水工隧洞概述講義清楚明了

西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院2014.5水工隧洞與壩下涵管主講人：田嘉寧第一節(jié)概述一、水工隧洞的作用和類型1.作用（1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石頭河水利樞紐；也可作為主要泄洪建筑物，例石砭峪水利樞紐、黑河水利樞紐。（2）引水興利：發(fā)電、灌溉、供水、生態(tài)輸水等。（3）排沙：延長水庫使用年限，有利于水電站的正常運行。例三門峽左岸排沙洞、二龍山右岸排沙洞。（4）放空水庫：滿足人防和檢修。（5）施工導(dǎo)流。如龍羊峽：15×16m2；二灘：20.5×25.5m2；黑河金盆水庫：10×13m2。第一節(jié)概述一、水工隧洞的作用和類型石頭河水利樞紐第一節(jié)概述一、水工隧洞的作用和類型三門峽水利樞紐第一節(jié)概述一、水工隧洞的作用和類型二龍山水庫第一節(jié)概述一、水工隧洞的作用和類型①、②運行條件上差別較大，應(yīng)避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替流態(tài)。危害：（a）易引起振動、空蝕。（b）影響泄流能力。2.類型按功用分：可分為泄洪洞、引水發(fā)電和尾水洞、灌溉和供水洞、放空和排沙洞、施工導(dǎo)流洞等。按流態(tài)分：①有壓：水力計算時按管流計算。②無壓：明渠流計算。凈空面積不小于隧洞斷面積的15％第一節(jié)概述二、工作特點Q∝H1/2，比表孔超泄能力低，但進(jìn)口位置低，可以提前預(yù)泄。H較高，P較大，啟閉力也就要大，止水要求嚴(yán)格，承受的水頭較高。V較大，易引起空化、空蝕，脈動會引起閘門振動。q出口較大，能量集中，需采取適當(dāng)?shù)姆罌_設(shè)施。1.水力特點（進(jìn)口位于水下）2.結(jié)構(gòu)特點（洞身處于地下）洞室開挖后，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖變形甚至崩塌，為此常

布置臨時支護(hù)和永久性襯砌。在運行期，承受較大內(nèi)水壓力的隧洞，要求圍巖具有足夠的厚度和必要的襯砌。第一節(jié)概述二、工作特點隧洞一般斷面小，洞線長，工序多，干擾大，施工條件差，工期較長。3.施工特點第一節(jié)概述三、水工隧洞的組成進(jìn)口段：控制水流。包括攔污柵、進(jìn)水喇叭口、閘門室及漸變段等。洞身段：輸送水流。一般都需進(jìn)行襯砌。出口段：連接消能設(shè)施。無壓泄水隧洞的出口僅設(shè)有門框，壓力泄水隧洞的出口一般設(shè)有漸變段及工作閘門室。第二節(jié)水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置（1）應(yīng)根據(jù)樞紐承擔(dān)的任務(wù)，對泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃，確定洞線位置。（2）在選定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進(jìn)口位置及型式，確定閘門在洞中的位置。（3）確定縱坡i、橫斷面形狀及尺寸。（4）根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位以及與其它建筑物間的相互關(guān)系等條件確定出口位置、底板高程及消能方式。（5）還應(yīng)考慮臨時占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運行期地下水位變化等對環(huán)境的影響和水土保持的要求。1.總體布置第二節(jié)水水工隧洞的布布置一、水工隧洞洞的布置（1）隧洞的線路路應(yīng)盡量避開不利的地地質(zhì)構(gòu)造、圍巖可能不不穩(wěn)定及地下下水位高、滲滲流量豐富的的地段，以減減少作用于襯襯砌上的圍巖巖壓力和外水水壓力。（2）在平面上應(yīng)應(yīng)力求短、直，這樣可以減減少工程費用用，方便施工工、減少水頭頭損失。另外外，進(jìn)出口應(yīng)應(yīng)使水流盡量平順順，且對其他建建筑物無影響響。2.線路選擇泄水隧洞的線線路選擇是設(shè)設(shè)計中的關(guān)鍵鍵，關(guān)系到工程造價、施施工難易、工工期長短和運運行可靠性等方面。對于無壓隧洞洞，轉(zhuǎn)彎時：：當(dāng)V≥20m/s，R≮5B（5D）；當(dāng)V＜20m/s，R≮3B（3D）。轉(zhuǎn)角＜60°。彎道兩端的直直線段S≥5B（5D）。（3）隧洞應(yīng)有一一定的埋藏深深度進(jìn)、出口：頂部巖體厚厚度≮1B（1D）。有壓隧洞洞身身，圍巖厚度＞＞3D，或根據(jù)工程程經(jīng)驗：有襯襯砌時圍巖厚厚度T≮0.4H（H為內(nèi)水壓力水水頭）；不襯襯砌或錨噴襯襯砌：圍巖厚厚度T≮1.0H。還應(yīng)滿足不不發(fā)生滲流失失穩(wěn)和水力劈裂要求。（4）縱坡：應(yīng)根據(jù)運運用要求、用途、、上下游銜接、施施工和檢修等因素素綜合分析比較后后確定。無壓洞：i＞ik；有壓洞：取決于進(jìn)進(jìn)口高程和出口高高程，要求保持不小于2m的壓力水頭。不宜采用平坡或或反坡，因其不利利于檢修排水。第二節(jié)水工隧隧洞的布置一、水工隧洞的布布置2.線路選擇（5）對于長隧洞，應(yīng)應(yīng)利用地形、地質(zhì)質(zhì)條件、布置一些些施工支（平）洞、、斜井、豎井，以增加工作面，，加快施工進(jìn)度。。例引灤入津工程程在9.68km的引水隧洞中布置置了15個斜支洞、4個豎井，將整個隧隧洞分成20份，9680/20=484m。第二節(jié)水工隧隧洞的布置一、水工隧洞的布布置2.線路選擇第二節(jié)水工隧隧洞的布置二、閘門在隧洞中中的布置一般布置工作閘門門、檢修閘門兩道道門（或事故閘門門）。（1）檢修閘門：一般設(shè)在進(jìn)口，，要求能在短期內(nèi)內(nèi)擋水，在靜水中啟閉，所有隧洞都應(yīng)設(shè)設(shè)檢修閘門。（2）事故閘門：位于檢修門上游游，用以在發(fā)生事事故時快速關(guān)閉（快速閘門）。要求在動水中關(guān)閉閉，靜水中開啟，一般大型工程中中采用。（3）事故檢修門：具備檢修閘門和和事故閘門的特點點，因此可在動水中關(guān)閉，靜水水中開啟。（4）工作閘門：工作閘門設(shè)在進(jìn)口口——一般為無壓洞優(yōu)點：①工作門和和檢修門都設(shè)在進(jìn)進(jìn)口，工作門后為為無壓洞，洞內(nèi)不不受內(nèi)水壓力作用用，有利于邊坡穩(wěn)定；②檢修門和工作門門都在首部，運行管理方便；③易于檢修和維修修。缺點：①對工作門門后隧洞布置要求求較高，如若設(shè)置彎道，其流態(tài)態(tài)差，易產(chǎn)生折沖沖水流；②對工作門后隧洞洞內(nèi)流速有一定要要求，若流速高則易發(fā)生空空蝕破壞。如李家峽導(dǎo)流洞洞：V=14.5m/s左右，邊壁發(fā)生嚴(yán)嚴(yán)重破壞。第二節(jié)水工隧隧洞的布置二、閘門在隧洞中中的布置工作閘門設(shè)在出口口——多為有壓洞優(yōu)點：①運行時洞洞內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)；②隧洞洞線布置適適應(yīng)性強（可設(shè)彎彎道）；③閘門控制結(jié)構(gòu)簡簡單，管理方便；；缺點：①由于檢修修閘門和工作閘門門分別在進(jìn)口和出出口，故運行管理理不便；②洞內(nèi)為有壓流，，一旦襯砌漏水對對巖坡和土壩建筑筑物將造成危害。。第二節(jié)水工隧隧洞的布置二、閘門在隧洞中中的布置第二節(jié)水工隧隧洞的布置二、閘門在隧洞中中的布置布置在洞身某一位位置（門前有壓，門后后無壓）①由于隧洞線路路平面上需要轉(zhuǎn)彎彎，工作閘門室設(shè)設(shè)在轉(zhuǎn)彎后，彎道為有壓，直線線段為無壓。例三門峽排沙、、泄洪洞；東江右岸泄洪洞；碧口左岸泄洪洞。②洞內(nèi)某處較出出口處的地質(zhì)條件件好，工作閘門布布置在洞中，可以利用巖體承受受閘門傳輸?shù)乃仆屏?。三門峽1#泄洪排沙洞第二節(jié)水工隧隧洞的布置三、多用途隧洞的的布置前期為導(dǎo)流洞，后后期為泄洪洞。常作成“龍?zhí)ь^頭”式，在進(jìn)口之之后用拋物線段、、斜坡段及反弧段段與較低的洞身相相連接?！褒?zhí)ь^頭”式泄洪洞，一一般是水頭高，流流速大，反弧及下下游易遭空蝕破壞壞，為了避免空蝕蝕，應(yīng)做好體形設(shè)設(shè)計，控制施工質(zhì)質(zhì)量，限制不平整整度，并選用適當(dāng)當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施施。采用“龍?zhí)ь^頭”形式的如：劉家峽、碧口、石頭河、、毛家村等工程。。1.導(dǎo)流洞與泄洪洞合合一布置第二節(jié)水工隧隧洞的布置三、多用途隧洞的的布置（1）主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞發(fā)電（岔洞發(fā)電），如如碧口水電站。洞內(nèi)流態(tài)較好，，岔尖附近的負(fù)壓壓相對較小，發(fā)電電支洞回流強度弱弱，范圍也小。但但泄洪時，由于洞洞內(nèi)流速加大，有有效水頭降低，出出力相應(yīng)減小。（2）主洞發(fā)電、支洞泄泄洪。2.泄洪洞與發(fā)電洞合合一布置存在問題：（1）岔尖處的水流流流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)產(chǎn)生不利負(fù)壓和空空蝕。（2）泄洪時對發(fā)電不不利。分岔角一般般在30°～60°之間。第二節(jié)水工隧隧洞的布置三、多用途隧洞的的布置發(fā)電與灌溉洞合一一。發(fā)電后的尾水用用于灌溉。由于發(fā)發(fā)電要求經(jīng)常供水水，而灌溉用水是是季節(jié)性的，因此此這種布置的主要要問題是用水上的的矛盾。泄洪與排沙隧洞合合一。由于排沙洞的進(jìn)進(jìn)口高程較低，施施工期還可結(jié)合導(dǎo)導(dǎo)流，導(dǎo)流完成后后改建為泄洪排沙沙洞。但對于高水水頭情況，在設(shè)計計中需要認(rèn)真研究究高流速含沙水流流的沖蝕、磨損及及消能問題。3.其他任務(wù)隧洞的合合一布置第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式。。豎井式進(jìn)水口是在在隧洞進(jìn)口附近的巖巖體中開挖豎井，井壁襯砌，閘門門設(shè)在井的底部，，井的頂部布置啟啟閉機械及操縱室室。1.豎井式第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式。。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不受風(fēng)風(fēng)浪、水的影響，，抗震及穩(wěn)定好，，地形條件適宜時，，工程量較小。缺點：豎井開挖較困難，，豎井前的一段隧隧洞檢修不便。適用：地質(zhì)條件較較好、巖體比較完完整的情況。1.豎井式獨立于隧洞首部而而不依靠巖坡的封閉式塔或框架式式塔，塔底裝設(shè)閘門。。封閉式塔斷面：：大、中型工程多多采用矩形，也有圓形和多邊邊形。2.塔式第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎豎井式、塔式和岸塔式。2.塔式第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎豎井式、塔式和岸塔式。優(yōu)點：開挖量小，可在不同高程設(shè)設(shè)取水口。缺點：受風(fēng)浪、地地震、冰的影響大大，穩(wěn)定性相對較差，需要工作橋與庫庫岸相連，施工安安裝不方便。適用：岸坡地形較較低緩，巖石較差差，覆蓋層較厚。?？吭陂_挖后洞臉巖巖坡上直立的或傾斜的進(jìn)進(jìn)水塔。優(yōu)點：穩(wěn)定性比塔塔式好；無須接岸橋梁，施工、安裝比較方方便。缺點：受風(fēng)浪、冰冰、地震有一定影影響。適用：岸坡較陡，，巖體比較堅固穩(wěn)穩(wěn)定的情況。3.岸塔式第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎豎井式、塔式和岸塔式。4.斜坡式第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎豎井式、塔式和岸岸塔式。在較為完整的巖坡坡上進(jìn)行平整開挖挖、護(hù)砌而成的一一種進(jìn)水口。例：響洪甸、磨磨子潭泄洪洞。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，，施工、安裝方便便，穩(wěn)定性好，工工程量小。缺點：閘門面積加大，關(guān)門時不易靠自重重下降。適用：中、小型工工程，或只用于安安設(shè)檢修閘門的進(jìn)進(jìn)水口。5.組合式第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物一、進(jìn)口建筑物進(jìn)口建筑物的主要要形式有三種：豎豎井式、塔式和岸岸塔式。三門峽1#泄洪排沙洞第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物二、進(jìn)口段的組成成位置：在隧洞的首部。要求：①其體形與孔口水水流的形態(tài)相適應(yīng)應(yīng)，使水流平順通通過，而不致脫壁；②避免產(chǎn)生不利的的負(fù)壓和空蝕破壞壞；③減少局部水頭損損失，以提高泄流流能力。體型：常采用矩形斷面，頂板和邊墻墻順?biāo)鞣较蛉婷媸湛s，平底。喇叭口的頂板和邊邊墻常采用橢圓曲曲線，其方程為：進(jìn)口段包括：進(jìn)水喇叭口、閘門門室、通氣孔、平平壓管、漸變段等幾個部分組成。。1.進(jìn)水喇叭口第三節(jié)隧洞的的進(jìn)出、口建筑物物二、進(jìn)口段的組成成2.通氣孔（1）位置：①設(shè)在泄泄水隧洞進(jìn)口或中中部的工作閘門之后。②設(shè)在檢修門和工作門之之間。（2）作用：①工作閘門在各級級開度情況下：補補氣②檢修時：補氣。。③檢修完畢，工作作閘門和檢修門之之間充水平壓，此此時排氣。（3）布置上注意點：：①通氣孔的進(jìn)口必須與閘門門啟閉機室分開，，因為進(jìn)口處氣流速度大，，以免在補氣、排排氣時，影響工作人員的安安全。[Va]≤40～45m/s②通氣孔應(yīng)力求減少少轉(zhuǎn)彎，突變，以以減少阻力。第四節(jié)隧洞洞洞身段一、洞身斷面形式式1.無壓洞（1）城門洞形（圓拱直墻形）優(yōu)點：施工（開挖、立模、襯襯砌）簡單，為渠道上的隧洞洞其進(jìn)出口與渠道道連接也簡單。頂拱中心角：φ＝90°～180°。適用：垂直山巖壓壓力較大，而無側(cè)側(cè)向山巖壓力或側(cè)側(cè)向山巖壓力很小小的情況。為減小小或消除側(cè)向山巖巖壓力，可把邊墻墻作成傾斜的。第四節(jié)隧洞洞洞身段一、洞身斷面形式式1.無壓洞（2）馬蹄形（由三個不同半半徑的圓弧組成成）適用：巖石比較較軟弱破碎，垂垂直山巖壓力和和側(cè)向山巖壓力力均較大情況。。（3）圓形適用：圍巖條件件較差，且外水水壓力較大，掘掘進(jìn)機施工。（4）蛋形第四節(jié)隧洞洞洞身段一、洞身斷面形形式2.有壓洞（1）圓形：水流條條件和受力條件件均有利；在面積一定的條條件下，圓形過過流能力最大。（2）也可以采用無無壓洞的斷面形形式——在圍巖較好，內(nèi)內(nèi)水壓力不大時時，為了施工方方便。洞身斷面尺寸，，可根據(jù)給定的的泄流量，作用用水頭及縱斷面面布置，通過必必要的水力計算及水工模型試驗確定。另外，在在確定隧洞斷面面尺寸時，還應(yīng)應(yīng)考慮到洞內(nèi)施施工和檢查維修修等方面的需要要，圓形斷面的內(nèi)徑徑不小于1.8m，非圓形洞的斷斷面不小于1.5m×1.8m。第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌1.襯砌的作用（1）阻止圍巖變形的的發(fā)展，保證圍圍巖穩(wěn)定；（2）承受山巖壓力力、內(nèi)水壓力及及其它荷載；（3）防滲漏；（4）保護(hù)巖石免受受水流、空氣、、溫度、干濕變變化等的沖蝕破破壞作用；（5）減小隧洞的表表面糙率等。按襯砌目的分：：平整襯砌、受受力襯砌按材料分：砼襯砌、鋼筋砼襯砌、漿砌石襯砌2.襯砌類型2、3類圍巖采用素混混凝土襯砌，4、5類圍巖采用鋼筋筋混凝土襯砌第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌3.襯砌分縫分縫原因：混凝土或鋼筋筋混凝土襯砌在在施工和運用期期：①由于混凝土的干縮和和溫度應(yīng)力可能產(chǎn)生裂縫；；②當(dāng)隧洞穿過過地質(zhì)條件變化化顯著地區(qū)（通通過斷層、破碎碎帶及其它軟弱弱地帶）可能由由于不均勻沉降而產(chǎn)產(chǎn)生裂縫；③施工只能是是分塊分段澆筑筑。（1）施工縫（臨時時）橫向（垂直軸線線）：間距由澆筑能力定；縱向（平行軸線線）：根據(jù)澆筑筑能力，縫設(shè)在在頂拱、邊墻及及底板分界處或或是內(nèi)力較小部部位；施工縫：需進(jìn)行鑿毛處理理或設(shè)插筋以加加強其整體性。第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌3.襯砌分縫（2）伸縮縫（永久久）：防止混凝凝土干縮和溫度度應(yīng)力而產(chǎn)生的的裂縫。間距：：6～12m，縫中設(shè)止水。（3）沉降縫（永久久）：設(shè)置部位位：①通過斷層破破碎帶或軟弱帶帶：襯砌加厚，，厚度突變處；②洞身與進(jìn)口口漸變段等接頭頭處，可能產(chǎn)生生較大位移的地地段?？p中設(shè)止水，填填瀝青油氈或其其他填料。實際工程中：橫橫向施工縫、沉沉降縫、伸縮縫縫，盡量結(jié)合在在一起。第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌4.灌漿目的：為了充填襯砌與圍巖巖之間的空隙，使之緊密結(jié)合合，共同工作，，改善傳力條件件和減少滲漏。。做法：在頂拱部部位預(yù)留灌漿管管，在襯砌完成成后，通過預(yù)埋埋管進(jìn)行灌漿。。范圍：一般在頂頂拱中心角90°～120°以內(nèi)?？拙?、排距：一一般為2～6m（深入巖體＞5cm）。灌漿壓力：混凝凝土襯砌0.2～0.3MPa；鋼筋混凝土襯襯砌0.3～0.5MPa。（過高會破壞壞襯砌結(jié)構(gòu)）。。（1）回填灌漿第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌4.灌漿（2）固結(jié)灌漿目的：在于加固固圍巖，提高圍巖的整體體性和承載能力，減減小滲漏。范圍：整個斷面?？咨睿喝霂r2～5m，對于圍巖條件差差的地段或直徑徑較大的隧洞達(dá)達(dá)6～10m。排距：2～4m，每排不宜少于6孔，作對稱布置置。灌漿壓力：一般般采用0.4～1.0MPa或更大，對于有有壓隧洞可用1.5～2.0H(H為內(nèi)水壓力)。第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌4.灌漿第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞身襯砌5.排水作用：降低作用在襯砌砌上的外水壓力力。（1）有壓洞：外水水壓力一般不控控制襯砌設(shè)計，，僅在外水壓力力較大時設(shè)置排排水。（2）無壓洞：外水水壓力較大時，，設(shè)置排水（徑徑向、縱向）徑向：在洞內(nèi)水水面線上通過襯襯砌設(shè)置排水孔孔排水孔距、排距距一般為2～4m深入巖體2～4m，將地下水引入洞洞內(nèi)。在洞內(nèi)水面下也也有設(shè)置排水孔孔（如劉家峽電電站導(dǎo)流洞），，因為隧洞放空空后，底板及側(cè)側(cè)墻難以滿足抗抗浮穩(wěn)定。第四節(jié)隧洞洞洞身段二、洞洞身襯襯砌5.排水總之，，有壓洞洞的外水水壓力力能抵抵消一一部分分內(nèi)水水壓力力，除除外水水壓力力起控控制作作用的的特殊殊情況況外，，一般不不需設(shè)設(shè)排水水，特別別是有有壓洞洞覆蓋蓋層厚厚的進(jìn)進(jìn)口附附近，，地質(zhì)質(zhì)較差差的地地段，，圍巖巖內(nèi)存存在易易溶填填充物物，不不宜設(shè)設(shè)排水水，而而應(yīng)加加強固固結(jié)灌灌漿。第五節(jié)節(jié)隧隧洞洞出口口段及及消能能設(shè)施施一、出出口段段的布布置1.無壓洞洞：出口僅僅設(shè)有有門框（以防防洞臉臉及上上部巖巖石崩崩塌）），并并與消消能設(shè)設(shè)施的的兩側(cè)側(cè)邊墻墻銜接接。2.有壓洞洞出口常常設(shè)工工作閘閘門、、啟閉閉機室室。閘閘門前前有漸漸變段段（洞洞圓門門方）），出出門之之后為為消能能設(shè)施施，為為避免免負(fù)壓壓，常常采用用斷面面收縮縮的方方法。。第五節(jié)節(jié)隧隧洞洞出口口段及及消能能設(shè)施施二、消消能方方式常用：：挑流、、底流流、洞洞內(nèi)突突擴消消能。近年年來，，國內(nèi)內(nèi)也出出現(xiàn)了了窄縫縫挑流流消能能、洞洞內(nèi)旋旋流消消能等等。1.挑流消消能（（常用用擴散散式））適用：：出口高高程高高于或或接近近于下下游水水位，且地地質(zhì)條條件允允許時時。優(yōu)點：：經(jīng)濟(jì)濟(jì)合理理。注意：：盡量量不要要沖刷刷對岸岸。形式：：斜切切式挑挑流鼻鼻坎（（洞軸軸線與與河道道交角角小））、橫橫向擴擴散