第八章水工隧洞

第八章水工隧洞

8.1概述

一、概念

水工隧洞：为满足水利水电工程各项任务的需要，在地面以下开凿的各种隧洞，称为水工隧洞。

二、功用

水工隧洞的功用包括：①泄洪；②满足发电、灌溉、给水等的引水或输水任务；③排沙；④放空水库，用于检修或人防等；⑤施工导流。

三、水工隧洞的类型

1、按担负的任务

取水隧洞：用于获取灌溉、发电、工业和生活用水等所需要的水量，流速一般较低。

泄水隧洞：一般为高速水流。如泄洪、放空、排沙及导流隧洞等。

特殊功用的隧洞：如通航隧洞、排漂隧洞、尾水隧洞等。

★在水工隧洞设计时，应尽量做到一洞多用，如临时变永久、或二洞合一等型式。(1)导流洞与泄洪洞结合，属于临时洞变永久洞改建工程。改建后一般用于无压隧洞，进水段多是龙抬头式，进口之后以抛物线段、斜坡段及反弧段与较低的洞身连接。(2)泄洪洞与发电洞合一布置。即一条隧洞分为主洞和支洞。分岔角一般为30-60°。

(3)另外，还有其他任务隧洞的合一布置。

如泄洪与排水隧洞的合一；发电后的尾水隧洞与灌溉隧洞的合一。

2、按工作时水力条件的不同：可分为有压隧洞和无压隧洞两大类。

①有压隧洞：为满流情况，隧洞工作时内壁面各个部位均作用有较大的内水压力，并保证洞顶的测压管水头大于2m。引水发电隧洞一般为有压。

②无压隧洞：隧洞工作时有自由水面，又称明流隧洞。灌溉渠道上的输水隧洞一般为无压的。

★其余的隧洞可为有压或无压状态，或前段有压后段无压状态，但必须避免：

明满流交替出现的工作状态，防振动、空蚀及对泄流能力的影响。

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（v>16m/s），低速(v<16m/s)。

四、水工隧洞的特点

1、水力特点注意深式泄水隧洞水流的空蚀，脉动引起的建筑物振动，及出口q大造成的下游冲刷等问题。

为此需采用适宜的防空蚀和消能措施。

2、结构荷载特点。山体中进行洞室开挖后，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，以承受山岩压力等荷载。

山岩压力：地下洞室开挖并衬砌后，由于围岩变形而作用在衬砌上的力。

影响因素包括：围岩的强度、变形性能、构造产状，洞室的形状、尺寸，洞室开挖程序以及支护衬砌的时间等。

无压隧洞：主要考虑空蚀和脉动水流的影响，对易发生空蚀的部位，应采用防蚀、抗磨材料或其他防蚀措施。

有压隧洞：从较大的内水压力和防渗考虑，要求围岩有足够的厚度和必要的衬砌。

总之，水工隧洞必需做好衬砌，并要尽量避开不利的地质及水文地质环境。

3、施工特点：隧洞一般工作面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。故应注意采用新的施工方法。

五、采用水工隧洞的条件适合采用水工隧洞的条件为：

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。

六、水工隧洞的组成：一般由进口段、洞身段和出口段三部分组成，洞前及洞后相应的还需布置引水渠及尾水渠，如图8-2所示。

8.2水工隧洞的布置

一、水工隧洞的布置

1、总体布置(1)应根据枢纽任务，对泄水建筑物进行总体规划。确定隧洞是专用或一洞多用。针对不同要求，结合地形、地质和水流条件拟定进口位置、高程。

(2)在合理的选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口段的位置及结构形式（竖井、塔式、岸塔式、斜坡式等），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，底板高程及消能方式。

(5)应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。使自然环境较小破坏、较易恢复，环境投资最小。

2、洞线选择

(1)尽量避开地质条件不良地段。（稳定）

(2)力求洞线短、直，水流平顺。（工程造价和水头损失）

(3)进、出口位置合适。

(4)使各段洞身橫断面都有足够的围岩厚度。

(5)应兼顾施工方便。

二、闸门在隧洞中的布置

（一）引水隧洞进水口一般位于水库调节库容所相应的工作深度以下。

★工作闸门位于出口段，进口段只设拦污栅和事故检修闸门。进水口洞身水轮机尾水管

（二）泄水隧洞泄水隧洞中一般布置二道闸门，一为工作闸门(控制下泄流量)，一为检修闸门(或称事故闸门)。

1、工作闸门位置：可以布置在进口、出口或隧洞中任一适宜位置。

(1)布置在进口：①一般为无压隧洞。可以作为表孔(布置上相当于用隧洞代替了岸边溢洪道的泄槽，多属于由导流洞改建的龙抬头式)或深孔(考虑闸门检修方便，但水力条件不好）

②也可用于有压隧洞，但考虑水力条件，一般仅用于V较低的施工导流洞。

（二）泄水隧洞

1、工作闸门位置

(2)布置在出口：用于有压隧洞。对围岩、衬砌及地质条件要求比无压隧洞高。一般在隧洞进口设事故检修闸门。

(3)布置在洞身某一位置

①隧洞线路需转弯，常将闸门布置在洞内转弯段后的直线段上，闸门前后分别为有压与无压流。

②洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中。

2、检修闸门

(1)一般均设在隧洞进口，在工作闸门上游，当工作闸门或隧洞检修时，用以挡水。

(2)隧洞出口低于下游水位时也要设检修闸门。深水隧洞的检修闸门一般需要能在动水中关闭，静水中开启，也称事故闸门。

8.3水工隧洞的进口段

按进水口的布置及结构形式可分为竖井式、塔式、岸塔式和斜坡式等。

1、竖井式进水口。在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，沿岸坡成倾斜式，井壁一般要进行衬砌，闸门安置在竖井井底中，竖井的顶部布置启闭机及操纵室，拦污栅设于洞外。

组成：设拦污栅的闸前渐变段，竖井，闸后渐变段。

优点：结构简单，节省工作桥，不受风浪和冰冻的影响，抗震及稳定性好，安全可靠。

缺点：竖井开挖困难，门前段隧洞检修不便。

适用：地质条件良好，岸坡岩体完整、稳定、坚固，坡度适宜，易于开挖平洞和竖井的情况。

2、塔式进水口。岸坡较缓或地质条件较差时用以连接隧洞，或在连接坝底埋管时使用。塔独立于岸坡，用钢筋混泥土建造，塔顶设操纵平台和启闭机室，用工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口可一边或四周进水。由此可分为封闭式和框架式两类。

封闭式：水平截面可为圆形、矩形或多角形，可在不同高程设进水口。运行可靠，造价高。

框架式：工作水头较低或根据运用条件只需在进口处设置一道闸门时采用。其结构较轻，造价省，但只能在低水位时检修。框架式封闭式

组成：闸前渐变段，塔身，闸后渐变段。优点：布置紧凑，可在任何水位下检修，闸门检修相对来说方便可靠。缺点：造价较高。另设工作桥，可能增加投资，需进行稳定验算。适用：当地材料坝体，或进口处山岩地质条件较差，岸坡又比较平缓，不宜开凿竖井的情况。

3、岸塔式(岸墙式)。进水口是依靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔，塔身直立或稍有倾斜，一般要求地质条件较好，有稳定岸坡，位于岸坡岩体之外而又紧靠岩坡成为整体，多为倾斜式。其也可分为封闭式和框架式。

优点：由于塔身斜靠山坡，故易满足稳定要求，对岸坡也直到一定的支撑作用，施工、安装、维修方便，地形、地质条件许可时优先选用。

缺点：若倾斜，闸门也斜，启门力增加，不易靠自重关闭闸门。

适用：地质条件较好，岸坡较陡，进口处岩石坚固，不易挖井，可开挖成近于直立的陡壁。

4、斜坡式。如果岩石完整、稳定，则可稍加开挖平整并进行衬砌后，直接将闸门及拦污栅轨道安置在斜坡上而不设置控制塔。

优点：结构简单，施工方便，稳定性好，造价最低。

缺点：斜坡上装闸门，关门时不易靠自重下降，启门力大。

适用：岸坡地形地质条件适合的中小型工程或仅安装检修闸门的进水口，要求较为完整的岩坡。

5、组合式进水口上列几种基本进水口形式还可根据具体地形地质条件组合采用。如上部塔式而下部竖井。

二、进口段的组成部分

水工隧洞进口段包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。

1、闸门前、后渐变段(同重力坝坝身泄水孔)

2、通气孔

有压进水口工作闸门后应设通气孔。

3、平压管(充水阀)

4、拦污栅

拦污栅作用：防止有害污物及漂浮物进入进水口，影响过水能力。

布置：

①平面倾斜：一般用于水电站引水隧洞。倾角一般为60-700。过水断面大，易于清污，适用于竖井式、岸墙式。

②平面直立：适用塔式，不利于清污。

③多边形式布置。

结构：

①支承结构：金属框架或钢筋砼结构。

②栅片结构：由若干栅条组成，栅片放在支承结构的栅槽中。经常提放（修理、清污)。每块栅片宽度一般≯2.5m，高度≯4m；为槽钢、角钢或扁钢等焊接、螺栓、连接而成格栅结构。

③栅条结构：栅条一般厚8-12mm，宽100-200mm。

清污及检修：定期清污（人工、机械），栅片类似闸门，可由栅槽中提起检修及清污。

★注：拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位。泄水隧洞一般不设拦污栅，当要拦较大漂浮物时，可视需要设梁格较大的固定式栅架。8.4水工隧洞的洞身段

一、洞身断面形式

1、无压隧洞的断面形式

(1)圆拱直墙形(城门洞形)：适用于地质条件较好，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。中心角多在90°-180°之间。宽高比一般为1-1.5边墙倾斜

(2)马蹄形（蛋形）：适用于岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大的情况。

(3)圆形：适用于围岩条件差，且地下水压力较大，掘进机施工情况。TBM掘进机工作过各示意图TBM刀盘部分全长100多米，钻头直径8米多，隧洞的衬砌，支护可一气呵成。

2、有压隧洞的断面型式一般采用圆形，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(城门洞形、马蹄形等)。

二、洞身橫断面尺寸

非圆形断面：长×高不小于1.5m×1.8m；

圆形断面：内径不小于1.8m。

城门洞形断面：顶拱中心角一般为90°-180°，断面高宽比一般为1-1.5，水深变化大则采用上限。

三、隧洞衬砌构造

(一)衬砌的功用

①加固和保护围岩，阻止围岩变形的发展。

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减小隧洞的表面糙率，减小水头损失。

(二)衬砌的类型按设置目的分为抹平和受力衬砌两类，而受力衬砌又包括单层、组合、预应力、喷锚衬砌等。

1、抹平衬砌(平整衬砌或护面）采用砼、喷砼、浆砌石等做成的减少糙率，防止漏水、抵抗冲蚀、防止风化等的平整护面，不承受荷载。

适用：造价低，施工方便，适用于岩石较好，水头较低的情况。

2、单层衬砌：是用混凝土(图8-8a)、钢筋混凝土(图8-8b、c、d)或浆砌石做成的承受荷载的衬砌。据经验，砼及钢筋砼的厚度一般均为洞径或洞宽的1/8-1/12，且≮25cm。

适用：中等地质条件、断面较大、水头较高的情况，应用广泛。其中前两种材料的单层衬砌应用最广泛。

3、组合衬砌不同材料组成的双层、多层衬砌，或顶拱、边墙及底板以不同材料构成的衬砌。（例子见教材P397）

4、预应力衬砌对砼或钢筋砼衬砌施加预压应力，以抵消内水压力产生的拉应力，克服砼抗拉强度低的缺点。

适用：作用高水头的圆形有压隧洞。

优点：可使衬砌厚度减薄，节约材料和开挖量，还可以增强衬砌的抗裂性和不透水性。

缺点：施工复杂、工序多、高压灌浆技术要求高、工期较长。

专题：1、预应力钢筋混凝土的基本原理

混凝土的抗拉性能很差，使钢筋混凝土结构带裂缝工作，从而使钢筋的抗拉强度得不到发挥。

为避免裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋，可在构件承受荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力，来减小或抵消使用时荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态，以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。

预应力混凝土的基本原理图

专题：2、预应力钢筋混凝土的施工

(1)先张法：先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法。

张拉设备工艺过程是：穿钢筋→张拉钢筋→浇筑砼并进行养护→切断钢筋。先张法张拉设备（2）后张法：先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋。工艺过程：浇筑砼构件(预留孔道)并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→孔道内压力灌浆后张法张拉设备

(三)衬砌的分缝

1、施工工作缝(临时缝)：一般设有横向(垂直水流方向)、纵向施工工作缝。

★注：为防止由于混凝土凝固收缩产生裂缝，分段浇筑的顺序通常是跳仓浇筑法。陆浑水库泄洪洞衬砌施工分缝(单位：m)

2、永久横向伸缩缝

(1)设置部位

①地质条件变化处。

②衬砌结构变化处(接头处)。(2)设置目的：防止水平位移及不均匀沉陷造成衬砌破裂。伸缩沉陷缝（单位：m）厚度突变

3、永久横向温度伸缩缝防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝。其比临时工作缝施工难度高，效果值得怀疑，决定是否选用应慎重。

★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

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。

施工方法：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900~1200以内。

孔距、排距：一般2~6m(深入岩体5cm以上)。

压力：见书。

2、固结灌浆

目的：在于加固围岩，减少渗漏。

范围：整个断面。一般深入围岩2~5m，对于围岩条件差的地段或直径较大的隧洞达6~10m。

孔距、排距：2~4m，每排不宜少于6孔，作对称布置。孔距约为1倍隧洞半径，布置成梅花形。

压力：一般为1.5~2.0倍内水压力。

★注：①灌浆时应加强观测，防止洞壁产生变形或破坏。②二种灌浆孔通常分排间隔排列。

③固结灌浆应在回填灌浆7-14天之后进行。

当地质条件良好，围岩透水性较低，可不进行灌浆。

(五)排水

作用：降低作用在衬砌上的外水压力。

(1)无压洞：外水压力较大时，设置排水（径向、纵向）。

①径向排水孔的孔距和排距2-4m，孔深2-4m，一般在洞内水面以上设置。当无压隧洞边墙很高时，也可在边墙背后水面高程以下设置暗的环向及纵向排水系统。另洞内水面以下也可设置排水孔，主要用于隧洞放空时排水。

②纵向排水设在衬砌底部。

(2)有压洞：

①一般只需加强固节灌浆(防渗)，不设排水。

②确有必要设置排水时，也只能采用环向、纵向排水暗管。

环向排水：可用砾石铺成，每隔6-8m设一道，收集的渗水汇集后由衬砌下部的纵向排水暗管(例如无砂混凝土管)排向下游。

8.5水工隧洞的出口段及消能设施

一、有压隧洞的出口段

有压隧洞出口处常设闸门，因此设闸室。门前设渐变段，门后接消能设施。

★其出口断面应做成逐渐收缩的压坡形式，但应注意不能影响泄流能力。坡度一般为1:20。

二、无压隧洞出口段出口处无闸门，仅设门框，以防洞脸及其上部岩体崩塌，出口构造主要是消能设施。

三、隧洞出口消能方式

1、挑流喷消能：应优先选用挑流消能，因其比较经济合理，用于有压及无压隧洞。出口可收缩或扩散

2、底流消能：应用较多。可采用扩散后的底流水跃消能。水流出洞后与扩散连接段，水平向可采用1:6-1:8，垂直向宜采用水流质点的抛物线与消力池连接。

◎掺气减蚀措施（P404）工人在边壁设置挑起、突跌、突扩等体形结构物，使急流通过时产生脱离和低压腔，此低压腔处设有与大气连通的通气孔。

3、洞中突扩消能在有压隧洞中分段造成出流突然扩散，与其周围水体之间形成大量漩涡、掺混而消能。有缩有放的一些结构，如P400图8-17。

4、洞内旋流消能

在隧洞内设置造旋设施，使水流产生旋转，利用水流离心力增加过流壁面压强，防止过流壁面空蚀破坏。

8.8水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合

一、荷载1、围岩压力2、围岩的弹性抗力

围岩的单位抗力系数K0：半径为100cm的孔口，受均匀内压时，孔周发生1cm的径向位移时的均匀内压值。可由工程经验或试验的方法得出：K0=Ed/100(1+μd)Ed与μd为围岩的弹模和泊松比，可由试验得出，无论是室内还是现场试验都应注意试验结果的局限性。3、内水压力

主要针对有压隧洞，由洞顶以上的水头产生的力均匀内水压γh和无水头洞内满水压(洞顶0，洞底γd)值组合而成。

4、外水压：常将地下水位线以下的水柱H乘以折减系数β表示。即γHβ。5、衬砌自重：衬砌容重乘以其厚度。

6、灌浆压力7、地震及温度作用二、荷载组合

正常运用情况为基本组合，用以设计衬砌厚、材料标号和配筋量。其他情况作为校核。

8.9水工隧洞衬砌计算与支护设计

各种衬砌的厚度计算公式见P418－－－。

※※新奥法和喷锚支护P437

一、新奥法

即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod，简称NATM。

它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。

※※新奥法和喷锚支护P437

二、喷锚支护是利用锚杆和喷混凝土进行围岩加固的总称。两者可单独使用，也可联合使用，还可附加钢筋网。喷锚支护是配合新奥法发展起来的一项新型支护。

三、喷锚衬砌的工作原理

隧洞开挖→岩层平衡状态破坏，洞壁一定塑性区范围内形成了一个承重圈。此时山岩压力继续增加→岩体将产生裂缝、滑移、掉块以至大面积坍塌，从而失去稳定。在岩体变形过程中，喷锚衬砌能及时将围岩予以封闭加固，给予其一定的反力，阻止其变形的发展，可以发挥围岩的自承能力，保持围岩的稳定。喷锚衬砌与围岩紧密联合，它具有一定的柔性，衬砌承受的载荷仅为抑制围岩继续变形所产生的压力，这种变形压力与松散压力相比要小得多。

四、喷锚支护的优缺点及应用

优点：适用各种岩层条件，使用灵活，施工速度快，喷砼厚度也远<常规砼衬砌厚度，可大大节省工程量，降低造价，缩短工期，与常用衬砌比较有支护快、顶部紧帖、柔性大等特点。

缺点：表面不够光滑，糙率大，尤其当开挖施工中超、欠挖较大时更难由混凝土填平。

应用：

a.施工期临时支护及导流隧洞等临时工程。

b.永久性工程：无压隧洞的顶部部分、有压隧洞的低水头、低流速部分。

五、喷锚支护的类型

1、喷混凝土支护喷混凝土支护与围岩共同工作，改善支护工作条件，也加固了围岩。喷混凝土能紧跟掘进工作面施工，缩短了围岩的暴露时间，使围岩的风化、潮解和应力松驰等不致有大的发展，堵塞渗水通道。

喷砼的作用为：

●充填岩体表面张开的裂隙，使围岩结成整体。

●填补不平整表面，缓和应力集中。

●保护岩体表面，堵塞渗水通道，阻止岩块松动和被侵蚀。

2、锚杆支护(节理发育的围岩常采用)锚杆支护是有特定形式的锚杆锚固于岩石内部，把原来不够完整的围岩固结起来，从而增加围岩的整体性和稳定性。

锚杆作用：悬吊作用、组合(销钉)作用、固结(承拱)作用。锚杆三种作用机制是综合发生的。

3、喷混凝土+锚杆支护用于强度不高或完整性很差的岩层。

4、喷混凝土+锚杆+钢筋网支护对于软弱的不良地质岩层的喷锚支护中，一般加设钢筋网以承受拉应力，提高喷混凝土层的强度，并减少温度裂缝。

六、喷锚支护的设计

工程经验类比法更常用，见表8－10。

(一)喷砼的厚度d计算设计理论较多，教材公式为：r1Rmax弹性区塑性区洞室

α－剪切面与隧洞断面垂直中心线的夹角，一般20~30°。

Pi－支护上的径向压力，见P423式8--14。

引入一：按粘结破坏（撕开）（喷砼情况）

R粘－喷砼计算粘结强度；l－危石边长Kr－危石弹性抗力系数，由围岩弹模及泊松比计算得出，见P424；E－喷混砼的弹模；G——危石重量；引入二：按“冲切”破坏（喷锚情况）τB－喷砼抗剪强度K－安全系数，一般取1.5

(二)喷砼的施工

撬除危石，清洗岩面，然后喷一层厚约1cm的小水灰比的水泥浆或厚约2-3cm的富水泥砼。喷