水工隧洞

水工隧洞

第一节概述

一、水工隧洞得类型

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1受力情况

（2）无压：明渠流计算运行条件上差别较大。

（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。

具体道一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。

二、水工隧洞得工作特点

（1）水力特点：

深泄水孔：a 泄水能力于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 承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。

（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、水工隧洞得组成

主要包括下列三部分：

（1）进口段

（2）洞身段

（3）出口段

第2节水工隧洞得布置及线路选择

一、总体布置及线路选择

（一）总体布置

（1）应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。

（2）在合理得选定洞线得基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口得位置及进口结构形成，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，底扳高程及消能方式。

（二）线路选择

选线室设计中得一个至关重要得问题，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。

（1）隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，渗流量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得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，方便施工、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倍得洞径或洞宽，转角不宜大于60o，

弯道两端得直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）

（3）隧洞应有一定得埋藏深度。

（4）隧洞感的纵坡，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）要考虑进出口于其它建筑物的关系：

如果水库所建的坝时土石坝，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。

泄水隧洞的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，以及进出口及闸门位置、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）

1．检修门：设在进口

2．工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。

（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1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1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、及反弧段与较低的洞身相连接。

“龙抬头”式泄洪洞，一般式水头高，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，容易产生不利负压合空蚀。

2．泄洪时堆发电不利。

（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。

问题：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

第3节进口段

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、斜坡式。

二、进口段的组成部分：

包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。

（一）进水喇叭口

位置：在隧洞的首部

要求：①其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。

②避免产生不利的负压合空隙破坏。

③减少局部水头损失，以提高泄流能力。

体型：常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩，平底。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：

122

22=+b

y a x

式中：a —长半轴 顶板约等于闸门处的孔口高度（H ）

边墙约等于闸门处的孔口宽度（B ）

b —短半轴 顶板：H/3

边墙：（1/3~1/5）B

对于重要的工程，进口曲线，应通过水工模型试验确定。

无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常式一段倾斜的椭圆曲线，以便与检

修闸门和工作门之间的顶板衔接，此顶板以1：4~1：6的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。

检修门槽前的入口段长度可控制在（0。8—1。0）倍工作闸门处的孔口高度范围内。

检修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段，（目的：收缩断面进一步改善进口的压力分布和水流流态）。 （二）通气孔

1． 位置：①设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。 ②设在检修门和工作门之间。 2． 作用：

① 工作闸门在各级开度情况下：补气 ② 检修时：补气。

③ 检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平压，此时排气。 3． 布置上注意点：

① 通气孔的进口必须与闸门启闭机室分开，因为进口处气流速度大，以免在补气、

排气时，影响工作人员的安全。

[V a ]≤40—45m/s

② 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。 4． 通气量的计算及通气孔设计

通气孔应按正常的泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。

通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。 目前多采用一些经验公式或半经验公式。

①对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔：

]

[09.0a a w a V Q a A

V Q =

?=

A —隧洞断面积

②对于高水头大型工程中重要闸门后的通气孔（无压隧洞或管道）

式中：a ?—风速系数，取0。6

B —闸门处孔口宽度（M ） a —通气孔断面面积

a L —闸门后的隧洞的长度

w V —闸门孔口处的水流流速，m/s 。

a A —闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（m 2），通常A a <0.3A

A —闸门后的隧洞或管道断面积

计算的先假定a 、求得Q a 后，再以 a

Q V a

a =

，验算V a ，确定其是否超过允许风速s m V V a a /50~40][=<。

否则，重复上述计算，直到满足为止。

检修门后得通气孔面积，一般以大于或等于充水平压阀的面积为宜。

（三）拦污栅

（四）渐变段、闸门室及平压管

第4节洞身段

一、洞身断面形式

洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压），施工条件，地质条件及适用要求。

（一）无压隧洞的断面形式

1．城门洞形（圆拱直墙形）

优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的隧洞其进出口与渠道连接

也简单。

适用：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。为

减小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的。

2．马蹄形：

适用：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：围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。

（二）有压隧洞的断面型式

1．断面一般采用原形，其原因：○1水流条件和受力条件均有利。○2在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。

2．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。

二、洞身断面尺寸

洞身断面尺寸，可根据给定的泄流量，作用水头及纵断面布置，通过必要的水力计算及水工模型实验确定。导流洞尺寸与围堰高度有关，涉及到经济因素。

水力计算内容： 1． 有压隧洞

任务：核算泄流能力及沿程压坡线（γ

p

z +

，侧压管水头线）

泄水能力按管流计算

gH Q 2出μω=

%

90~802）（出

洞出ωωμω=

=gH Q

式中：

μ——考虑沿程和局部阻力的系数。

ω——隧洞出口断面面积（约为洞身面积的80~90%） H ——上下游水位差（作用水头）

为了保证洞内水流处于有压状态，一般要求洞顶应有2M 以上的压力余幅，流速大压力余幅也大。

采用缩小出口断面面积增大压力，减免负压和空蚀。 2． 无压隧洞

计算泄水能力，○

1表孔式进口，按堰流计算。○2深式短管式进口，泄水能力决定于进口压力段，仍用有压管流计算，但系数μ随进口段局部水头损失而定。（一般在0.9左右，不考虑沿程损失，因为距离短），ω为工作闸门处的孔口面积。

工作闸门之后的陡坡段，可用能量方程分段求出其水面线，为了保障洞内为明流（稳定的）状态，水面线上应有一定净空。

流速低，通气良好：净空面积不小于隧洞断面面积的15%，高度≥40cm。

流速高：要考虑掺气和冲击波的影响，在掺气水面以上的净空约为洞身面积的15~25%。

对于城门洞形断面，冲击波峰还应限制在直墙范围内。

3．还应考虑到施工和检查维修等方面的需要

5.1 （高）

非圆形不小于m8.1

圆形内径不小于 1.8m

三、洞身衬砌

（一）功用

1．阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定。

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等。

（二）类型

1．护面：平整（或抹平）衬砌

采用混凝土、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。

作用：减少糙率，防止漏水。

适用：岩石较好，水头较低的情况。

优点：造价低，施工方便。

2．单层衬砌

适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速较大的情况。

采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。

混凝土、钢筋混凝土的厚度一般为洞径或跨度的12

1

~81，且不小于25cm 。 3． 组合衬砌

○

1内层为：钢板、钢丝网喷浆 外层为：混凝土、钢筋混凝土

○

2顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（围岩好，边墙护面） 顶拱喷锚支护，边墙底板为混凝土或钢筋混凝土（无压洞）

○

3先喷锚支护，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌。 4． 预应力衬砌

以隔河岩为例子发电引水洞 适用：高水头有压隧洞

衬砌型式的选择，应根据隧洞能担负的任务，地质条件，断面尺寸，受力状态，施工条件等因素，通过综合比较后确定。

（三）、衬砌分缝

分缝原因：混凝土或钢筋混凝土衬砌在施工和运用期

○

1由于混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝 ○

2当隧洞穿过地质条件变化显著地区（通过断层、破碎带及其它软弱地带）可能由于不均匀沉降而产生裂缝。

○

3施工只能是分块分段浇筑。 1． 施工缝（临时）

横向（垂直轴线）间距由浇筑能力定（一般与伸缩缝、沉降缝合在一起）

纵向（平行轴线）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。

2．沉降缝（永久）

设置部位：○1通过断层破碎带或软弱带：衬砌加厚，厚度突变处。

○2洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位移的地段。

缝中设止水，填沥青油毡或其他填料。

3．伸缩缝(永久)

防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝。

缝的间距约为6~12m，缝中设止水。

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（回填、固结）

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。

做法：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。

压力：2~3kg/cm2（过去会破坏衬砌结构）

孔距、排距：一般为2~6cm（深入岩体几厘米）

3．固结灌浆

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。

范围：整个断面。

压力：一般为1.5~2.0倍内水压力。（4~10 kg/cm2）

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。

排距：2~4m，每排不宜少于6孔，作对称布置。

灌浆时应加强观测，防止洞壁产生变形或破坏。

当地质条件良好，围岩的单位吸水率 <0.01l/min.m，可不进行灌浆。

回填灌浆孔、固节灌浆孔通常分排间隔排列。

（五）排水

作用：降低作用在衬砌上的外水压力。

1．有压洞：外水压力一般不控制衬砌设计

加强固节灌浆（防渗）

必须时在底部的衬砌下面设纵向排水。

2．无压洞：外水压力较大时，设置排水（径向、纵向）

径向：在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔

排水孔距、排距一般为2~4m

深入岩体2~4`m，将地下水引入洞内。

在洞内水面下也有设置排水孔，（如刘家峡电站导流洞），因为隧洞放空后，底板及侧墙难以满足抗浮稳定。

纵向：排水设在衬砌底部。

总之，一般说来，有压洞的外水压力能抵消一部分内水压力，除外水压力起控制作用的特殊情况外，不需设排水，特别是有压洞覆盖层厚的进口附近，地质较差的地段，特别是围岩内存在易溶填充物，不宜设排水，而是加强固节灌浆。

第5节出口段及消能设施

一、出口段的结构布置

无压洞：出口仅设有门框（以防洞脸及上部岩石崩塌），并与扩散。

有压洞：出口常设工作闸门，启闭机室。

闸门前有渐变段（洞圆门方），出门之后为消能设施，为避免负压，常采用断面收缩的方法。

二、消能方式

常用：挑流、底流、洞内突扩消能。

特点：隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。

（一）挑流消能（常用扩散式）

适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地质条件允许时。

优点：经济合理。

注意：尽量不要冲刷对岸。

形式：斜切式挑流鼻坎（洞轴线与河道交角小）、横向扩散挑坎、收缩式窄缝

挑坎。

（二）底流消能

优点：消能比较充分平稳。

缺点：开挖量大，施工时间长，造价高。

（三）洞中突扩消能（孔板消能）

举例：小浪底工程冲沙洞（泄洪洞）

第7节洞室开挖时的围岩稳定性

一、岩体初始应力（地应力）

1．定义：岩体处于天然产状所具有的内应力叫做岩体的初始应力（天然岩体内应力），在地学领域中，通常叫地应力。

岩石有构造应力（地应力）

自重应力

2．形成岩体初始应力的因素：

上覆岩体的重力

地壳构造运动

成岩过程中的物理、温度作用、地形影响

地下水及地震作用

由于影响因素多，目前无法用数学，力学法分析计算，只能现场实测。

3．如何测得地应力

目前常用的方法：应力解除法、应力恢复法

○1应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得岩石的应变以推求其初始应力。

○2应力恢复法：岩体中的应力解除后，不是通过岩体的变形特性来推求岩体中的应

力值，而是通过施加压力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前的

应力值。

以上测得的是岩体中一点的应力，至于整个岩体中初始应力的分布情况，目前还不

能根据有限的测点的结果来加以确定。

4．对岩体初始应力的初步认识

○1岩体及上覆岩石的重量是形成岩体初始应力的基本原因之一，岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且借助“泊松效应”和流变效应而产生水平应力。

○2初始应力的形成，取决于地形及地壳结构运动，这通常有是高的水平应力产生的主要原因。

○3许多地区岩体初始应力实测结果表明：水平应力大大超过上覆岩体的重量算得的结果，这是由于构造动力学方面的原因，或地质剥蚀的原因。

○4天然岩体中的断层，对初始应力起着解除或部分解除的作用。

○5坚硬完整的岩石，在一定地质条件下，可以聚集大量的能量，从而形成高的天然内应力，在开挖过程中，产生“岩爆”。

二、围岩的应力集中

应力重分布：当在岩体中开挖洞室时，洞室围岩的初始应力状态发生变化，这种现象叫应力重分布。

围岩：产生应力重分布的这部分岩体叫围岩。

在洞室周边某些部位（形状突变、薄弱区）出现应力集中，对围岩稳定不利。

应力重分布在洞室周边最为显著，远离洞壁，影响减小；应力重分布与初始应力状态，洞室的断面形状和尺寸，岩体的结构和性质有关。

围岩应力计算方法：弹性理论，有限元，（参看〈〈岩石力学〉〉）

三、围岩稳定分析

1．目的：预估可能出现的破坏形态、部位、范围及其发生和发展过程，选择适宜的支护方案，保证安全施工，改进设计。

2．分析方法：主要凭经验和现场量测作出判断（影响因素多，而且错综复杂，到目前为止，还不能完全依靠理论计算）

3．分析内容：

○1对初选隧洞断面，结合地质条件及其力学性质，初始应力，施工方法等，采用弹性理论公式或有限元计算围岩压力。

○2如围岩压力超过岩体的弹性极限，可按弹塑性理论计算塑性区的应力，确定塑性区的范围。

○3对洞室周边可能出露的危石，按块体平衡法进行分析。

○4现场量测，主要测量一些选定点的位移，和点与点之间的相对位移，画出位移~时间关系曲线，如位移超过“允许位移量”或位移曲线突然变陡，表明围岩将要失稳，椐此采用支护措施。

第8节隧洞的衬砌计算

目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之满足规范要求。

计算方法：

一案：○1将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹性抗力，衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定结构解算衬砌内力。

缺点：与实际情况不太吻合。（本书讲的就是这种方法）

○2采用衬砌常微分方程边值问题数值解法。

二案：有限元法：将围岩与衬砌视为整体，其准确性取决于：

计算模型

原始参数E、 、C等

岩体性态复杂多变，上两者难以准确确定。

一、荷载及荷载组合

作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重及灌浆压力，温度荷载、地震力等。

其中内水压力，自重比较明确，而其余的力只能再一些简化和假定的前提下进行近似计算。

（一）围岩压力（山岩压力）

隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。

影响山岩压力大小的因素：围岩的地质3条件和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的分布和发育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形式。

影响因素很多且错综复杂，难精确计算。

目前，确定围岩压力的方法：

1．松散介质理论（塌落拱法）

此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成“塔落拱”，拱处的围岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的荷载——山岩压力。

普氏用“坚固系数”f K（亦称拟摩擦系数），代替岩石颗粒间的真实摩擦系数：

普氏观测试验资料，制成各种岩石f K分类表。

最坚硬的岩石f K达20；最差（松，散）f K只有0。3

普氏推导出塔落拱的形状为抛物线，塔落拱高度h按下式计算：

两侧无滑动面时：

两侧有滑动面时：

①没有侧向山岩压力作用岩体中的隧洞

a）隧洞顶是平的，洞顶受到山岩压力的压强量q

b）曲线形洞顶：（认为铅直山岩压力可以减少30%）