隧洞结构及施工解析清楚明了

第八章

水工隧洞

§1概述

一、水工隧洞的类型

二、水工隧洞的工作特点

三、水工隧洞的组成

一、水工隧洞的类型：分类方法：按功用分、按受力状态分。（一）按功用分：①泄洪②引水：发电、灌溉、供水；航运输水。③排沙④放空水库⑤施工导流（二）按受压状态分：（1）有压：水力计算、管流计算在工程布置上受力情况差别较大（2）无压：明渠流计算运行条件上（同一条洞前段有压，后段无压）禁忌：明满流交替危害：（1）易引起振动、空蚀。（2）影响泄流能力。具体到一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。二、水工隧洞的工作特点（1）水力特点：深式泄水孔：A泄水能力与H1/2成正比。B进口位置低，能预泄。C承受得水头较高，易引起空化、空蚀。D水流脉动会引起闸门等振动。E出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。（2）结构特点：A洞室开挖后，引起应力重分布，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。B承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和必要的衬砌。（3）施工特点：隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。三、水工隧洞的组成进口段洞身段出口段

§2水工隧洞的布置

及线路选择

一、总体布置及线路选择

二、闸门在隧洞中的布置

三、多用途隧洞的布置一、总体布置及线路选择（1）应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划。（2）在合理定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口的位置及进口结构形成，确定闸门在洞口中的位置。（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的相互关系，选定出口的位置，底板高程及消能方式。选线是设计中一个至关重要的问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。选洞线的一般原则和要求为：（1）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高、渗流量丰富的地段，以减少作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，减少水头损失，便于施工。必须转弯时，其直线半径不宜小于5倍洞径或洞宽，转角不宜大于60o，弯道两端的直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）。（3）隧洞应有一定的埋藏深度。（4）隧洞的纵坡，应根据水利条件运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。（5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件、布置一些施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。（6）要考虑进出口与其它建筑物的关系：如果水库所建的坝是土石坝，则进口应距离坝坡50M以上，出口应距离坝坡100M以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞：为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电站进口的上游侧，高程比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗范围内。泄水隧洞：出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边的冲刷。每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示。平面图表示出：地形、隧洞和其它建筑物的关系，进口位置、闸门位置、施工旁洞、竖井、堆渣地点等。纵剖面图表示出：地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，进出口及闸门置、底坡的坡率、洞底高程。二、闸门在隧洞中的布置

泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门）可以布置在进口、出口或隧洞中某一适宜位置。（1）布置在进口：一般为无压洞也可以是有压洞。（平时利用闸门挡水，保持洞内无水）（2）布置在出口：有压洞。（3）布置在洞身某一位置A由于地形、地质、施工和枢纽布置上的原因，隧洞线路需要转弯，闸门室易布置在转弯段后的直线段上。B洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水动力。三、多用途隧洞的布置：一洞多用，或临时任务与永久任务相结合。这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置上的困难。（一）泄洪洞与导流洞合一布置常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头”式泄洪洞，一般水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏。为了避免空蚀，应做好体形设计，控制施工质量。限制不平跨度，并选用适当的掺气减蚀措施。

（二）泄洪洞与发电洞合一布置布置型式：

存在问题：1、岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀。2、泄洪时对发电不利。泄洪发电泄洪（支洞）发电(支洞)岔尖①②

（三）泄洪洞与排沙洞合一布置排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。1、闸门压力大，启闭困难。（洪水期开启，水头高。）2、泥沙堆积，闸门不易开启。§3进口段

一、形式及计算要点

二、进口段的组成部分

（一）进水喇叭口

（二）通气孔

（三）拦污栅

（四）渐变段、闸门室及平压管一、形式及计算要点按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜式。

适用条件

优缺点计算要点竖井式：地质条件好地形适宜干井—弧门湿井—平门

优：结构简单、不受风浪、水的影响，抗震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小。缺：竖井前的一段隧洞检修不便。

沿井的不同高度，截取断面，按单位高度的封闭或框架进行分析。适用条件

优缺点计算要点塔式：岸坡低缓，岩石破碎或覆盖层较厚。优：对于取水用的封闭塔，可在不同高程设置取水口，取用上层温度较高的清水。缺：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需要工作桥与库岸相连。塔身是直立的悬臂结构，需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。按封闭框架计算单位的高度的横断面的水平应力，按悬臂计算铅直应力（将立体框架简化成平面问题计算）适用条件

优缺点计算要点岸塔式：岸坡较陡，岩石比较坚固稳定。优：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便，无须接岸桥梁.缺：受风浪、冰、地震有一定影响。基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。斜坡式：完整的岩坡，地形适宜，闸门及拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。优：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺：闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降.二、三进口三段的三组成三部分进口三段包三括：进水三喇叭三口、三闸门三室、三通气三孔、三平压三管、三渐变三段。（一三）进三水喇三叭口位置三：在隧三洞的三首部要求三：①其体三形与三孔口三水流三的形三态相三适应三，使三水流三平顺通过三，而三不致三脱壁三。②避免三产生三不利三的负三压合三空隙三破坏三。③减少三局部三水头三损失三，以三提高三泄流三能力三。体型三：常采三用矩三形断三面，三顶板三和边三墙顺三水流三方向三三面三收缩平底三。喇三叭口三的顶三板和三边墙三常采三用椭三圆曲三线，三其方三程为三：式中三：a—长半三轴三顶三板约三等于三闸门三处的三孔口三高度三（H）边墙三约等三于闸三门处三的孔三口宽三度（B）b—短半三轴三顶三板：H/三3边墙三：（1/三3～三1/三5）B对于三重要三的工三程，三进口三曲线三应通三过水三工模三型试三验确三定。无压三隧洞三的压三力进三口顶三板，三在检三修闸三门上三游通三常是一段三倾斜三的椭三圆曲三线，三以便三与检三修闸三门和三工作三门之三间的三顶板三衔接三，此三顶板三以1：三4～1：三6的坡三度向三下游三缩，三以增三加进三口段三的压三力，三防止三发生三空蚀三。检修三门槽三前的三入口三段长三度可三控制三在（0.三8～1.三0）倍三工作三闸门三处的三孔口三高度三范围三内。三检修三门槽三与工三作闸三门之三间的三顶板三也应三布置三成压三坡段三（目三的：三收缩三断面三进一三步改三善进三口的三压力三分布三和水三流流三态）三。（二三）通三气孔位置三：①设在三泄水三隧洞三进口三或中三部的三工作三闸门三之后三。②设在三检修三门和三工作三门之三间。作用三：①工作三闸门三在各三级开三度情三况下—补气②检修三时—补气三。③检修三完毕三，工三作闸三门和三检修三门之三间充三分输三水直三至平压，三此时三排气三。布置三上注三意点三：①通气三孔的三进口三必须三与闸三门启三闭机三室分三开，三因为三进口三处气三流速三度大三，以三免在三补气三、排三气时三，影三响工三作人三员的三安全三。[Va]≤三40～45三m/三s②孔管三应力三求减三少转三弯，三突变三，以三减少三阻力三。通气三量的三计算三及通三气孔三设计三：通气三孔应三按正三常的三泄流三情况三设计三，其三断面三多为三圆形三，其三大小三决定三于通三气量三和允三许风三速。通气三量与三泄水三流量三及下三游洞三内流三态有三关。目前三多采三用一三些经三验公三式或三半经三验公三式。①对于三泄水三隧洞三中的三工作三闸门三和事三故闸三门的三通气三孔：②对三于高三水头三大型三工程三中重三要闸三门后三的通三气孔三（无三压隧三洞或三管道三）计算三时先三假定a，求得Qa后，三再以三验三算Va，确定三其是三否超三过允三许风三速（Va＜三[Va]三=4三0三～三45三m/三s）三。否则三，重三复上三述计三算，三直到三满足三为止三。检修三门后三的通三气孔三面积三，一三般以三大于三或等三于充三水平三压阀三的面三积为三宜。（三三）拦三污栅（四三）渐三变段三、闸三门室三及平三压管§4三洞三身三段一、三洞身三断面三形式三二、三洞身三断面三尺寸三三、三洞身三衬砌一、三洞身三断面三形式洞身三断面三形式三，取三决于三水流三条件三（有三、无三压）三，施三工条三件，三地质三条件三及适三用要三求。（一三）无三压隧三洞的三断面三形式1、城三门洞三形（三圆拱三直墙三形）优点三：施工三（开三挖、三立模三、衬三砌）三简单三，为三渠道三上的三隧洞三，其三进出三口与三渠道三连接三也简三单。适用三：垂直三山岩三压力三较大三，而三无侧三向山三岩压三力或三侧向三山岩三压力三很小三的情三况。三为减三小或三消除三侧向三山岩三压力三，可三把边三墙作三成倾三斜的三。2、马三蹄形三：适用三：岩石三比较三软弱三破碎三，垂三直山三岩压三力和三侧向三山岩三压力三均较三大的三情况三。3、三圆形适用三：围岩三条件三较差三，且三外水三压力三较大三，掘三进机三施工三。（二三）有三压隧三洞的三断面三型式断面三一般三采用圆形，三其原三因：①水流三条件三和受三力条三件均三有利三。②在面三积一三定的三条件三下，三圆形三过流三能力三最大三。在围三岩较三好，三内水三压力三不大三时，三为了三施工三方三便，三也可三采三用无三压隧三洞常三用的三断面三形式三。二、三洞身三断面三尺寸洞身三断面三尺寸三，可三根据三给定三的泄三流量三，作三用水三头及纵三断面三布置三，通三过必三要的三水力三计算三及水三工模三型实三验确三定。导流三洞尺三寸与三围堰三高度三有关三，涉三及到三经济三因素三。水力三计算三内容三：1、有三压隧三洞任务三：核算三泄流三能力三及沿三程压三坡线泄水三能力三按管三流计三算:式中三：μ——考虑三沿程三和局三部阻三力的三系数三。ω——隧洞三出口三断面三面积三（约三为洞三身面三积80三~9三0%）。H——上下三游水三位差三（作三用水三头）三。为了三保证三洞内三水流三处于三有压三状态三，一三般要三求洞三顶应三有2M以上三的压三力余三幅，三流速三大压三力余三幅也三大。采用三缩小三出口三断面三面积三增大三压力三，减三免负三压和三空蚀三。2、无三压隧三洞计算三泄水三能力三，①表三孔式三进口三，按三堰流三计算三。②深三式短三管式三进口三，泄三水能三力决三定于三进口三压力三段，三仍用三有压三管流三计算三，但三系数三随进三口段三局部三水头三损失三而定三。（三一般三在0.三9左右三，不三考虑三沿程三损失三，因三为距三离短三），ω为工三作闸三门处三的孔三口面三积。工作三闸门三之后三的陡三坡段三，可三用能三量方三程分三段求三出其三水面三线，三为了三保证三洞内三为明三流（三稳定三的）三状态三，水三面线三上应三有一三定净三空。流速三低，三通气三良好三：净空三面积三不小三于隧三洞断三面面三积的15三%，高三度≥4三0cm三。流速三高：①要考三虑掺三气和三冲击三波的三影响三，在三掺气三水面三以上三的净三空约三为洞三身面三积的15三~2三5%。②对于三城门三洞形三断面三，冲三击波三峰还三应限三制在三直墙三范围三内。3、还三应考三虑到三施工三和检三查维三修等三方面三的需三要非圆三形不三小于1.三5m×三1.三8m三（高）圆形三内径三不小三于1.三8m三、三洞身三衬砌（一三）功三用1、阻三止围三岩变三形的三发展三，保三证围三岩稳三定。2、承三受山三岩压三力、三内水三压力三及其三它荷三载。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、三干湿三变化三等的三冲蚀三破坏三作用三。5、减三小隧三洞的三表面三糙率三等。（二三）类三型1、护三面：三平整三（或三抹平三）衬三砌采用三砼、三喷浆三、砌三石等三护面三，不三承受三荷载三。作用三：减三小糙三率、三防止三漏水三。适用三：岩三石较三好，三水头三较低三的情三况。适用三：岩三石较三好，三水头三较低三的情三况。优点三：造三价低三，施三工方三便。2、单三层衬三砌适用三：中三等地三质条三件，三断面三较大三，水三头较三高，三流速较大三的情三况。采用三：混三凝土三、钢三筋混三凝土三、浆三砌石三。3、组合三衬砌①内层三为：三钢板三、钢三丝网三喷浆外层三为：三混凝三土、三钢筋三混凝三土②顶拱三为混三凝土三，边三墙为三浆砌三石（三围岩三好，边墙三护面三）顶拱三喷锚三支护三，边三墙底三板为三混凝三土或三钢筋混三凝土三（无三压洞三）③先喷三锚支三护，三再做三混凝三土或三钢筋三混凝三土衬砌三。4、预三应力三衬砌三（以三隔河三岩为三例子三发电三引水三洞）适用三：高三水头三有压三隧洞衬砌三型式三的选三择，三应根三据隧三洞能三担负三的任三务，三地质三条件三，断面三尺寸三，受三力状三态，三施工三条件三等因三素，三通过三综合三比较后确三定。（三三）衬三砌分三缝分缝三原因三：混三凝土三或钢三筋混三凝土三衬砌三在施三工和三运用三期1、由三于混三凝土三的干三缩和三温度三应力三可能三产生三裂缝2、当三隧洞三穿过三地质三条件三变化三显著三地区三（通三过断三层、三破碎三带及三其它三软弱三地带三）可三能由三于不三均匀三沉降三而产三生裂三缝。3、施三工只三能是三分块三分段三浇筑三。☆施工三缝（三临时三）横向三（垂三直轴三线）三：间三距由三浇筑三能力三定（三一般三与伸三缩缝三、沉三降缝三合在三一起三）纵向三（平三行轴三线）三：根三据浇三筑能三力，三缝设三在顶三拱，三边墙三及底三板分三界处三或是三内力三较小三部位三。施工三缝需三进行三凿毛三处理三或设三插筋三以加三强其三整体三性。☆沉降三缝（三永久三）设置三部位三：1、三通过三断层三破碎三带或三软弱三带：三衬砌三加厚三，厚三度突变三处。2、三洞身三与进三口渐三变段三等接三头处三，可三能产三生较三大位移的三地段三。缝中三设止三水，三填沥三青油三毡或三其他三填料三。伸缩三缝(永久)防止三混凝三土干三缩和三温度三应力三而产三生的三裂缝三。缝的三间距三约为三6～12m，缝中三设止三水。实际三施工三中：三横向三施工三缝、三沉降三缝、三伸缩三缝，三尽量三结合三在一三起。（四三）灌三浆（三回填三、固三结）1、回三填灌三浆目的三：为三了充三填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，共三同工三作，三改善三传力三条件三和减三少渗三漏。做法三：在三顶拱三部位三预留三灌浆三管，三在衬三砌完三成后三，通三过预三埋管三进行三灌浆三。灌浆三范围三：一三般在三顶拱三中心三角9三00～三12三00以内三。压力三：2～三3kg三/c三m2（过去三会破三坏衬三砌结三构）孔距三、排三距：三一般三为2～6cm三（深入三岩体三几厘三米）2、固三结灌三浆目的三：在三于加三固围三岩，三提高三围岩三的整三体性三，减三小山三岩压三力，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。范围三：整三个断三面。压力三：为1.三5～三2.三0倍内三水压三力。三（4～三10kg三/c三m2）一般三深入三围岩2～三5m，对于三围岩三条件三差的三地段三或直三径较三大的三隧洞三达6～三10m。排距三：2～三4m，每排三不宜三少于6孔，三作对三称布三置。灌浆三时应三加强三观测三，防三止洞三壁产三生变三形或三破坏三。当地三质条三件良三好，三围岩三单位三吸水三率ω<三0.三01L/m三in三.m三，可不三进行三灌浆三。回填三灌浆三孔、三固节三灌浆三孔通三常分三排间三隔排三列。（五三）排三水作用三：降三低作三用在三衬砌三上的三外水三压力三。1、有三压洞三：外三水压三力一三般不三控制三衬砌三设计加强三固节三灌浆三（防三渗）必须三时在三底部三的衬三砌下三面设三纵向三排水三。2、无三压洞三：外水三压力三较大三时，三设置三排水三（径三向、三纵向三）径向三：在三洞内三水面三线上三通过三衬砌三设置三排水三孔排水三孔距三、排三距一三般为2~三4m深入三岩体2~三4m，将地三下水三引入三洞内三。在洞三内水三面下三也有三设置三排水三孔，三（如三刘家三峡电三站导三流洞三），三因为三隧洞三放空三后，三底板三及侧三墙难三以满三足抗三浮稳三定。纵向三排水三设在三衬砌三底部三。总之三，一三般说三来，三有压三洞的三外水三压力三能抵三消一三部分三内水三压力三，除三外水三压力三起控三制作三用的三特殊三情况三外，三不需三设排三水，三特别三是有三压洞三覆盖三层厚三的进三口附三近，三地质三较差三的地三段，三特别三是围三岩内三存在三易溶三填充三物，三不宜三设排三水，而是三加强三固节三灌浆三。§5三出口三段及三消能三设施一、三出口三段的三结构三布置三二、三消能三方式一、三出口三段的三结构三布置无压三洞：出口三仅设三有门三框（三以防三洞脸三及上三部岩三石崩三塌）三。有压三洞：出口三常设三工作三闸门三，启三闭机三室。闸门三前有三渐变三段（三洞圆三门方三），三出门三之后三为消能三设施三，为三避免三负压三，常三采用三断面三收缩三的方三法。二、三消能三方式常用三：挑三流、三底流三、洞三内突三扩消三能。特点三：隧三洞出三口宽三度小三，单三宽流三量大三，能三量集三中，所以三出口三设置三扩散三段以三扩散三水流三，减三小单三宽流三量。※挑流三消能三（常三用扩三散式三）适用三：出三口高三程高三于或三接近三于下三游水三位，三且地三质条件三允许三时。优点三：经三济合三理。注意三：尽三量不三要冲三刷对三岸。形式三：斜三切式三挑流三鼻坎三（洞三轴线三与河三道交三角小三）、横向三扩散三挑坎三、收三缩式三窄缝三挑坎三。※底流三消能优点三：消三能比三较充三分平三稳。缺点三：开三挖量三大，三施工三时间三长，三造价三高。※洞中三突扩三消能三（孔三板消三能）举例三：小三浪底三工程三冲沙三洞（三泄洪三洞）§7三洞室三开挖三时的三围岩三稳定三性一、三岩体三初始三应力三（地三应力三）三二三、围三岩的三应力三集中三三、三围岩三稳定三分析一、三岩体三初始三应力三（地三应力三）◆定三义：岩体三处于三天然三产状三所具三有的三内应三力叫三做岩三体的三初始三应三力(天然三岩体三内应三力)，在三地学三领域三中，三通常三叫地三应力三。岩石三有三构造三应力三（地三应力三）自重三应力◆形成三岩体三初始三应力三的因三素：★上覆三岩体三的重三力★地壳三构造三运动★成岩三过程三中的三物理三、温三度作三用、地形三影响★地下三水及三地震三作用由于三。◆如何三测得三地应三力?目前三常用三的方三法：三应力三解除三法、三应力三恢复三法★应力三解除三法：三通过三切槽三或钻三孔解三除应三力而三测得岩石三的应三变以三推求三其初三始应三力。★应力三恢复三法：岩体三中的三应力三解除三后，三不是三通过三岩体三的变三形特三性来三推求三岩体三中的三应力三值，三而是三通过三施加三压力三，使三岩体三恢复三到原三来的三状态三，以三求得三岩体三在应三力解三除前三的应三力值三。以上三测得三的是三岩体三中一三点的三应力三，至三于整三个岩三体中三初始三应力三的分三布情三况，三目前三还不三能根三据有三限的三测点三的结三果来三加以三确定三。◆对岩三体初三始应三力的三初步三认识★上覆三岩石三的重三量是三形成三岩体三初始三应力三的基三本原三因之三一，三岩体三自重三作用三不仅三产生三垂直三应力三，而三且借三助“三泊松三效应三”和三流变三效应三而产三生水三平应三力。★初始三应力三的形三成，三取决三于地三形及三地壳三结构三运动三，这三通常三有是三高的三水平三应力三产生三的主三要原三因。★许多三地区三岩体三初始三应力三实测三结果三表明三：水三平应三力大三大超三过上三覆岩三体的三重量三算得三的结三果，三这是三由于三构造三