《小型水工建筑物设计》课件-5.水工隧洞

5.1水工隧洞基本知识

课程导入上次课内容回顾1.泄水建筑物的类型？2.河岸式溢洪道的类型？3.正槽式溢洪道的组成？4.进水渠段的横断面形状？5.过水堰的形式？6.泄槽的横断面特征？7.掺气水深的认识？8.横向水位差的认识？9.下游消能的形式？10.挑流消能的挑坎形式？11.泄槽分缝的类型？12.泄槽底部排水的方法？

课程导入常见的泄水建筑物溢流坝溢洪道水工隧洞坝下涵管

目录

一水工隧洞的特点及类型

二水工隧洞的线路选择及布置

三水工隧洞的进出口建筑物

五小结与作业

四水工隧洞的洞身形式及构造

一水工隧洞的特点与类型溢洪洞、泄洪洞石头峡水电站导流洞进口西郊水库的泄水排沙洞泾惠渠干渠的输水洞引汉济渭的引水隧洞

一水工隧洞的特点与类型

（一）概念：水利工程中用来导流、泄洪、排沙、发电或灌溉、放空水库等需要的隧洞，称为水工隧洞。

（二）特点：1.水工隧洞是一种地下结构，隧洞开挖后改变了岩体原来的平衡状态，引起孔洞附近应力重分布，岩体发生变形，严重的甚至发生崩塌。隧洞中常需设置支护和永久性衬砌，以确保隧洞施工期和运用期的安全。

一水工隧洞的特点与类型

（二）特点：2.与地面建筑物比较，隧洞的断面尺寸小，施工场地狭窄，施工干扰较大。3.外水压力是水工隧洞设计的主要荷载之一。

一水工隧洞的特点与类型

水工隧洞在枢纽中的作用：（1）配合溢洪道泄放水，使水库调度灵活；（2）泄放下游兴利用水；（3）在多沙的河道上泄洪排沙；（4）为人防或检修建筑物的要求而放空水库；（5）施工导流，往往与永久泄水建筑物结合。异重流排沙冯家山水库

一水工隧洞的特点与类型

水工隧洞在枢纽中的作用：石头峡水电站导流洞出口

一水工隧洞的特点与类型（三）隧洞的类型泄洪隧洞引水隧洞排沙隧洞导流隧洞按作用分类有压隧洞无压隧洞按工作条件

一水工隧洞的特点与类型（三）隧洞的类型

常识2：为保证水流稳定，避免用明满流的过渡状态，同一条隧洞必须保证或者是有压的、或者是无压的。但是同一条隧洞可以用控制设备分开，但施工导流隧洞一般都是洪水期为有压，枯水期为无压的。

常识1：发电引水隧洞一般为有压的，而通航或筏木等特殊需要用的隧洞，就必须做成无压的。为工农业给水和泄洪等而设置的隧洞，根据水库运用和其他条件，可做成有压的，也可做成无压的。

一水工隧洞的特点与类型（三）隧洞的类型

常识3：“一洞多用”原则。泄水隧洞、排沙隧洞和放空隧洞结合。发电引水尽可能与工农业给水结合。发点洞与泄洪洞结合，采用主洞泄洪、支洞发电；或主洞发电、支洞泄洪（对泄洪机遇很小的情况）

一水工隧洞的特点与类型（四）采用隧洞的条件（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。

一水工隧洞的特点与类型案例

二隧洞的洞线选择与工程布置（1）从地质条件考虑，隧洞选线应避开有断层、破碎带和可能发生滑坡的不稳定地段，同时应尽量避开山岩压力很大，地下水头和渗水量较大的岩层，在可能的条件下，还应尽量缩短洞长，以减少工程量。（一）隧洞的选线

二隧洞的洞线选择与工程布置（2）布置泄水隧洞的进口应注意使水流平顺，出口的位置要便于水流与下游河道的衔接。同时注意出口应与土坝有一定距离，避免迴流冲刷坝脚。无论进口或出口都应选择岩层坚硬，坡度较陡的地段，以利于施工。（3）泄水隧洞一般流速较高，应尽可能布置成直线，如必须转弯时，对于有压隧洞和低流速的无压隧洞，转弯半径不宜小于5倍洞径或宽度，转角不大于60°，曲线段两端应有一定的直线段，一般不小于5倍洞径。高速水流的无压隧洞应力力求避免转弯，如必须转弯时，应通过水工模型试验，选择合适的曲线型式和转弯半径。

二隧洞的洞线选择与工程布置（4）隧洞沿线应有一定的埋置深度，以便充分利用围岩的自承载能力，并保证岩体的稳定和施工安全。围岩厚度一般不小于2～3倍洞径，如果围岩的厚度小于1.5～2.0倍开挖洞径时，则由于围岩太薄，不宜再考虑围岩的承载能力。对于压力隧洞，当围岩厚度大于三倍洞径，但小于内水压力的0.4倍时，应对围岩的承载能力和稳定性进行校核。隧洞的进口岩层厚度不宜小于(0.5～1.0)倍洞径，出口洞顶岩层厚度不小于(1.0～2.0)倍洞径，以便施工时及早进洞。

二隧洞的洞线选择与工程布置（5）从施工方面要求，隧洞的线路尽量平直，并与其它建筑物有一段距离。对于长隧洞，为了加快施工速度，可在适当地点增设竖井或平洞。为了使平洞不太长，竖井不太深，有时也将洞线做一些改动。

二隧洞的洞线选择与工程布置（1）泄水隧洞在纵断面上也应尽可能布置成直线；（2）纵坡一般大于1‰；（3）当洞身较短时也可作成平底。对于无压隧洞，多采用陡坡。（二）隧洞的工程布置1.隧洞纵断面布置

二隧洞的洞线选择与工程布置（二）隧洞的工程布置1.隧洞纵断面布置龙抬头布置斜洞要穿过坚硬的岩石；斜洞与两头的平洞之间，应采用平顺的竖曲线连接。洞上部应采用射流曲线与平洞相连。斜洞下部用圆弧曲线与平洞相连。为了减少水流的离心力，避免产生负压，圆弧半径不得小于（7.5～10）倍洞径。对于有压隧洞，需保持一定的压力余幅。二隧洞的洞线选择与工程布置（二）隧洞的工程布置2.隧洞闸门布置（1）两道闸门：检修闸门，工作闸门静水中开启动水中关闭动水中开启动水中关闭（2）工作闸门位置：进口、中间、出口闸门放进口：一般为无压隧洞闸门放中间：前段有压，后段无压闸门放出口：一般为有压隧洞各自特点及适用条件，自习。

三隧洞的进出口建筑物（一）隧洞的进口建筑物1.隧洞进口建筑物的形式竖井式塔式岸塔式斜坡式

三隧洞的进出口建筑物竖井式由闸前渐变段，竖井，闸后渐变段组成。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，竖井前的隧洞段常处于水下，检修不便。适用：这种进水口形式主要适用于河岸岩石坚固，开凿竖井无塌方危险的情况。

三隧洞的进出口建筑物塔式由闸前渐变段，塔身，闸后渐变段组成。分为框架式塔和封闭式塔两种优点：独立悬臂结构，布置紧凑,闸门检修相对来说方便。缺点是需另设工作桥，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,不宜开凿竖井的情况。

三隧洞的进出口建筑物岸塔式靠在开挖后洞脸岩坡上直立或倾斜的进水塔，其下部紧靠岸坡，塔身稳定性较好。优点：稳定性比塔式好，造价比塔式省，施工方便，地形、地质条件许可时优先选用；缺点：是若倾斜,闸门也斜,启门力增加,不易靠自重关闭闸门。适用：进口处岩石坚固，岸坡较陡，可开挖成近于直立的陡壁时。

三隧洞的进出口建筑物斜坡式直接在岸坡上进行平整开挖并加以衬砌而成，闸门及拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。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，需另加关门力。适用：中小型工程或只安装检修闸的进口。

三隧洞的进出口建筑物（二）进口建筑物的组成、作用及构造进口建筑物圭要由进水口、闸室段及渐变段所组成，它主要包括：拦污栅、进水喇叭口、门槽、平压管、通气孔和渐变段等。拦污栅

三隧洞的进出口建筑物（二）进口建筑物的组成、作用及构造

喇叭口：喇叭口的横断面一般为矩形，顺水流方向呈收缩状，顶部常采用l／4的椭圆曲线

三隧洞的进出口建筑物（二）进口建筑物的组成、作用及构造

平压管：为了减小检修闸门的启门力，通常在检修闸门与工作闸门之间设置平压管与水库相通，检修完毕后，首先在两道闸门中间充水，使检修闸门前后的水压相同，保证检修闸门在静水中开启。检修闸门工作闸门陆浑水库视频（5分20秒——6分）

三隧洞的进出口建筑物（二）进口建筑物的组成、作用及构造

通气孔：通气孔是向闸门后通气的一种孔道。其主要作用是补充被高速水流带走的空气，防止气蚀破坏和闸门的振动，同时在工作闸门和检修闸门之间充水时，通气孔又兼作排气孔。因此，通气孔通常担负着补气、排气的双重任务。

三隧洞的进出口建筑物（三）隧洞出口建筑物隧洞出口建筑物主要包括：渐变段、闸室段及消能设施。

有压隧洞出口常设有工作闸门和启闭设施，闸门前设渐变段，出口之后为消能设施；

无压隧洞的出口仅设门框而不设闸门，以防止洞脸及上部岩石崩塌，洞身直接与下游消能设施相连接。

三隧洞的进出口建筑物（三）隧洞出口建筑物隧洞出口的消能方式与岸边溢洪道相似，常采用挑流消能和底流消能两种型式。由于隧洞的出口断面尺寸较小，单宽流量大，能量较集中，通常采用平面扩散的措施，以减小挑流鼻坎处或消力池的单宽流量。

隧洞的出口流速较大，除平面上要求适当扩散外，底部边界布置平顺光滑，以适应高速水流的要求。一般在洞口后设一水平过渡段，然后再接不陡于l：4的斜坡，从洞口算起的水平段长度可按经验公式拟定。

三隧洞的进出口建筑物（三）隧洞出口建筑物

隧洞的出口流速较大，除平面上要求适当扩散外，底部边界布置平顺光滑，以适应高速水流的要求。一般在洞口后设一水平过渡段，然后再接不陡于l：4的斜坡，从洞口算起的水平段长度可按经验公式拟定。

四隧洞的洞身形式及构造（一）隧洞洞身形式及构造

有压隧洞一般为圆形。断面尺寸按有压管道公式计算

四隧洞的洞身形式及构造（一）隧洞洞身形式及构造

无压隧洞一般为圆形、城门洞形、或马蹄形。

四隧洞的洞身形式及构造（一）隧洞洞身形式及构造

无压隧洞一般为圆形、城门洞形、或马蹄形。其顶部为圆形，适宜于承受垂直山岩压力，且便于开挖和衬砌。圆拱直墙式断面的缺点是拱圈受力情况不好，拱圈截面将出现弯矩。当岩石比较软弱破碎，洞壁坍塌严重，铅直山岩压力及侧向山岩压力较大，且底部也存在山岩压力时，可采用马蹄形断面形式。这种断面的最大特点是受力条件好，但施工复杂。当地质条件差，同时又有较大的外水压力时，可考虑采用圆形断面。当采用掘进机开挖施工时，也可采用圆形断面。城门洞形马蹄形圆形

四隧洞的洞身形式及构造（二）隧洞（洞身）衬砌

为什么要做洞身衬砌？增加围岩稳定性防止隧洞渗漏防止水流、泥沙、空气和温度变化、干湿变化等对岩石的破坏。减小表面糙率

四隧洞的洞身形式及构造（二）隧洞（洞身）衬砌

隧洞衬砌的形式无衬砌平整衬砌受力衬砌单层衬砌组合衬砌预应力衬砌锚杆衬砌或喷混凝土衬砌

四隧洞的洞身形式及构造无衬砌

四隧洞的洞身形式及构造无衬砌岩石好裂隙少水头小或工期紧但保证不出危险

四隧洞的洞身形式及构造平整衬砌目的：减少表面糙率、防止渗流、保护岩石不被风化。适用：围堰坚硬，能自行保持稳定，且水头不大的情况。全断面衬砌可只在过水面衬砌有压隧洞无压隧洞

四隧洞的洞身形式及构造受力衬砌

单层衬砌：单层衬砌是指由混凝土、钢筋混凝土、喷混凝土及浆砌石等做成的衬砌。

组合衬砌：由两种或两种以上的衬砌型式组合而成。预应力衬砌：多用于高水头的圆形有压隧洞。由于衬砌预加了压应力，可以抵消运行时产生的拉应力，可使隧洞衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量。锚杆衬砌和喷混凝土衬砌

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造温度缝沉降缝施工缝分缝与止水在施工运行期，由于混凝土干缩和温度应力产生裂缝不均匀沉降而产生裂缝施工分块浇筑

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造伸缩缝（永久缝）沉降缝（永久缝）施工缝（临时缝）分缝与止水在施工运行期，由于混凝土干缩和温度应力产生裂缝不均匀沉降而产生裂缝施工分块浇筑

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造施工缝（临时缝）分缝与止水

横向间距由浇筑能力定；纵向间距根据浇筑能力，缝设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力较小部位；施工缝需进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性。沉降缝（永久缝）1.通过断层破碎带或软弱带；2.衬砌加厚，厚度突变处；3.洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位移的地段。部位

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造伸缩缝（永久缝）分缝与止水缝的间距约为6～12m。“一缝多用”原则为了减少缝的数量，常将一个缝发挥更多的作用

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造回填灌浆灌浆目的在于填充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。回填灌浆多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。一般在顶拱中心角90°～120°范围内灌浆。灌浆压力常采用0.2～0.3MPa，孔距、排距一般为2～6m，孔深应伸入围岩5cm以上。

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造固结灌浆灌浆固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力。固结灌浆的参数，应根据围岩的地质条件、衬砌结构形式、围岩的防渗和加固要求等确定。

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造排水排水目的：是降低作用在衬砌外壁上的外水压力。

无压隧洞，如外水压力较大时，一般在洞底衬砌下埋纵向排水管。先在岩石内挖排水沟，中间埋疏松混凝土管或缸瓦管，四周填砾石，排水管通向下游。当外水压力较大时，也可在洞内水面线以上设置通过衬砌的径向排水管。

有压隧洞，除在洞底衬砌外埋设纵向排水管外，还需设置环向排水槽，间距约4～10米，布置在回填灌浆孔的中间。凡设置排水的地方，即不再做固结灌浆。三小结与作业1.隧洞的类型；2.隧洞的结构组成；3.隧洞的进口建筑物布置；4.隧洞的出口建筑物。5.隧洞的断面形式。6.隧洞的衬砌方式。7.隧洞的分缝方式。8.隧洞的排水形式。小结：作业：课后第1、4、5、7题（P164-165）5.2水工隧洞洞身型式及构造

课程导入—上次课内容回顾上次课内容回顾水工隧洞的类型有哪些？（作用分类）水工隧洞的类型有哪些？（水力条件）水工隧洞的结构组成有哪些？水工隧洞洞线布置有何要求？水工隧洞的闸门是怎样布置的，包括哪些闸门？水工隧洞的两种闸门启闭方式有何要求？水工隧洞的进口建筑物有哪些形式？水工隧洞进口包含哪些设置？有压隧洞的放水操作有哪些流程？水工隧洞出口的消能方式有哪些？

课程导入—本次课内容导引水工隧洞的组成：进口段洞身段出口段√√水工隧洞洞身的型式及构造本节内容

目录

一水工隧洞的特点及类型

二水工隧洞的线路选择及布置

三水工隧洞的进出口建筑物

五小结与作业

四水工隧洞的洞身形式及构造

四隧洞的洞身形式及构造（一）隧洞洞身形式及构造

有压隧洞一般为圆形。断面尺寸按有压管道公式计算

四隧洞的洞身形式及构造（一）隧洞洞身形式及构造

无压隧洞一般为圆形、城门洞形、或马蹄形。

四隧洞的洞身形式及构造（一）隧洞洞身形式及构造

无压隧洞一般为圆形、城门洞形、或马蹄形。其顶部为圆形，适宜于承受垂直山岩压力，且便于开挖和衬砌。圆拱直墙式断面的缺点是拱圈受力情况不好，拱圈截面将出现弯矩。当岩石比较软弱破碎，洞壁坍塌严重，铅直山岩压力及侧向山岩压力较大，且底部也存在山岩压力时，可采用马蹄形断面形式。这种断面的最大特点是受力条件好，但施工复杂。当地质条件差，同时又有较大的外水压力时，可考虑采用圆形断面。当采用掘进机开挖施工时，也可采用圆形断面。城门洞形马蹄形圆形

四隧洞的洞身形式及构造（二）隧洞（洞身）衬砌

为什么要做洞身衬砌？增加围岩稳定性防止隧洞渗漏防止水流、泥沙、空气和温度变化、干湿变化等对岩石的破坏。减小表面糙率

四隧洞的洞身形式及构造（二）隧洞（洞身）衬砌

隧洞衬砌的形式无衬砌平整衬砌受力衬砌单层衬砌组合衬砌预应力衬砌锚杆衬砌或喷混凝土衬砌

四隧洞的洞身形式及构造无衬砌

四隧洞的洞身形式及构造无衬砌岩石好裂隙少水头小或工期紧但保证不出危险

四隧洞的洞身形式及构造平整衬砌目的：减少表面糙率、防止渗流、保护岩石不被风化。适用：围堰坚硬，能自行保持稳定，且水头不大的情况。全断面衬砌可只在过水面衬砌有压隧洞无压隧洞

四隧洞的洞身形式及构造受力衬砌

单层衬砌：单层衬砌是指由混凝土、钢筋混凝土、喷混凝土及浆砌石等做成的衬砌。

组合衬砌：由两种或两种以上的衬砌型式组合而成。预应力衬砌：多用于高水头的圆形有压隧洞。由于衬砌预加了压应力，可以抵消运行时产生的拉应力，可使隧洞衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量。锚杆衬砌和喷混凝土衬砌

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造温度缝沉降缝施工缝分缝与止水在施工运行期，由于混凝土干缩和温度应力产生裂缝不均匀沉降而产生裂缝施工分块浇筑

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造伸缩缝（永久缝）沉降缝（永久缝）施工缝（临时缝）分缝与止水在施工运行期，由于混凝土干缩和温度应力产生裂缝不均匀沉降而产生裂缝施工分块浇筑

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造分缝与止水

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造施工缝（临时缝）分缝与止水

横向间距由浇筑能力定；纵向间距根据浇筑能力，缝设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力较小部位；施工缝需进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性。沉降缝（永久缝）1.通过断层破碎带或软弱带；2.衬砌加厚，厚度突变处；3.洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位移的地段。部位

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造伸缩缝（永久缝）分缝与止水缝的间距约为6～12m。“一缝多用”原则为了减少缝的数量，常将一个缝发挥更多的作用

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造回填灌浆灌浆目的在于填充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。回填灌浆多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。一般在顶拱中心角90°～120°范围内灌浆。灌浆压力常采用0.2～0.3MPa，孔距、排距一般为2～6m，孔深应伸入围岩5cm以上。

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造固结灌浆灌浆固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力。固结灌浆的参数，应根据围岩的地质条件、衬砌结构形式、围岩的防渗和加固要求等确定。

四隧洞的洞身形式及构造（三）衬砌的构造排水排水目的：是降低作用在衬砌外壁上的外水压力。

无压隧洞，如外水压力较大时，一般在洞底衬砌下埋纵向排水管。先在岩石内挖排水沟，中间埋疏松混凝土管或缸瓦管，四周填砾石，排水管通向下游。当外水压力较大时，也可在洞内水面线以上设置通过衬砌的径向排水管。

有压隧洞，除在洞底衬砌外埋设纵向排水管外，还需设置环向排水槽，间距约4～10米，布置在回填灌浆孔的中间。凡设置排水的地方，即不再做固结灌浆。三小结与作业1.隧洞的类型；2.隧洞的结构组成；3.隧洞的进口建筑物布置；4.隧洞的出口建筑物。5.隧洞的断面形式。6.隧洞的衬砌方式。7.隧洞的分缝方式。8.隧洞的排水形式。小结：作业：课后第1、4、5、7题（P164-165）5.3坝下涵管

课程导入常见的泄水建筑物溢流坝溢洪道水工隧洞坝下涵管

目录

一坝下涵管的管线布置

二坝下涵管进口建筑物的形式

三坝下涵管管身断面形式与构造

五小结与作业

四坝下涵管的出口建筑物

一坝下涵管的线路选择与工程布置我们见过的坝下涵管王家崖水库的放水闸原理示意图

在蓄水枢纽中，为了城市供水、灌溉、放空水库、施工倒流或排沙的目的，通常在土坝或土石坝下面埋设洞型或管型的建筑物，这类建筑物称为坝下涵管。

优点：施工方便，构造简单，通常工期较短，造价也底。缺点：与土石坝相互干扰大。

在中小型工程中应用广泛。

一坝下涵管的线路选择与工程布置认识坝下涵管

（1）涵管必须放在坚实可靠的地基上，最好是岩基。对低坝尚可考虑放在密实、均质而稳定的土基上，不能放置在填土地基和坝身填土上。（2）涵管线路要短直、水流要顺畅。无奈需转弯对，弯道半径应不小于5倍管径，偏转角不能超过60°。一坝下涵管的线路选择与工程布置

（3）涵管进口位置，应视运用要求而定。引水灌溉时要与灌区同侧而且要满足灌溉所需要的高程；泄洪、排沙时应布置在河槽主流部位，在满足泄洪流量的前提下宜高一些；用作导流和放空水库的涵管进口宜低一些。同时，力争作到一条涵管可以完成几种功能的要求。（4）争取与溢洪道等其它建筑