水利水电工程水工隧洞培训讲义

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：对泄水隧洞来说，一般需设两道闸门，即控制泄流的工作闸门和工作闸门检修时挡水的检修闸门。

检修闸门一般位于隧洞进口处，且在工作闸门上游。

工作闸门一般位于：有压隧洞：出口处；无压隧洞：进口处。启闭：工作闸门应能在动水中启闭；检修闸门在动水中关闭，静水中开启。泄水隧洞的布置形式：表孔泄洪隧洞和深式泄水隧洞。11１、表孔泄洪隧洞的布置（1）表孔泄洪隧洞的主要方式:正堰斜井式斜洪洞。所谓表孔就是进水口位于水面附近。组成：正向溢流堰，陡坡斜井，隧洞及出口消能段。(2)正堰斜井式斜洪洞的布置进口：选择地质、地形条件好的地方以保证洞口稳定、入流顺畅。

出口：高程受下游水位控制，除对地质地形条件有所要求外，应注意消能工的布置以利于与下游水流的衔接。其结构组成类似于河岸正槽式溢洪道，不同之处在于泄水陡槽以封闭式代替开敞式。泄洪时闸门的斜井及隧洞中多为无压流。122、深孔泄水隧洞的布置

组成：水下进水口，洞身和出口消能段。根据进水口位置的不同可将进水口分为低位进水口和“龙抬头”式进水口。131415二、水工隧洞的选线和定位

水工隧洞的布置是其设计问题中的关键，隧洞的选线则是隧洞布置得首要问题，直接关系到施工期限，工程造价及工程运行的可靠性。影响隧洞线路选择堵塞因素很多，诸如地形、地质条件，施工条件等。设计时必须根据隧洞的用途，综合考虑地形地质、施工，枢纽总体布置及对周围环境的影响等各种因素，拟定不同方案，经技术经济比较后确定。选线原则：地质条件好，线路短，水流顺畅，与枢纽和其他建筑物互不影响，安全经济。具体要求：

地质条件：洞线宜选在地质构造简单，岩体完整且稳定，其上的覆盖层厚度大（尤其对有压隧洞来说洞顶以上围岩厚度至少要大于洞顶静水压力的重量），施工方便的地段。避开破碎带，避开地下水位高、可能坍塌的不稳定岩石

地形条件：平面上尽量直线布置，必须转弯时要求转弯半径不小于５倍洞径或洞宽，弯道转角不大于60°，弯段上下游直线段长度不小于５倍洞径或洞宽。无压隧洞高速流段尽量不转弯。16

纵剖面上：(1)有压隧洞（引水）的进水口高程取决于发电死水位，尾水高程取决于下游最低尾水位。纵向坡度的选取考虑施工排水和防空隧洞进行检修的要求，一般为不小于0.5%－0.1%的正坡。(2)无压泄水隧洞的进口高程取决于水库要求泄放的最低水位，出口高程决定于下游最高洪水位，应避免水跃。其纵坡通过水利计算确定，多采用陡坡以防止洞内泥沙淤积。

运行条件：不影响枢纽和其他建筑物的正常工作。泄水隧洞出口应与拦河坝的坝脚有一定距离，泄洪消能出口与坝脚相距200米以上，以防出洞水流冲刷坝脚。发电洞尾水则应避开或隔开枢纽建筑物泄流时可能导致的水位波动。

施工开挖条件：洞线应与枢纽其他建筑物保持一定距离以免洞室开挖爆破影响建筑物基岩的稳定。长隧洞可设几个支洞以增加开挖面。17第三节水工隧洞的进口段

一、表孔泄洪隧洞的进口类似于正槽溢洪道的进口堰型选择流溪河水电站泄洪洞进口

单位：m18二、深孔水工隧洞的进口1、基本结构形式按其布置和结构型式不同，分为：竖井式,塔式,岸塔式,斜坡式,组合式竖井式进水口：（图）组成：闸前渐变段，竖井，闸后渐变段。优点：结构简单，节省工作桥,不受风浪和冰的影响，抗震及稳定性好。缺点：竖井开挖困难，检修门前一段隧洞检修不便。适用：河岸岩石坚固,开凿竖井无塌方危险。竖井式进水口

单位:m19塔式进水口：组成：闸前渐变段，塔身，闸后渐变段。优点：为独立悬臂结构，布置紧凑,闸门检修相对来说方便。缺点：另设工作桥，可能增加投资，需进行稳定验算。适用：进口处岸坡低缓,覆盖层较厚,山岩破碎,不宜开凿竖井。类型：框架式塔和封闭式塔。框架式塔式进水口

单位：m封闭式塔式进水口20岸塔三式进三水口三：优点三：稳定三性比三塔式三好，三造价三比塔三式省三，施三工方三便,地形三、地三质条三件许三可时三优先三选用三。缺点三：若倾三斜,闸门三也斜,启门三力增三加,不易三靠自三重关三闭闸三门.适用三：进口三处岩三石坚三固，三可开三挖成三近于三直立三的陡三壁时三。岸塔三式进三水口三单位:m21斜坡三式进三水口三：优点三：结构三简单三，施三工方三便，三稳定三性好三，造三价最三低。缺点三：斜坡三上装三闸门三，关三门时三不易三靠自三重下三降，三需另三加关三门力三。适用三：较为三完整三的岩三坡。响洪三甸泄三洪洞三斜坡三式进三水口三单位三：m22组合三式进三水口三：组合三式进三水口三单位三：m232、深三孔水三工隧三洞的三体型（1）闸三前及三闸后三渐变三段：闸三前喇三叭口三和闸三后渐三变段.上墙:侧墙:D-三--断面三高度B-三--断面三宽度方变三圆的三渐变三段闸后三渐变三段的三长度三以洞三身直三径或三洞高三的1.三5～2.三0倍为三宜.2425（2）通三气孔:补气三和排三气.（3）平三压管三（图三）（4）拦三污栅平压三管26第四三节三隧三洞的三洞身三段一、三断面三尺寸三及衬三砌构三造断面三尺寸由水三力计三算得三到。三水力三计算三包括三泄流三能力三，水三头损三失，三压坡三线（三有压三流）三，水三面线三（无三压流三）。断面三形式：与三水流三条件三、工三程地三址条三件和三施工三条件三等有三关。27（一三）有三压隧三洞断三面形三态与三过水三能力三：圆形圆形三断面三的优三点：三流态三好，三受力三条件三好，三过水三能力三强。洞身三过水三面积三：w—洞身三过水三面积三，Q—最大三设计三流量三，—兼计三沿程三与局三部阻三力的三流量三系数三，H—计算三断面三的作三用水三头。有压三引水三隧洞三洞内三水流三流速三低，三以减三小水三头损三失，三保证三发电三所需三的能三量；有压三泄洪三隧洞三洞内三水流三流速三高，三以便三让洪三水尽三快下三泄。28（二三）无三压隧三洞断三面形三态及三过水三能力三：城门三洞形三、马三蹄型三或圆三形城门三洞形三断面三的优三点：三适宜三于承三受垂三直山三岩压三力，三也便三于开三挖和三衬砌三。城门三洞形三断面三的缺三点：三拱圈三受力三较差三。为了三减小三或消三除作三用在三侧墙三上的三侧向三围岩三压力三，可三把直三墙改三为斜三墙，三变成三马蹄三形断三面。292、型三式按设三置目三的分三为抹平三衬砌和受力三衬砌两类三。（1）抹三平衬三砌用砼三、喷三浆及三浆砌三石做三成的三护面三。不三承受三荷载（2）受三力衬三砌：单层三，组三合，三预应三力，三喷锚三等,一般三衬砌三（单三层）三厚度三为1/三8～1/三12洞径三且>2三5c三m。单层三：用砼三、钢三筋混三凝土三或浆三砌石三做成三。组合三式：根据三衬砌三的不三同受三力特三点和三运用三要求三，用三不同三材料三组成三的双三层、三多层三衬砌三。预应三力：在施三工中三预施三环向三压应三力，三运行三时衬三砌可三承受三由巨三大内三水压三力引三起的三环向三拉应三力。三适用三于高三水头三圆洞三。喷锚三支护:新奥三法(N三AT三M)的表三现形三式.喷混三凝土三支护三和锚三杆支三护.（三三）衬三砌构三造——三—沿开三挖洞三壁做三成的三人工三护壁三。1、衬三砌的三作用（1）阻三止围三岩变三形发三展，三保证三其稳三定；（2）加三固围三岩承三受围三岩压三力、三内水三压力三和其三他荷三载；（3）防三止渗三漏；（4）保三护岩三石免三受水三流、三空气三、温三度、三干湿三变化三等侵三蚀破三坏；（5）平三整围三岩，三减小三表面三糙率三。30隧洞三断面三形式三及衬三砌类三型(单位三：cm三)(a三)～(f三)—单层三衬砌三；(g三)～(i三)—组合三式衬三砌；(k三)～(l三)—预应三力衬三砌313、衬三砌的三分缝三和止三水（1）整三体式三衬砌三在施三工中三要分三段分三块浇三筑，三需设三横、三纵向三工作三缝（三图）三；跳三仓浇三筑.陆浑三水库三泄洪三洞衬三砌施三工分三缝三单三位：m衬砌三的纵三向施三工缝32（2）永三久横三向伸三缩缝三：沉三陷变三形伸三缩缝三和温三度变三形伸三缩缝三（图三）。伸缩三沉陷三缝三单三位：m334、灌三浆、三防渗三和排三水（1）灌三浆：三回填三灌浆三和固三结灌三浆。回填三灌浆三：填三充衬三砌与三围岩三之间三的空三隙，三使之三紧密三结合三以改三善传三力条三件，三减小三渗漏三。一般三施工三中在三衬砌三顶拱三部分三时预三留灌三浆孔三（图三）。三范围三：顶三拱90三º～12三0º之间三，孔三矩和三排矩2～6米，三灌浆三压力三一般三为0.三2～0.三5M三Pa三.固结三灌浆三：为三了加三固围三岩，三提高三围岩三的强三度和三整体三性，三减小三山岩三压力三，保三证岩三石的三弹性三抗力三，减三小地三下水三对衬三砌的三压力三和减三少渗三漏而三做。三由于三其一三般在三衬砌三后进三行，三故还三可起三预压三作用三。孔深三：一三倍隧三洞半三径，三梅花三形，三间矩2～4米。灌浆三压力三：1.三5～2.三0倍内三水压三力，三一般0.三3～1.三0M三Pa三.灌浆三孔布三置图34（2)防渗三与排三水当地三下水三位较三高时三外水三压力三将会三成为三主要三荷载,因此三防渗三排水三设施三不可三缺少.对无三压洞:当外三水压三力较三大时,可在三洞内三最高三水面三线以三上通三过衬三砌来三设置三排水三孔（三图）.对有三压洞:在洞三底部三设置三纵向三排水三管和三横向三排水三沟,间矩6～8米.无压三隧洞三排水三布置三图35第五三节三隧三洞的三出口三段一、三出口三段结三构体三型1、有三压：出口三处设三闸门三，因三此设三闸室三，用三以布三置闸三门及三相应三的启三闭设三备，三门前三设渐三变段三，门三后接三消能三设施三。2、无三压：出口三处无三闸门三，因三此其三型式三相对三简单三，仅三设门三框，三以防三洞脸三及其三上部三岩体三崩塌三，洞三身直三接与三消能三设施三相连三。36二、三消能三方式1、挑三流消三能2、扩三散水三跃消三能3、洞三内消三能37第六三节三隧洞三衬砌三的结三构计三算一、三水工三隧洞三的荷三载组三合基本三荷载与特殊三荷载１）三正常三运用三情况围岩三压力+衬砌三自重+设计三洪水三时的三内、三外水三压力２）三施工三、检三修情三况围岩三压力+衬砌三自重+可能三最大三的外三水压三力３）三非常三运用三情况围岩三压力+衬砌三自重+校核三洪水三时的三内、三外水三压力38二、三衬砌三上的三荷载三计算１、围岩三压力：垂三直围三岩压三力；三侧向三围岩三压力三；底三部上三挤力392、弹性三抗力：当衬三砌受三力变三形后三，变三形方三向指三向围三岩，三就产三生弹三性抗三力。*考三虑弹三性抗三力的三条件:(1三)围岩三没有三不利三的断三层或三裂隙;(2三)围岩三厚度三大于三洞中三内水三压力三的0.三4倍;(3三)围岩三厚度三大于3倍洞三径;(4三)围岩三与衬三砌之三间的三间隙三被完三好填三充,接触三紧密.弹性三抗力三的计三算：其中,三k为岩三石抗三力系三数,为围三岩变三形.3.水荷三载（1）内水三压力：有三压:压坡三线。无压:洞内三水深。（2）外水三压力：指三作用三在衬三砌外三壁上三的地三下水三压力三，其三值取三决于三洞外三地下三水位三线的三高低三和外三水压三力，三折减三系数三的大三小。40三、三隧三洞衬三砌的三结构三计算衬砌三的计三算包三括确三定衬三砌厚三度，三配筋三，校三核衬三砌强三度等计算三方法：（1）结三构力三学方三法：以衬三砌为三计算三方法三，只三能求三到衬三砌的三应力三，得三不到三围岩三的应三力；（2）弹三性力三学方三法：以隧三洞整三体为三计算三对象三。要三求围三岩满三足均三匀各三