水工建筑物水工隧洞内容丰富

第六章水工隧洞在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物叫水工隧洞。一、水工隧洞的特点（一）结构特点

在岩层中开挖隧洞后，引起洞孔附近应力重新分布，岩体产生新的变形，严重的会导致岩石崩塌。围岩除了产生作用在衬砌上的围岩压力以外，同时又具有承载能力，可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。围岩压力与岩体承载能力的大小，主要取决于地质条件。因此，应使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。第一节概述（二）水流特点1、枢纽中的泄水隧洞，其进口通常位于水下较处，属深式泄水洞。2、由于作用在隧洞上的水头较高，流速较大，如果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整，都可能出现气蚀而引起破坏，所以要求隧洞体型设计得当、施工质量良好。3、泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集中，在出口处有较强的冲刷能力，必须采取有效的消能防冲措施。（三）施工特点隧洞洞身断面小，施工场地狭窄，洞线长，施工作业工序多，干扰大，工期一般较长。尤其是兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制着整个工程的工期。因此，加快施工进度是隧洞工程建设中需要引起足够的重视。’二、水工隧洞的类型1.按用途分类（1）泄洪洞：配合溢洪道宣泄洪水，保证安全。（2）引水洞：引水发电、灌溉或供水。（3）排沙洞：排放水库泥沙，延长水库的使用年限，有利于水电站的正常运行。

（4）放空洞：在必要的情况下放空水库。（5）导流洞：在水利枢纽的施工期用来施工导流。在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量考虑一洞多用，以降低工程造价。如施工导流洞与永久隧洞相结合，枢纽中的泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。2.按洞内水流状态分类（1）有压洞：工作闸门布置在隧洞出口，洞身全断面被水流充满，隧洞内壁承受较大的内水压力。（2）无压洞：工作闸门布置在隧洞的进口，水流没有充满全断面，有自由水面。一般说来，隧洞可以设计成有压的，也可设计成无压的，也可设计成前段是有压的而后段是无压的。但应注意的是，在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止引起振动、空蚀等不利流态。第二节水工隧洞的布置和构造一、水工隧洞的布置（一）水工隧洞的线路选择隧洞的路线选择关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等方面。影响隧洞线路选择的因素很多，如地质、地形、施工条件等。隧洞的线路选择主要考虑以下几个方面的因素：地质条件地形条件施工条件水流条件1．地质条件隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地区，尽量避开不利的地质构造，要尽量避开地下水位高、渗水严重的地段。洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角，对胶结紧密的厚岩层走向，其夹角不宜小于30°，对薄层以及层间连接较弱，其夹角不小于45°。在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。在隧洞的进、出口处，围岩的厚度往往较薄，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽。2．地形条件隧洞的路线在平面上应尽量短而直。如因地形、地质、枢纽布置等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞应避免设置曲线段。3.水流条件隧洞的进口应力求水流顺畅，减少水头损失。水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。4.施工条件洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。对于长隧洞，还应注意利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖井，增加总工作面，加快施工进度。此外，洞线选择应满足枢纽总体布置和运行要求，避免在隧洞施工和运行中对其它建筑物产生干扰。（二）水工隧洞的工程布置隧洞进、出口的布置主要包括：进、出口和洞身及闸门的布置。1、进、出口布置（1）隧洞的进口高程应根据隧洞的用途及实际运用要求来加以确定。发电引水隧洞的进口，顶部高程应在水库最低工作水位以下0.5～1.0m，底部应高出水库淤沙高程最少1.0m以上。灌溉隧洞的进口高程应保证在水库最低工作水位时，能引入设计流量，应满足引水高程的要求，并应与下游灌区布置在同一侧。排沙洞应设置在需要排沙的发电、灌溉引水洞进口附近，其高程宜较低。用于放空水库和施工导流的隧洞进口高程一般都较低。进口的进水方式有表孔溢流式和深水进口式两种。前者的进口布置方式与岸边溢洪道相似，只是用隧洞代替了泄槽，泄水时，洞内为无压流。具体布置见下图深式进水口的隧洞，可以是无压的或有压的。这种布置形式与重力坝上的泄水孔布置形式相似。（2）隧洞的出口布置应保证水流下泄安全，出流平稳。对于有压隧洞，出口断面面积应小于洞身断面积，以保持洞内有较大的正压。出口的断面积宜收缩为洞身断面的80%～90%，收缩方式采用洞顶压坡的形式。隧洞的出口应通过技术经济比较选择消能防冲方式。对于高流速、高水头、大流量的泄水隧洞，常为挑流消能。2．隧三洞的三纵坡三选择有压三洞的三纵坡三主要三取决三于进三出口三高程三，要三求全三线洞三顶保三持不三小于2m的压三力水三头。三有压三洞的三底坡三不宜三采取三平坡三或反三坡，三因其三会出三现压三力余三幅不三足且三不利三于检三修排三水。三有压三洞的三纵坡三一般三取为3‰～10三‰。无压三隧洞三的纵三坡应三根据三水力三计算三加以三确定三，一三般要三求在三任何三运用三情况三下，三纵坡三均应三大于三临界三坡度三。3.闸门三位置三布置检修三闸门三设置三在隧三洞进三口，三一般三要求三在静三水中三启闭三。工三作闸三门用三来调三节流三量和三封闭三孔口三，要三求能在动三水中三启闭三。无压三洞的三工作三闸门三布置三在进三口。三为保三证门三后洞三内无三压流三的流三态，三门后三洞顶三应高三出洞三内水三面一三定高三度，三并向三门后三通气三。有压三洞的三工作三闸门三布置三在出三口。三洞内三始终三为有三压流三，水三流流三态稳三定。三具体三布置三见下三图。4.多用三途隧三洞的三布置为了三减小三工程三量，三降低三工程三造价三，往三往考三虑一三洞多三用或三临时三任务三与永三久任三务相三结合三的布三置方三式。(1三)泄洪三洞与三导流三洞合三一布三置在三已建三工程三中较三常采三用。导流三洞的三进口三高程三较低三，而三泄洪三洞进三口高三程可三以较三高，三常在三施工三导流三任务三完成三后，三将导三流洞三前段三堵塞三，而三在原三导流三洞口三的上三方另三设进三口，三由上三部进三口向三后，三隧洞三底坡三设计三为抛三物线三形式三，然三后再三接一三反弧三段与三原导三流洞三相衔三接。三这种三布置三形式三在工三程上三常形三象地三称为三龙抬三头形三式。(2三)泄洪三洞与三发电三洞合三一布三置泄洪三洞与三发电三洞的三合一三布置三是在三洞前三段共三用一三洞，三在后三段分三岔为三两个三洞分三别来三泄洪三与发三电。三对于三泄洪三量大三、经三常使三用的三泄洪三洞或三重要三的水三电站三，不三宜采三用这三种布三置方三式。(3三)发电三与灌三溉隧三洞的三合一三布置发电三与灌三溉隧三洞合三一布三置，三水轮三机尾三水后三接灌三溉渠三道，三利用三发电三尾水三进行三灌溉三。由三于发三电是三经常三性的三，而三灌溉三用水三是季三节性三的，三所以三应在三发电三尾水三的后三面设三置一三弃水三设施三，将三不需三灌溉三时的三发电三尾水三排入三下游三河道三。有压三洞的三工作三闸门三布置三在出三口布三置图二、三水工三隧洞三的布三置和三构造（一三）进三口段三的形三式和三构造1．进三口建三筑物三的形三式（1）三竖井三式竖井三式进三口是三进口三附近三的岩三体中三开凿三竖井三。优三点是三结构三比较三简单三，不三需要三工作三桥，三不受三风浪三和冰三的影三响，三抗震三性及三稳定三性好三。构三造布三置见三下图三。（2）塔三式塔式三进口三建筑三物是三独立三于隧三洞的三进口三处而三不依三靠山三坡的三塔，三用工三作桥三与岸三坡相三连。三其缺三点是三，受三风浪三、冰三、地三震的三影响三大，三稳定三性相三对较三差，三需要三较长三的工三作桥三。常三用于三岸坡三岩石三较差三，覆三盖层三较薄三，不三宜修三建靠三岸进三口建三筑物三的情三况。三构造三布置三见下三图。（3）岸三塔式此种三进口三是靠三在开三挖后三洞脸三岩坡三上的三进水三塔。三塔身三可以三是直三立的三或倾三斜的三。岸三塔式三的稳三定性三较塔三式的三好，三不需三工作三桥。三适用三于岸三坡较三陡，三岩体三比较三坚固三稳定三的情三况。三构造三布置三见下三图。(4三)斜坡三式斜坡三式进三水口三是在三较完三整的三岩坡三上进三行平三整、三开挖三、护三砌而三修建三的一三种进三水。三优点三是，三结构三简单三，施三工、三安装三方便三，稳三定性三好，三工程三量小三。缺三点是三，由三于闸三门倾三斜，三闸门三不易三依靠三自重三下降三。斜三坡式三进口三一般三只用三于中三、小三型工三程。三构造三布置三见下三图。(5三)组合三式在实三际工三程中三常根三据地三形、三地质三、施三工等三具体三条件三采用三。如三半竖三井半三塔式三进水三口，三下部三靠岸三的塔三式进三水口三等。三具体三布置三见下三图。2．进三口段三的组三成及三构造进口三段的三组成三包括三：进三水喇三叭口三、闸三门室三、通三气孔三、平三压管三和渐三变段三等。进水三喇叭三口：三隧洞三进口三为顶三板和三边墙三顺水三流方三向三三向逐三渐收三缩的三平底三矩形三断面三，形三成喇三叭口三。收三缩曲三线常三采用1/三4椭圆三曲线三。竖井三式构三造布三置图塔式三构造三布置三图岸塔三式构三造布三置图斜坡三式构三造布三置图组合三式构三造布三置图通气三孔：三设在三泄水三隧洞三进口三或中三部的三闸门三之后三应设三通气三孔，三其作三用是三：①在三工作三闸门三各级三开度三下承三担补三气任三务；②检三修时三，在三下放三检修三闸门三后，三放空三洞内三水流三时补三气；③检三修完三成后三，向三检修三闸门三和工三作闸三门之三间充三水时三，通三气孔三用以三排气三。通气三孔的三上部三进口三必须三与闸三门启三闭机三室分三开设三置，三通气三孔风三速应三保持三在20三m三/s左右三为好三。平压三管：三为了三减小三启门三力，三往往三要求三检修三门在三静水三中开三启。三为此三，常三设置三绕过三检修三门槽三的平三压管三。平压三管的三尺寸三根据三所需三的灌三水时三间（三约8小时三左右三）。三具体三布置三见下三图。（4）拦三污栅三：进三口处三的拦三污栅三是为三了防三止水三库中三的漂三浮物三进入三隧洞三。（5）渐三变段三、闸三门室三：渐三变段三及闸三门室三等，三可参三见第三二章三第七三节重三力坝三的深三式泄三水孔三有关三内容三。（二三）洞三身段三的形三式与三构造1．洞三身断三面形三式及三尺寸(1三)无压三隧洞三的断三面形三式及三尺寸无压三隧洞三多采三用圆三拱直三墙形三（城三门洞三）断三面。三如围三岩条三件较三差还三可以三采用三马蹄三形断三面。无压三隧洞三的断三面尺三寸主三要根三据其三泄流三能力三要求三及洞三内水三面线三来确三定。流速三较低三、通三气良三好的三隧洞三，要三求水三面以三上净三空不三小于三洞身三断面三面积三的15三%～25三%，冲三击波三波峰三高不三应超三过城三门洞三形断三面的三直墙三范围三。在三确定三隧洞三断面三尺寸三时，三还应三考虑三到洞三内施三工和三检查三维修三等对三最小三尺寸三的要三求。(2三)有压三隧洞三的断三面形三式及三尺寸有压三隧洞三由于三内水三压力三较大三，一三般均三采用三圆形三断面三。有压三隧洞三的断三面尺三寸应三根据三泄流三能力三要求三以及三沿程三压坡三线情三况来三确定三。2．洞三身衬三砌的三类型三及构三造衬砌三是指三沿开三挖洞三壁而三做的三人工三护壁三，主三要作三用是三：①阻三止围三岩变三形的三发展三，保三证围三岩的三稳定三；②承三受围三岩压三力、三内水三压力三和其三它荷三载；三③防三止渗三漏；④保三护围三岩免三受水三流、三空气三、温三度、三干湿三变化三等的三冲蚀三破坏三作用三；⑤平三整围三岩，三减小三表面三糙率三。(1三)衬砌三的类三型1)平整三衬砌三（也三称护三面）三：三用混三凝土三、喷三混凝三土和三浆砌三石做三成的三护面三，它三不承三受荷三载，三仅起三到平三整隧三洞表三面、三减小三糙率三、防三止渗三漏、三保护三岩石三不受三风化三的作三用。2)单层三衬砌三：用三混凝三土、三钢筋三混凝三土做三成。三单层三衬砌三适用三于中三等地三质条三件，三隧洞三断面三较大三，水三头及三流速三较高三的情三况，三混凝三土和三单层三钢筋三混凝三土衬三砌的三厚度三不宜三小于25三cm，双三层钢三筋混三凝土三衬砌三的厚三度不三宜小三于30三cm。3)喷锚三衬砌三：喷三锚衬三砌是三利用三锚杆三和喷三混凝三土加三固围三岩措三施的三总称三，是三逐渐三发展三起来三的新三型加三固措三施。4)组合三式衬三砌：三在开三挖断三面周三边不三同部三位采三用不三同的三衬砌三材料三组合三而成三。如三内层三为钢三板、三钢筋三网喷三浆，三外层三为混三凝土三或钢三筋混三凝土三；如三顶拱三为混三凝土三，边三墙和三底板三采用三浆砌三石。5)预应三力衬三砌三：预三应力三衬砌三是对三混凝三土、三钢筋三混凝三土衬三砌的三外壁三施加三预压三应力三，以三便在三运用三时抵三消内三水压三力产三生的三拉应三力。三预应三力衬三砌多三用于三高水三头有三压隧三洞。(2三)衬砌三的分三缝与三止水在混三凝土三及钢三筋混三凝土三衬砌三中，三一般三设有三施工三缝和三永久三性的三横向三变形三缝。隧洞三在穿三过断三层、三软弱三破碎三带以三及和三竖井三交接三处，三衬砌三需要三加厚三，应三设置三横向三变形三缝。围岩三地质三条件三比较三均一三的洞三身段三只设三施工三缝。三一般三分段三长度三为6～12三m，底三拱和三边拱三、顶三拱的三环向三缝不三得错三开。三纵向三施工三缝应三设置三在衬三砌结三构拉三应力三及剪三应力三较小三的部三位。(3三)灌浆1)回填三灌浆三：回填三灌浆三是为三了填三充衬三砌与三围岩三之间三的空三隙，三使之三结合三紧密三，以三改善三传力三条件三和减三少渗三漏。2)固结三灌浆三：固结三灌浆三是为三了加三固围三岩，三提高三围岩三的整三体性三，减三小围三岩压三力，三保证三岩石三的弹三性抗三力，三减小三地下三水对三衬砌三的压三力和三减少三渗漏三。(4三)排水设置三排水三是为三了降三低作三用在三衬砌三外壁三上的三外水三压力三。对于三无压三隧洞三衬砌三，当三地下三水位三较高三时，三外水三压力三成为三衬砌三的主三要荷三载。三可在三洞底三设纵三向排三水管三通向三下游三，或三在洞三内水三面线三以上三，通三过衬三砌设三置排三水孔三，将三地下三水直三接引三入洞三内，三排水三孔间三距、三排距三以及三孔深三一般三为2-三4m。对于三有压三圆形三隧洞三，可三不设三置排三水设三备。三当外三水位三很高三，外三水压三力很三大，三对衬三砌设三计起三控制三作用三时，三可在三衬砌三底部三外侧三设纵三向排三水管三，通三至下三游，三必要三时，三为提三高排三水效三果，三可沿三洞轴三线每三隔6～8m，设三一道三环向三排水三槽，三环向三排水三槽可三用砾三石铺三筑，三将搜三集渗三水汇三入纵三向排三水管三。具三体布三置见三下图三。（三三）出三口段三及消三能设三施有压三隧洞三的出三口常三设有三工作三闸门三及启三闭机三室，三闸门三前有三渐变三段，三出口三之后三即为三消能三设施三。无三压隧三洞出三口仅三设有三门框三，其三作用三是防三止洞三脸及三其以三上岩三石崩三塌，三并与三扩散三消能三设施三的两三侧边三墙相三衔接三。泄水三隧洞三出口三水流三的特三点是三隧洞三出口三宽度三小，三单宽三流量三大，三能量三集中三，所三以常三在出三口处三设置三扩散三段，三使水三流扩三散，三减小三单宽三流量三，然三后再三以适三当形三式消三能。1．挑三流消三能当隧三洞出三口高三程高三于或三接近三下游三水位三，且三地形三地质三条件三允许三时，三采用三扩散三式挑三流消三能比三较经三济合三理，三因为三它结三构简三单，三施工三方便三，国三内外三泄洪三、排三沙隧三洞广三泛采三用这三种消三能方三式。2．底三流消三能当隧三洞出三口高三程接三近下三游水三位时三，也三可采三用扩三散式三底流三水跃三消能三。底三流消三能具三有工三作可三靠、三消能三比较三充分三、对三下游三水面三波动三影响三范围三小的三优点三，但三缺点三是开三挖量三大、三施工三复杂三、材三料用三量多三、造三价高三。3．窄三缝式三挑坎三消能窄缝三式挑三坎消三能为三挑坎三处采三用收三缩成三窄缝三的布三置形三式。三窄缝三式挑三坎与三等宽三挑坎三不同三之处三在于三，它三的挑三角很三小，三一般三取0°，顺三水流三方向三，两三侧边三墙向三中心三的显三著收三缩使三出水三口处三水流三迅速三加深三，水三舌的三出射三角在三底部三和表三层差三别很三大，三底部三约0°，表三层可三达45三°左右三，因三此水三舌下三缘挑三距缩三短，三上缘三挑距三加大三，水三流挑三射高三度增三加，三使水三流纵三向扩三散加三大，三减小三了对三河床三单位三面积三上的三冲击三动能三，同三时水三舌在三空中三扩散三时及三入水三时大三量掺三气，三在水三舌进三入水三垫后三气泡三上升三，大三大减三轻了三对下三游河三床的三冲刷三。4．洞三中突三扩消三能洞中三突扩三消能三也称三为孔三板消三能，三它是三在有三压隧三洞中三设置三过流三断面三较小三的孔三板，三利用三水流三流经三孔板三时突三缩和三突扩三造成三的漩三滚，三在水三流内三部产三生摩三擦和三碰撞三，消三减大三量能三量。黄河三小浪三底水三利枢三纽中三将导三流洞三改建三为压三力泄三洪洞三，就三采用三了多三级孔三板消三能方三案，三在直三径为D=三14三.5三m的洞三中布三置了三三道三孔板三，孔三板间三距为3D三=4三3.三5m，由三导流三洞改三建的三泄洪三洞，三经过三三级三孔板三消能三，可三将14三0m水头三消煞三去60三m水头三，洞三内平三均流三速仅10三m/三s。第三三节三隧三洞的三运用三管理隧洞三和涵三管由三于设三计、三施工三、管三理等三方面三的原三因，三可能三出现三裂缝三、断三裂、三漏水三、空三蚀及三磨损三破坏三等现三象，三影响三工程三的正三常运三用。三特别三是坝三下涵三管的三断裂三漏水三，不三仅影三响水三库的三兴利三，而三且有三可能三引起三垮坝三的重三大事三故，三所三以，三要加三强经三常性三检查三养护三，发三现问三题及三时处三理。一、三隧洞三的检三查养三护隧洞三的检三查养三护内三容主三要有三以下三几个三方面三。1、运三用前三要经三常检三查隧三洞的三衬砌三或涵三管有三无变三形、三裂缝三、漏三水，三出口三部位三有无三异常三潮湿三和漏三水现三象，三要及三时分三析原三因并三进行三处理三。2、运三用期三间，三随着三闸门三的启三闭要三密切三注意三观察三和倾三听洞三内有三无异三常响三声，三要作三好记三录；三对于三坝下三涵管三，要三观察三其附三近的三上下三游坝三坡有三无塌三坑、三裂缝三或湿三软等三现象三。应三及时三清理三通气三孔吸三入的三杂物三，确三保其三畅通三。特三别应三指出三的是三要正三确操三作运三用，三避免三洞（三管）三内出三现明三、满三交替三的流三态，三闸门三的启三闭均三应缓三慢进三行，三避免三流量三的猛三增猛三减，三防止三洞内三产生三超压三、负三压或三水锤三等不三良现三象，三对于三无压三洞严三禁在三受压三情况三下使三用。3、运三用之三后，三要认三真检三查洞三或管三壁有三无蜂三窝、三麻面三、有三无裂三缝和三漏水三的孔三洞，三出口三消能三设施三有无三损坏三现象三等，三要分三析其三产生三的原三因，三提出三处理三的方三法。闸门三、启三闭机三要经三常检三查、三养护三，以三确保三灵活三、安三全。其它三方面三，如三发生三严重三冰冻三后，三要防三止冰三冻对三进水三塔和三进水三口造三成冰三冻破三坏，三位于三地震三区的三水库三，当三发生三五级三以上三的地三震后三，应三进行三全面三检查三，发三现问三题及三时处三理，三禁止三在建三筑物三附近三采石三爆破三或炸三鱼，三以免三因振三动引三起隧三洞或三涵洞三断裂三，对三于洞三顶岩三石厚三度小三于3倍洞三径的三情况三，禁三止在三顶部三堆放三重物三或修三建其三它建三筑物三，以三免发三生意三外二、三隧洞三常见三的问三题及三处理（一三）隧三洞常三见问三题及三产生三原因1.隧洞三衬砌三开裂三漏水隧洞三衬砌三开裂三漏水三的主三要原三因有三以下三几个三方面三。设计三不合三理引三起衬三砌开三裂。施工三质量三差。运用三管理三不当三。2.隧洞三的空三蚀破三坏空蚀三的产三生与三多种三因素三有关三，其三中，三流速三与边三界条三件是三两个三重要三因素三。目三前常三用的三防空三蚀措三施主三要包三括：三改善三水流三的边三界条三件、三选用三抗空三蚀的三材料三、控三制闸三门开三度、三通气三减蚀三、掺三气减三蚀及三加强三施工三质量三控制三等。（1）轮三廓体三型曲三线变三化不三当。多发三生在三进口三段和三出口三反弧三段，三体型三弯曲三与流三线不三合，三形成三水流三的旋三流区三域，三压力三下降三，压三力脉三动加三剧形三成空三穴空三蚀。（2）洞三身平三整度三差，三转折三、过三渡不三合理三。施工三平整三度达三不到三要求三，表三面存三在突三体、三麻面三、残三留钢三