枢纽。由于河谷狭窄，导流及泄洪量大，除布置有开敞式河岸溢洪道外，还设有大断面的导流兼泄洪隧洞。4南水水电站由定向爆破堆石坝、导流兼泄洪隧洞、引水隧洞、调压井和地下厂房等组成。由于拦河坝处于峭壁狭窄中，故采用隧洞导流、泄洪。5白山水电站拦河坝为三心等厚重力拱，设有三条引水隧洞和三条尾水隧洞。

6四、工作特点结构型式和承载方面

开挖前：岩体处于整体稳定状态，

开挖后：原由的地应录平衡被打破，引起变形，严重时可能导致岩石崩塌，需进行开挖衬砌支护。围岩压力(山岩压力)与弹性抗力的概念1.围岩压力:隧洞开凿后由于围岩变形(或塌落)而作用在衬砌上的压力,是一种主动力.2.弹性抗力:当衬砌受到某些主动力的作用而向围岩方向变位时,会受到围岩的限制而产生反作用力.是一种被动力,能协助衬砌分担外荷载,是有利的.水力特性封闭断面水工隧洞受高水头动水压力作用。有压隧洞—相当于管流，受内水压力作用。若衬砌漏水，压力水渗入围岩裂隙，从而产生附加渗透压力，导致岩体失稳。要求坚固的衬砌。无压隧洞—明渠流，高速水流下，在固体不平整边界上可能会引起空蚀。施工方面无论开挖或衬砌，其工作面比地面上小得多，洞线长，干扰大。7五、采用水工隧洞的条件1、山岭起伏地区的引水式电站；2、过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖方大不经济时；3、修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰冻威胁时；4、深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导流及泄洪建筑物时；5、水电站厂房采用地下结构时。8第二节水工隧洞的总体布置水工隧洞总体布置的重要性:我国水利水电工程建设表明，少数水工隧洞之所以发生问题多系布置上考虑不周所致。布置上的失误，轻则证件结构设计难度，或造成工期的拖延，重则迫使在施工中改变线路，或不能按预定目的运行。隧洞布置合理与否，对围岩稳定、水流条件、建设工期和工程造价有决定的影响。因此，合理的工程布置是水工隧洞设计的关键。这里以泄水隧洞（或引水发电隧洞）为研究对象。9一、水工隧洞的总体布置

水工隧洞的结构组成：进口段，洞身段，出口段。

10闸门的布置置：对泄水隧洞洞来说，一一般需设两道闸门，即控制泄泄流的工作作闸门和工工作闸门检检修时挡水水的检修闸闸门。检修闸门一般位于隧隧洞进口处处，且在工工作闸门上上游。工作闸门一般位于：：有压隧洞洞：出口处处；无压隧隧洞：进口口处。启闭：工作作闸门应能能在动水中中启闭；检检修闸门在在动水中关关闭，静水水中开启。。泄水隧洞的的布置形式式：表孔泄洪洪隧洞和深深式泄水隧隧洞。11１、表孔泄泄洪隧洞的的布置（1）表孔泄洪洪隧洞的主主要方式:正堰斜井式式斜洪洞。。所谓表孔就就是进水口口位于水面面附近。组成：正向向溢流堰，，陡坡斜井井，隧洞及及出口消能能段。(2)正堰斜井式式斜洪洞的的布置进口：选择择地质、地地形条件好好的地方以以保证洞口口稳定、入入流顺畅。。出出口：高程程受下游水水位控制，，除对地质质地形条件件有所要求求外，应注注意消能工工的布置以以利于与下下游水流的的衔接。其结构组成成类似于河河岸正槽式式溢洪道，，不同之处处在于泄水水陡槽以封封闭式代替替开敞式。。泄洪时闸闸门的斜井井及隧洞中中多为无压压流。122、深孔泄水水隧洞的布布置组成：水下下进水口，，洞身和出出口消能段段。根据进水口口位置的不不同可将进进水口分为为低位进水水口和“龙龙抬头”式式进水口。。131415二、水工隧隧洞的选线线和定位水工隧洞的的布置是其其设计问题题中的关键键，隧洞的的选线则是是隧洞布置置得首要问问题，直接接关系到施施工期限，，工程造价价及工程运运行的可靠靠性。影响响隧洞线路路选择堵塞塞因素很多多，诸如地地形、地质质条件，施施工条件等等。设计时时必须根据据隧洞的用用途，综合合考虑地形形地质、施施工，枢纽纽总体布置置及对周围围环境的影影响等各种种因素，拟拟定不同方方案，经技技术经济比比较后确定定。选线原则：：地质条件好好，线路短短，水流顺顺畅，与枢枢纽和其他他建筑物互互不影响，，安全经济济。具体要求：：地质条件：洞线宜选选在地质构构造简单，，岩体完整整且稳定，，其上的覆覆盖层厚度度大（尤其其对有压隧隧洞来说洞洞顶以上围围岩厚度至至少要大于于洞顶静水水压力的重重量），施施工方便的的地段。避避开破碎带带，避开地地下水位高高、可能坍坍塌的不稳稳定岩石地形条件：：平面上尽量量直线布置置，必须转转弯时要求求转弯半径径不小于５５倍洞径或或洞宽，弯弯道转角不不大于60°，弯段上下下游直线段段长度不小小于５倍洞洞径或洞宽宽。无压隧隧洞高速流流段尽量不不转弯。16纵剖面上：：(1)有压隧洞（（引水）的进水口高高程取决于于发电死水水位，尾水水高程取决决于下游最最低尾水位位。纵向坡坡度的选取取考虑施工工排水和防防空隧洞进进行检修的的要求，一一般为不小小于0.5%－0.1%的正坡。(2)无压泄水隧隧洞的进口高程程取决于水水库要求泄泄放的最低低水位，出出口高程决决定于下游游最高洪水水位，应避避免水跃。。其纵坡通通过水利计计算确定，，多采用陡陡坡以防止止洞内泥沙沙淤积。运行条件：：不影响枢纽纽和其他建建筑物的正正常工作。。泄水隧洞洞出口应与与拦河坝的的坝脚有一一定距离，，泄洪消能能出口与坝坝脚相距200米以上，以以防出洞水水流冲刷坝坝脚。发电电洞尾水则则应避开或或隔开枢纽纽建筑物泄泄流时可能能导致的水水位波动。。施工开挖条条件：洞线应与枢枢纽其他建建筑物保持持一定距离离以免洞室室开挖爆破破影响建筑筑物基岩的的稳定。长长隧洞可设设几个支洞洞以增加开开挖面。17第三节水水工隧洞的的进口段一、表孔泄泄洪隧洞的的进口类似于正槽槽溢洪道的的进口堰型型选择流溪河水电电站泄洪洞洞进口单单位：m18二、深孔水水工隧洞的的进口1、基本结构构形式按其布置和和结构型式式不同，分分为：竖井井式,塔式,岸塔式,斜坡式,组合式竖井式进水水口：（图）组成：闸前渐变段段，竖井，，闸后渐变变段。优点：结构简单，，节省工作作桥,不受风浪和和冰的影响响，抗震及及稳定性好好。缺点：竖井开挖困困难，检修修门前一段段隧洞检修修不便。适用：河岸岩石石坚固,开凿竖井无无塌方危险险。竖井式进水水口单单位:m19塔式进水口口：组成：闸前渐变段段，塔身，，闸后渐变变段。优点：为独立悬臂臂结构，布布置紧凑,闸门检修相相对来说方方便。缺点：另设工作桥桥，可能增增加投资，，需进行稳稳定验算。。适用：进口处岸坡坡低缓,覆盖层较厚厚,山岩破碎,不宜开凿竖竖井。类型：框架式塔和和封闭式塔塔。框架架式式塔塔式式进进水水口口单单位位：：m封闭闭式式塔塔式式进进水水口口20岸塔塔式式进进水水口口：：优点点：：稳定定性性比比塔塔式式好好，，造造价价比比塔塔式式省省，，施施工工方方便便,地形形、、地地质质条条件件许许可可时时优优先先选选用用。。缺点点：：若倾倾斜斜,闸门门也也斜斜,启门门力力增增加加,不易易靠靠自自重重关关闭闭闸闸门门.适用用：：进口口处处岩岩石石坚坚固固，，可可开开挖挖成成近近于于直直立立的的陡陡壁壁时时。。岸塔塔式式进进水水口口单单位位:m21斜坡坡式式进进水水口口：：优点点：：结构构简简单单，，施施工工方方便便，，稳稳定定性性好好，，造造价价最最低低。。缺点点：：斜坡坡上上装装闸闸门门，，关关门门时时不不易易靠靠自自重重下下降降，，需需另另加加关关门门力力。。适用用：：较为为完完整整的的岩岩坡坡。。响洪洪甸甸泄泄洪洪洞洞斜斜坡坡式式进进水水口口单单位位：：m22组合合式式进进水水口口：：组合合式式进进水水口口单单位位：：m232、深深孔孔水水工工隧隧洞洞的的体体型型（1）闸闸前前及及闸闸后后渐渐变变段段：闸闸前前喇喇叭叭口口和和闸闸后后渐渐变变段段.上墙墙:侧墙墙:D---断面面高高度度B---断面面宽宽度度方变变圆圆的的渐渐变变段段闸后后渐渐变变段段的的长长度度以以洞洞身身直直径径或或洞洞高高的的1.5～2.0倍为为宜宜.2425（2）通通气气孔孔:补气气和和排排气气.（3）平平压压管管（（图图））（4）拦拦污污栅栅平压压管管26第四四节节隧隧洞洞的的洞洞身身段段一、、断断面面尺尺寸寸及及衬衬砌砌构构造造断面面尺尺寸寸由水水力力计计算算得得到到。。水水力力计计算算包包括括泄泄流流能能力力，，水水头头损损失失，，压压坡坡线线（（有有压压流流）），，水水面面线线（（无无压压流流））。。断面面形形式式：与与水水流流条条件件、、工工程程地地址址条条件件和和施施工工条条件件等等有有关关。。27（一一））有有压压隧隧洞洞断断面面形形态态与与过过水水能能力力：：圆形形圆形形断断面面的的优优点点：：流流态态好好，，受受力力条条件件好好，，过过水水能能力力强强。。洞身身过过水水面面积积：：w——洞身身过过水水面面积积，，Q——最大大设设计计流流量量，，—兼计计沿沿程程与与局局部部阻阻力力的的流流量量系系数数，，H——计算算断断面面的的作作用用水水头头。。有压引水隧洞洞洞内水流流流速低，以减减小水头损失失，保证发电电所需的能量量；有压泄洪隧洞洞洞内水流流流速高，以便便让洪水尽快快下泄。28（二）无压隧隧洞断面形态态及过水能力力：城门洞形、马马蹄型或圆形形城门洞形断面面的优点：适适宜于承受垂垂直山岩压力力，也便于开开挖和衬砌。。城门洞形断面面的缺点：拱拱圈受力较差差。为了减小或消消除作用在侧侧墙上的侧向向围岩压力，，可把直墙改改为斜墙，变变成马蹄形断断面。292、型式按设置目的分分为抹平衬砌和受力衬砌两类。（1）抹平衬砌用砼、喷浆及及浆砌石做成成的护面。不不承受荷载（2）受力衬砌：：单层，组合，，预应力，喷喷锚等,一般衬砌（单单层）厚度为为1/8～1/12洞径且>25cm。单层：用砼、钢筋混混凝土或浆砌砌石做成。组合式：根据衬砌的不不同受力特点点和运用要求求，用不同材材料组成的双双层、多层衬衬砌。预应力：在施工中预施施环向压应力力，运行时衬衬砌可承受由由巨大内水压压力引起的环环向拉应力。。适用于高水水头圆洞。喷锚支护:新奥法(NATM)的表现形式.喷混凝土支护护和锚杆支护护.（三）衬砌构构造———沿开挖洞壁做做成的人工护护壁。1、衬砌的作用用（1）阻止围岩变变形发展，保保证其稳定；；（2）加固围岩承承受围岩压力力、内水压力力和其他荷载载；（3）防止渗漏；；（4）保护岩石免免受水流、空空气、温度、、干湿变化等等侵蚀破坏；；（5）平整围岩，，减小表面糙糙率。30隧洞断面形式式及衬砌类型型(单位：cm)(a)～(f)—单层衬砌；(g)～(i)—组合式衬砌；；(k)～(l)—预应力衬砌313、衬砌的分缝缝和止水（1）整体式衬砌砌在施工中要要分段分块浇浇筑，需设横横、纵向工作作缝（图）；；跳仓浇筑.陆浑水库泄洪洪洞衬砌施工工分缝单单位：m衬砌的纵向施施工缝32（2）永久横向伸伸缩缝：沉陷陷变形伸缩缝缝和温度变形形伸缩缝（图图）。伸缩沉陷缝单单位：m334、灌浆、防渗渗和排水（1）灌浆：回填填灌浆和固结结灌浆。回填灌浆：填填充衬砌与围围岩之间的空空隙，使之紧紧密结合以改改善传力条件件，减小渗漏漏。一般施工中在在衬砌顶拱部部分时预留灌灌浆孔（图））。范围：顶顶拱90º～120º之间，孔矩和和排矩2～6米，灌浆压力力一般为0.2～0.5MPa.固结灌浆：为为了加固围岩岩，提高围岩岩的强度和整整体性，减小小山岩压力，，保证岩石的的弹性抗力，，减小地下水水对衬砌的压压力和减少渗渗漏而做。由由于于其一般在衬衬砌后进行，，故还可起预预压作用。孔深：一倍隧隧洞半径，梅梅花形，间矩矩2～4米。灌浆压力：1.5～2.0倍内水压力，，一般0.3～1.0MPa.灌浆孔布置图图34（2)防渗与排水当地下水位较较高时外水压压力将会成为为主要荷载,因此防渗排水水设施不可缺缺少.对无压洞:当外水压力较较大时,可在洞内最高高水面线以上上通过衬砌来来设置排水孔孔（图）.对有压洞:在洞底部设置置纵向排水管管和横向排水水沟,间矩6～8米.无压隧洞排水水布置图35第五节隧隧洞的出口段段一、出口段结结构体型1、有压：出口处设闸门门，因此设闸闸室，用以布布置闸门及相相应的启闭设设备，门前设设渐变段，门门后接消能设设施。2、无压：出口处无闸门门，因此其型型式相对简单单，仅设门框框，以防洞脸脸及其上部岩岩体崩塌，洞洞身直接与消消能设施相连连。36二、消能方式式1、挑流消能2、扩散水跃消消能3、洞内消能37第六节隧洞洞衬砌的结构构计算一、水工隧洞洞的荷载组合合基本荷载与特殊荷载１）正常运用用情况围岩压力+衬砌自重+设计洪水时的的内、外水压压力２）施工、检检修情况围岩压力+衬砌自重+可能最大的外外水压力３）非常运用用情况围岩压力+衬砌自重+校核洪水水时的内内、外水水压力38二、衬砌砌上的荷荷载计算算１、围岩压力力：垂直围围岩压力力；侧向向围岩压压力；底底部上挤挤力392、弹性抗力力：当衬砌受受力变形形后，变变形方向向指向围围岩，就就产生弹弹性抗力力。*考虑弹弹性抗力力的条件件:(1)围岩没有有不利的的断层或或裂隙;(2)围岩厚度度大于洞洞中内水水压力的的0.4倍;(3)围岩厚度度大于3倍洞径;(4)围岩与衬衬砌之间间的间隙隙被完好好填充,接触紧密密.弹性抗力力的计算算：其中,k为岩石抗抗力系数数,为围岩变变形.3.水荷载（1）内水压力力：有压:压坡线。无压:洞内水深深。（2）外水压力力：指作用用在衬砌砌外壁上上的地下下水压力力，其值值取决于于洞外地地下水位位线的高高低和外外水压力力，折减减系数的的大小。。40三、隧隧洞衬砌砌的结构构计算衬砌的计计