第八章有壓引水建筑工程物

第八章有壓引水建筑物教學(xué)規(guī)定：理解有壓進水口型式、特點和合用條件，掌握有壓進水口各種設(shè)備作用及進口高程、輪廓尺寸擬定；理解水工隧洞選線與布置、構(gòu)成及各某些型式與構(gòu)造，掌握水工隧洞襯砌計算辦法；理解噴錨支護應(yīng)用；理解壩下涵管布置方式及各某些構(gòu)造；理解壓力管道布置方式，掌握壓力明管水力計算和經(jīng)濟直徑擬定；理解鎮(zhèn)墩、支墩作用、形式及合用條件和明管上閥門與附件；熟悉埋管布置方式；理解調(diào)壓室工作原理和水位波動計算辦法。第一節(jié)概述圖8-1為有壓引水式水電站示意圖。該水電站建筑物涉及水庫、攔河壩、泄水道、水電站進水口、有壓引水道（壓力隧洞）、調(diào)壓室、壓力管道、廠房樞紐（含變電、配電建筑物）以及尾水渠。本章只簡介整個引水系統(tǒng)（涉及進水口、有壓隧洞、壓力管道和調(diào)壓室），其她建筑物則在相應(yīng)章節(jié)討論。圖8－1有壓引水式水電站示意圖1-水庫；2-閘門室；3-進水口；4-壩；5-溢洪道；6-調(diào)壓室；7-有壓隧洞；8-壓力管道；9-廠房第二節(jié)有壓進水口流道均沉沒于水中，并始終保持滿流狀態(tài)，具備一定壓力水頭進水口，稱之為有壓進水口。有壓進水口也稱為深式進水口或潛沒式進水口。有壓引水式水電站和壩后式水電站進口大都屬于這種類型,其后常接有壓隧洞或管道，合用于從水位變幅較大水庫中取水。有壓進水口重要類型及合用條件有壓進水口類型重要取決于水電站開發(fā)和運營方式、引用流量、樞紐布置規(guī)定以及地形地質(zhì)條件等因素，可分為豎井式、墻式、塔式、壩式四種重要類型。（1）豎井式進水口豎井式進水口閘門井布置于山體豎井中，豎井頂部布置啟閉設(shè)備和操作室，如圖8-2所示。進口段開挖成喇叭形，以使水流平順。閘門段經(jīng)漸變段與引水隧洞銜接。這種進水口合用于隧洞進口地質(zhì)條件較好、地形坡度適中狀況。本地質(zhì)條件不好，擴大進口和開挖豎井會引起塌方，地形過于平緩，不易成洞，或過于陡峻，難以開鑿豎井時，都不適當采用。豎井式進水口充分運用了巖石作用，鋼筋混凝土工程量較少，是一種既經(jīng)濟又安全構(gòu)造形式，因而應(yīng)用廣泛。（2）墻式進水口墻式進水口進口段和閘門段均布置在山體之外，形成一種緊靠在山巖上墻式建筑物，如圖8-3所示。這種進水口合用于洞口附近地質(zhì)條件較差或地形陡峻因而不適當采用洞式進水口時。墻式進水口其建筑物承受水壓力，有時也承受山巖壓力，因而需要足夠強度和穩(wěn)定性，有時可將墻式構(gòu)造連同閘門槽依山做成傾斜，以減小或免除山巖壓力，同步使水壓力某些或所有傳給山巖承受，這時墻式進水口稱為斜臥式進水口。（3）塔式進水口塔式進水口進口段和閘門段構(gòu)成一種豎立于水庫邊塔式構(gòu)造，通過工作橋與岸邊相連，如圖8-4所示。這種進水口合用于洞口附近地質(zhì)條件較差或地形平緩從而不適當采用洞式進水口引水工程。本地材料壩壩下涵管也常采用塔式進水口。塔式構(gòu)造要承受風(fēng)浪壓力及地震力，必要有足夠強度及穩(wěn)定性。塔式進水口可由一側(cè)進水，也可由四周進水，然后將水引入塔底巖基豎井中（在國內(nèi)應(yīng)用實例較少）。（4）壩式進水口壩式進水口指是布置在擋水壩或擋水建筑物上整體構(gòu)造進水口，進口段和閘門段常合二為一，布置緊湊，如圖8-5所示。當水電站壓力管道埋設(shè)在壩體內(nèi)時，只能采用這種進水口，壩式進水口布置應(yīng)與壩體協(xié)調(diào)一致，其形狀也隨壩型不同而異。有壓進水口布置及輪廓尺寸（1）有壓進水口位置水電站有壓進水口在樞紐中位置應(yīng)依照地形、地質(zhì)條件、水位變幅、隧洞線路、進水口型式等綜合考慮擬定。在各級運營水位下，應(yīng)進流勻稱、水流平順、，不發(fā)生回流和旋渦，不浮現(xiàn)淤積，不匯集污物，不受其她建筑物運營影響。進水口后連接引水隧洞時，應(yīng)與隧洞平順過渡，選取地形、地質(zhì)及水流條件相宜位置。（2）有壓進水口高程有壓進水口在上游最低運營水位時仍應(yīng)有足夠沉沒深度，防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦。最小沉沒深度可按式（8－1）（8－1）式中——最小沉沒深度（進口頂部高程與水位之間差值）；——閘孔高度（m）；——閘孔斷面平均流速（m/s）；——系數(shù)，對稱水流取0.55，邊界復(fù)雜和側(cè)向水流取0.73。引水工程進水口難以達到最小沉沒深度規(guī)定期，應(yīng)在水面如下設(shè)立防渦梁（板）和防渦柵等防渦辦法。在滿足進水口前不產(chǎn)生漏斗狀吸氣旋渦及引水道內(nèi)不產(chǎn)生負壓前提下，進水口高程應(yīng)盡量抬高，以改進構(gòu)造受力條件，減少閘門、啟閉設(shè)備及引水道造價，也便于進水口運營維護。有壓進水口底部高程應(yīng)高于設(shè)計淤積高程。若無法滿足，則應(yīng)在進水口附近設(shè)排沙孔，以保證進水口不被淤塞，并防止有害石塊進入引水道。（3）有壓進水口輪廓尺寸豎井式、墻式及塔式進水口進口段、閘門段和漸變段劃分比較明確，進水口輪廓尺寸重要取決于三個控制斷面尺寸，即攔污柵斷面、閘門孔口斷面和隧洞斷面。攔污柵斷面尺寸普通按過柵流速不超過某個極限值規(guī)定來決定。閘門孔口普通為矩形，事故閘門處凈過水斷面普通為隧洞斷面1.1倍左右，檢修閘門孔口常與此相等或稍大，孔口寬度略不大于隧洞直徑，而高度等于或稍不不大于隧洞直徑。進水口輪廓應(yīng)能光滑地連接這三個斷面，使得水流平順，流速變化均勻，水流與四周側(cè)壁之間無負壓及渦旋。進口段作用是連接攔污柵與閘門段。隧洞進口段常為平底，兩側(cè)稍有收縮，上唇收縮較大。兩側(cè)收縮曲線常為圓弧，上唇收縮曲線普通用四分之一橢圓，如圖8-2所示，當引用流量及流速不大時可用圓弧或雙曲線。進口段長度無一定原則，在滿足工程構(gòu)造布置與水流順暢條件下，盡量緊湊。閘門段體型重要決定于所采用閘門、門槽型式及構(gòu)造受力條件，其長度應(yīng)滿足閘門及啟閉設(shè)備布置需要，并考慮引水道檢修通道規(guī)定。漸變段是由矩形閘門段到圓形隧洞過渡段。普通采用圓角過渡，如圖8-6所示，其中1-1斷面為閘門段，3-3斷面為隧洞。圓角半徑可按直線規(guī)律變?yōu)樗矶窗霃?。漸變段長度普通為隧洞直徑1.5～2.0倍，側(cè)面擴散角以6°～8°為宜。上述擬定辦法對壩式進水口同樣合用，但為了適應(yīng)壩體構(gòu)造規(guī)定，進水口長度要縮短，進口段與閘門段常合二為一。壩式進水口普通都做成矩形喇叭口狀。進水口中心線可以是水平，也可以是傾斜，視與壓力管道連接條件而定。開口較小時工作閘門可設(shè)于喇叭口中部而將檢修閘門置于喇叭口上游，如圖8-5所示。該圖中還表達了為保證水流平順各某些所需最小尺寸。上述各點均系就水電站進水口而言。抽水蓄能電站進水口在抽水工況時成為出水口，其體型還要利于反向水流均勻擴散，以防脫流和旋渦。有壓進水口重要設(shè)備有壓進水口應(yīng)依照運用條件設(shè)立攔污設(shè)備、閘門及啟閉設(shè)備、通氣孔以及充水閥等重要設(shè)備。（一）攔污設(shè)備攔污設(shè)備功用是防止漂浮物隨水流帶入進水口，同步不讓這些漂浮物堵塞進水口，影響過水能力。重要攔污設(shè)備是進口處攔污柵。工程實踐表白，進水口攔污柵極易被漂浮物堵塞，清理不及時，也許導(dǎo)致水電站被迫減小出力甚至停機后果，壓壞攔污柵事例也曾發(fā)生。工程上為減小進水口攔污柵壓力，常在遠離進水口幾十米之外設(shè)一道粗柵或攔污浮排，攔住粗大漂浮物，并將其引向溢流壩，渲泄至下游。1．攔污柵布置及支承構(gòu)造攔污柵可采用傾斜或垂直布置方式。豎井式及墻式進水口攔污柵常布置為傾斜，傾角為60°～70°左右，見圖8-2及圖8-3，其長處是過水斷面大，且易于清污。塔式進水口攔污柵可布置為傾斜或垂直，取決于進水口構(gòu)造形狀。但壩式進水口攔污柵普通為垂直。攔污柵平面形狀可以是平面或多邊形。前者便于清污，后者可增大攔污柵處過水斷面。豎井式及墻式進水口普通采用平面攔污柵，見圖8-2和圖8-3，塔式及壩式進水口則兩種均也許采用。壩式進水口采用多邊形攔污柵狀況見圖8-5。攔污柵總面積常按電站引用流量及擬定過柵流速反算得出。過柵流速是指扣除墩（柱）、橫梁及柵條等各種阻水斷面后按凈面積算出流速。攔污柵總面積小則過柵流速大，水頭損失大，漂浮物對攔污柵撞擊力大，清污亦困難；攔污柵面積大，則會增長造價，甚至布置困難。為便于清污，過柵流速以不超過1.0m/s為宜，當河流污物很少或經(jīng)粗柵、攔污浮排等辦法解決后，攔污柵前污物很少，此時,水電站引用流量可加大，過柵流速可隨之加大。攔污柵普通由鋼筋混凝土框架構(gòu)造支承，見圖8-2及圖8-5，攔污柵框架由墩（柱）及橫梁構(gòu)成，墩（柱）側(cè)面留槽，攔污柵片插在槽內(nèi)，上、下兩端分別支承在兩根橫梁上，承受水壓時相稱于簡支梁。橫梁間距普通不不不大于4m，間距過大會加大柵片橫斷面，但過小會減小凈過水斷面，增長水頭損失。多邊形攔污柵離壓力管道進口不能太近，以保證入流平順。攔污柵框架頂部應(yīng)高出需要清污時相應(yīng)水庫水位。2．攔污柵柵片攔污柵由若干塊柵片構(gòu)成，每塊柵片寬度普通不超過2.5m，高度不超過4m，柵片像閘門同樣插在支承構(gòu)造柵槽中，必要時可一片片提起檢修。柵片構(gòu)造如圖8-7所示。其矩形邊框由角鋼或槽鋼焊成，縱向柵條慣用扁鋼制成，上下兩端焊在邊框上。沿柵條長度方向，等距設(shè)立幾道帶有槽口橫隔板，柵條背水側(cè)嵌入該槽口并加焊，不但固定了位置，也增長了側(cè)向穩(wěn)定性。柵片頂部設(shè)有吊環(huán)。柵條厚度及寬度由強度計算決定，普通厚8～12mm，寬100～200mm。柵條凈距b取決于水輪機型號及尺寸，以保證通過攔污柵污物不會卡在水輪機過流部件中為原則。3．攔污柵清污及防凍攔污柵與否被污物堵塞及其堵塞限度可通過觀測柵前柵后壓力差來判斷，這是由于正常狀況下水流通過攔污柵水頭損失很小，被污物堵塞后則明顯增大。發(fā)現(xiàn)攔污柵被堵時，要及時清污，以免導(dǎo)致額外水頭損失。堵塞不嚴重時清污以便，堵塞過多則過柵流速大，水頭損失加大，污物被水壓力緊壓在柵條上，清污困難，解決不當時會導(dǎo)致停機或壓壞攔污柵事故。攔污柵清污辦法隨清污設(shè)施及污物種類不同而異。人工清污是用齒耙扒掉攔污柵上污物，普通用于小型水電站淺水、傾斜式攔污柵。大中型水電站慣用清污機，如圖8-8所示。若污物中樹枝較多，不易扒除時，可運用倒沖辦法使其脫離攔污柵，如引水系統(tǒng)中有調(diào)壓井或前池，則可先加大水電站出力，然后突然丟棄負荷，導(dǎo)致引水道內(nèi)短時間反向水流，將污物自攔污柵上沖下，再將其扒走。攔污柵吊起清污辦法可用于污物不多河流，結(jié)合攔污柵檢修進行，也可用于污物（特別是漂浮樹枝）較多、清污困難狀況。對于后一種狀況，可設(shè)兩道攔污柵，一道吊出清污時，另一道可以攔污，以保證水電站正常運營，如四川映秀灣水電站。在寒冷地區(qū)要防止攔污柵封凍。如冬季仍能保證所有柵條完全埋在水下，則水面形成冰蓋后，下層水溫高于0℃，柵面不會結(jié)冰。如柵條露出水面，則要設(shè)法防止柵面結(jié)冰。一種辦法是在柵面上通過50V（二）閘門及啟閉設(shè)備進水口普通設(shè)兩道閘門，即事故閘門及檢修閘門。當隧洞較短或調(diào)壓室處另設(shè)有事故閘門時，可只設(shè)一道檢修閘門。事故閘門僅在全開或全關(guān)狀況下工作，不用于流量調(diào)節(jié)，其重要功用是，當機組或引水道內(nèi)發(fā)生事故時迅速切斷水流，以防事故擴大。此外，引水道檢修期間，也用以封堵水流。事故閘門常懸掛于孔口上方，以便事故時能在動水中迅速(1～2min）關(guān)閉。閘門啟動為靜水啟動。事故閘門普通為平面門，每套閘門配備一套固定卷揚式啟閉機或油壓啟閉機，以便隨時操作。閘門啟閉機應(yīng)有就地操作和遠方操作兩套系統(tǒng)，并配有可靠電源。閘門應(yīng)能吊出進行檢修。檢修閘門設(shè)在事故閘門上游側(cè)，在檢修事故閘門及其門槽時用以堵水。普通采用靜水啟閉平板門，中小型電站也可采用迭梁。幾種進水口可合用一扇檢修門，并采用移動式啟閉機（如壩頂門機）或暫時啟閉設(shè)備進行啟閉。（三）通氣孔及充水閥通氣孔設(shè)在事故閘門之后，其功用是，當引水道充水時用以排氣，當事故閘門關(guān)閉放空引水道時，用以補氣以防出既有害真空。當閘門為前止水時，常運用閘門井兼作通氣孔，如圖8-2所示。當閘門為后止水時，則必要設(shè)專用通氣孔，如圖8-5所示。通氣孔中常設(shè)爬梯，兼作進人孔。通氣孔面積常按最大進氣流量除以容許進氣流速得出。最大進氣流量出當前事故閘門緊急關(guān)閉時，可近似以為等于進水口最大引用流量。容許進氣流速與引水道形式關(guān)于，對于露天鋼管可取30～50m/s，壩內(nèi)鋼管及隧洞可取70～80m/s或更高。通氣孔頂端應(yīng)高出上游最高水位，以防水流溢出。要采用恰當辦法，防止通氣孔因冰凍堵塞，防止大量進氣時危害運營人員或吸入周邊物件。充水閥作用是啟動閘門前向引水道充水，平衡閘門先后水壓，以便靜水啟動閘門。充水閥尺寸應(yīng)依照充水容積、下游漏水量及規(guī)定布滿時間等來擬定。充水閥可安裝在專門設(shè)立連通閘門先后水道旁通管上，但較常用是直接在平板閘門上設(shè)“小門”，運用閘門拉桿啟閉。閘門關(guān)閉時，拉桿及充水閥重量同步關(guān)閉充水閥，提高拉桿而閘門本體尚未提起時即可先行啟動充水閥。此外，進水口應(yīng)設(shè)有可靠測壓設(shè)施，以便監(jiān)視攔污柵先后水位差，以及事故閘門、檢修閘門在啟動前平壓狀況。第三節(jié)水工隧洞概述（一）水工隧洞類型為滿足水利水電工程各項任務(wù)而設(shè)立隧洞稱為水工隧洞，其功用是：(1)配合溢洪道宣泄洪水，有時也作為重要泄洪建筑物之用。(2)引水發(fā)電，或為灌溉、供水和航運送水。(3)排放水庫泥沙，延長使用年限，有助于水電站等正常運營。(4)放空水庫，用于人防或檢修建筑物。(5)在水利樞紐施工期用來導(dǎo)流。按上述功用，水工隧洞可分為泄洪隧洞、引水發(fā)電和尾水隧洞、灌溉和供水隧洞、放空和排沙隧洞、施工導(dǎo)流隧洞等。按隧洞內(nèi)水流狀態(tài)，又可分為有壓隧洞和無壓隧洞。從水庫引水發(fā)電隧洞普通是有壓；灌溉渠道上輸水隧洞常是無壓，有干渠及干渠上隧洞還可兼用于通航；別的各類隧洞依照需要可以是有壓，也可以是無壓。在同一條隧洞中可以設(shè)計成前段是有壓而后段是無壓。但在同一洞段內(nèi)，除了流速較低暫時性導(dǎo)流隧洞外，應(yīng)避免浮現(xiàn)時而有壓時而無壓明滿流交替流態(tài)，以防引起振動、空蝕和對泄流能力不利影響。在設(shè)計水工隧洞時，應(yīng)當依照樞紐規(guī)劃任務(wù)，按照一洞多用原則，盡量設(shè)計為多用途隧洞，以減少工程造價。有壓隧洞和無壓隧洞在工程布置、水力計算、受力狀況及運營條件等方面差別較大，對于一種詳細工程，究竟采用有壓隧洞還是無壓隧洞，應(yīng)依照工程任務(wù)、地質(zhì)、地形及水頭大小等條件提出不同方案，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后選定。（二）水工隧洞工作特點(1)水力特點。樞紐中泄水隧洞，除少數(shù)表孔進口外，大多數(shù)是深式進口。深式泄水隧洞泄流能力與作用水頭H1/2次方成正比，當H增大時，泄流量增長較慢，不如表孔超泄能力強。但深式進口位置較低，能提前泄水，從而提高水庫運用率，減輕下游防洪承擔(dān)，故慣用來配合溢洪道宣泄洪水。泄水隧洞所承受水頭較高、流速較大，如果體形設(shè)計不當或施工存在缺陷，也許引起空化水流而導(dǎo)致空蝕；水流脈動會引起閘門等建筑物振動；出口單寬流量大、能量集中會導(dǎo)致下游沖刷。為此應(yīng)采用適當防止空蝕和消能辦法。(2)構(gòu)造特點。隧洞為地下構(gòu)造，開挖后破壞了本來巖體內(nèi)應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形甚至崩塌，為此，常需設(shè)立暫時支護和永久性襯砌，以承受圍巖壓力。但圍巖自身也具備承載力，可與襯砌共同承受內(nèi)水壓力等荷載。承受較大內(nèi)水壓力隧洞，規(guī)定圍巖具備足夠厚度和進行必要襯砌，否則一旦襯砌破壞，內(nèi)水外滲，將危害巖坡穩(wěn)定及附近建筑物正常運營。(3)施工特點。隧洞普通是斷面小，洞線長，從開挖、襯砌到灌漿，工序多，干擾大，施工條件較差，工期普通較長。施工導(dǎo)流隧洞或兼有導(dǎo)流任務(wù)隧洞，其施工進度往往控制整個工程工期。（三）水工隧洞構(gòu)成水利樞紐中泄水隧洞重要涉及下列三個某些：(1)進口段。位于隧洞進口部位，用以控制水流。涉及攔污柵、進水喇叭口、閘門段及漸變段等。(2)洞身段。用以輸送水流。普通都需進行襯砌。(3)出口段。用以連接消能設(shè)施。無壓泄水隧洞出口僅設(shè)有門框，有壓隧洞出口普通設(shè)有漸變段及工作閘門室。而用于水電站引水隧洞末端普通與平水建筑物相連，無專門出口段。本節(jié)只討論有壓引水隧洞布置與選線及各構(gòu)成某些設(shè)計問題。水工隧洞布置與選線（一）總體布置及線路選取1．總體布置(1)水工隧洞在樞紐中布置應(yīng)依照樞紐任務(wù)、隧洞用途、地形、地質(zhì)、施工、運營等條件綜合研究并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后方能擬定。(2)在合理選定洞線方案基本上，依照地形、地質(zhì)及水流條件，選定進口段構(gòu)造形式，擬定閘門在隧洞中布置。(3)擬定洞身縱坡及洞身斷面形狀和尺寸。(4)依照地形、地質(zhì)、尾水位等條件及建筑物之間互有關(guān)系選定出口位置、高程及消能方式。2．線路選取引水隧洞線路選取是設(shè)計中核心，它關(guān)系到隧洞造價、施工難易、工程進度、運營可靠性等方面。因而，應(yīng)當在勘測工作基本上擬定不同方案，考慮各種因素，進行技術(shù)經(jīng)濟比較后選定。選取洞線普通原則和規(guī)定為：(1)隧洞線路應(yīng)盡量避開不利地質(zhì)構(gòu)造、圍巖也許不穩(wěn)定及地下水位高、滲水量豐富地段，以減小作用于襯砌上圍巖壓力和外水壓力。洞線要與巖層層面、構(gòu)造破碎帶和節(jié)理面有較大交角，在整體塊狀構(gòu)造巖體中，其夾角不適當不大于30°；在層狀巖體中，特別是層間結(jié)合疏松高傾角薄巖層，其夾角不適當不大于45°。在高地應(yīng)力地區(qū)，應(yīng)使洞線與最大水平地應(yīng)力方向盡量一致，以減小隧洞側(cè)向圍巖壓力。(2)洞線在平面上應(yīng)力求短直，這樣既可減小工程費用，以便施工，且有良好水流條件。若因地形、地質(zhì)、樞紐布置等因素必要轉(zhuǎn)彎時，應(yīng)以曲線相連。對于低流速隧洞，其曲率半徑不適當不大于5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)角不適當不不大于60°，彎道兩端直線段長度也不適當不大于5倍洞徑或洞寬。高流速有壓隧洞，即或轉(zhuǎn)彎半徑不不大于5倍洞徑，由彎道引起壓力分布不均，有達到彎道末端10倍洞徑以外，甚至影響到出口水流不對稱，流速分布不均。因而，設(shè)立彎道時其轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)角最佳通過實驗擬定。(3)進、出口位置適當。隧洞進、出口在開挖過程中容易塌方且易受地震破壞，應(yīng)選在覆蓋層、風(fēng)化層較淺，巖石比較結(jié)實完整地段，避開有嚴重順坡卸荷裂隙、滑坡或危巖地帶。引水隧洞進口應(yīng)力求水流順暢，避免在進口附近產(chǎn)生串通性或間歇性漩渦。出口位置應(yīng)與調(diào)壓室布置相協(xié)調(diào)，有助于縮短壓力管道長度。(4)隧洞應(yīng)有一定埋藏深度，涉及：洞頂覆蓋厚度和傍山隧洞岸邊一側(cè)巖體厚度，統(tǒng)稱為圍巖厚度。圍巖厚度涉及開挖時成洞條件，運營中在內(nèi)、外水壓力作用下圍巖穩(wěn)定性，構(gòu)造計算邊界條件和工程造價等。對于有壓隧洞，當考慮彈性抗力時，圍巖厚度應(yīng)不不大于3倍洞徑。依照以往工程經(jīng)驗，對于較堅硬完整巖體，有壓隧洞最小圍巖厚度應(yīng)不不大于(為洞頂壓力水頭），如不加襯砌，頂部和側(cè)向厚度應(yīng)分別不不大于和。普通洞身段圍巖厚度較厚，但進、出口則較薄，為增大圍巖厚度而將進、出口位置向內(nèi)移動會增長明挖工程量，延長施工時間。普通狀況，進、出口頂部巖體厚度不適當不大于1倍洞徑或洞寬。(5)隧洞縱坡，應(yīng)依照運用規(guī)定、上下游銜接、施工和檢修等因素綜合分析比較后來擬定。無壓隧洞縱坡應(yīng)不不大于臨界坡度。有壓隧洞縱坡重要取決于進、出口高程，規(guī)定全線洞頂在最不利條件下保持不不大于2m壓力水頭。有壓隧洞不適當采用平坡或反坡，因其不利于檢修排水。為了便于施工期運送及檢修時排除積水，有軌運送底坡普通為3‰～5‰，但不應(yīng)不不大于10‰；無軌運送坡度為3‰～15‰，最大不適當超過20‰。(6)對于長隧洞，選取洞線時還應(yīng)注意運用地形、地質(zhì)條件，布置某些施工支洞、斜井、豎井，以便增長工作面，有助于改進施工條件，加快施工進度。（二）閘門在隧洞中布置引水隧洞中普通要設(shè)立兩道閘門，一道是工作閘門，用來調(diào)節(jié)流量和封閉孔口，能在動水中啟閉，一道是檢修閘門，設(shè)立在進口，用來擋水，以便檢修工作閘門或隧洞。當隧洞出口低于下游水位時，出口處還需設(shè)立疊梁檢修門。大中型隧洞深式進水口常規(guī)定檢修閘門能在動水中關(guān)閉，靜水中啟動，以滿足發(fā)生事故時需要，因此也稱事故檢修門。對于有壓泄水隧洞，其工作閘門普通布置在出口如圖8-9所示。這種布置長處是：泄流時洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門后通氣條件好，便于某些啟動；工作閘門控制構(gòu)造也較簡樸，管理以便；隧洞線路布置適應(yīng)性強。但洞內(nèi)經(jīng)常承受較大內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，對巖坡及土石壩等建筑物穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。實際工程中，常在進口設(shè)事故檢修門，平時也可用以擋水，以免洞內(nèi)長時間承受較大內(nèi)水壓力。實際工程中，有時為了便于樞紐布置，減小工程量，減少造價，也許采用發(fā)電與泄洪、發(fā)電與灌溉相結(jié)合隧洞布置方式。但必要妥善解決由于不同任務(wù)結(jié)合所帶來某些矛盾問題。三、水工隧洞各構(gòu)成某些形式及構(gòu)造（一）進口段有壓隧洞進口段涉及進口喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管和漸變段等幾種某些，本章第二節(jié)已簡介了有關(guān)內(nèi)容，不再贅述。（二）洞身段1．洞身斷面形式洞身斷面形式取決于水流流態(tài)、地質(zhì)條件、施工條件及運營規(guī)定等。有壓隧洞普通均采用圓形斷面，如圖8-10(a)，(b)，(c)，(g)所示，因素是圓形斷面水流條件和受力條件都較為有利。當圍巖條件較好，內(nèi)水壓力不大時，為了施工以便，也可采用無壓隧洞慣用斷面形式。2．洞身斷面尺寸洞身斷面尺寸應(yīng)依照運用規(guī)定、泄流量、作用水頭及縱剖面布置，通過水力計算擬定，有時還要進行水工模型實驗驗證。有壓隧洞水力計算重要任務(wù)是核算泄流能力及沿程壓坡線。對于無壓隧洞重要是計算其泄流能力及洞內(nèi)水面線，當洞內(nèi)水流流速不不大于15～20m/s時，還應(yīng)研究由于高速水流引起摻氣、沖擊波及空蝕等問題。有壓隧洞泄流能力按管流計算(8-1)式中——考慮隧洞沿程阻力和局部阻力流量系數(shù)；——隧洞出口斷面面積，；——作用水頭，m。洞內(nèi)壓坡線，可依照能量方程分段推求。為了保證洞內(nèi)水流處在有壓狀態(tài)，如前所述，洞頂應(yīng)有2m以上壓力余幅。在擬定隧洞斷面尺寸時，還應(yīng)考慮到洞內(nèi)施工和檢查維修等方面需要，圓形斷面內(nèi)徑不不大于1.8m，非圓形洞斷面不不大于1.5m×1.8m。3．洞身襯砌1)襯砌功用為了保證水工隧洞安全有效地運營，普通需要對隧洞進行襯砌。襯砌功用是：①限制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定；②承受圍巖壓力、內(nèi)水壓力等荷載；③防止?jié)B漏；④保護巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化等沖蝕破壞作用；⑤減小表面糙率。2)襯砌類型隧洞襯砌重要有如下幾種類型：(1)平整襯砌。亦稱護面或抹平襯砌，它不承受作用力，只起減小隧洞表面糙率，防止?jié)B漏和保護巖石不受風(fēng)化作用。對于無壓隧洞，如巖石不易風(fēng)化，可只襯砌過水某些。平整襯砌合用于圍巖條件較好，能自行穩(wěn)定，且水頭、流速較低狀況。依照隧洞開挖狀況，平整襯砌可采用混凝土、漿砌石或噴混凝土。(2)單層襯砌。由混凝土[圖8-10(a)]，鋼筋混凝土[圖8-10(b)，(c)，(d)]或漿砌石等做成。單層襯砌特別是鋼筋混凝土、混凝土襯砌應(yīng)用最廣，合用于中檔地質(zhì)條件、斷面較大、水頭及流速較高狀況。依照工程經(jīng)驗，混凝土及鋼筋混凝土厚度，普通約為洞徑或洞寬1/8～1/12，且不不大于25cm，由襯砌構(gòu)造計算最后擬定。(3)組合式襯砌。有內(nèi)層為鋼板、鋼筋網(wǎng)噴漿，外層為混凝土或鋼筋混凝土[圖8-10(g)]；有頂拱為混凝土，邊墻和底板為漿砌石[圖8-10(h)]；頂拱、邊墻噴錨后再進行混凝土或鋼筋混凝土襯砌[圖8-10(i)]等形式。在軟弱破碎巖體中開挖隧洞，因其自穩(wěn)能力差，容易發(fā)生塌方，先用噴錨支護，再作混凝土或鋼筋混凝土襯砌是一種較好組合形式。引灤入津引水隧洞在1700m長度范疇內(nèi)采用了這種形式，收到了較好效果。選取洞身襯砌類型，應(yīng)依照隧洞任務(wù)、地質(zhì)條件、斷面尺寸、受力狀態(tài)、施工條件等因素，通過綜合分析比較后擬定。在有壓圓形隧洞中，普通以采用混凝土、鋼筋混凝土單層襯砌最為普遍。當內(nèi)水壓力較大，圍巖條件較差，鋼筋混凝土襯砌不能滿足規(guī)定或不經(jīng)濟時，可采用內(nèi)層為鋼板組合式雙層襯砌。馮家山水庫右岸壓力泄洪洞（水頭70m）出口段采用了雙層襯砌圖8-10(g）。當內(nèi)水壓力較大時，也可研究采用預(yù)應(yīng)力襯砌。配合光面爆破，噴錨是一種經(jīng)濟、迅速襯砌形式。當圍巖堅硬、完整、裂隙少、穩(wěn)定性好且不易風(fēng)化時，對于流速低、流量較小引水發(fā)電隧洞或?qū)Я魉矶矗梢圆患右r砌。不襯砌有壓隧洞，其內(nèi)水壓力應(yīng)不大于地應(yīng)力最小主應(yīng)力，以保證圍巖穩(wěn)定。不襯砌隧洞糙率大，引用同樣流量要增長開挖斷面。因而，與否采用不襯砌隧洞，應(yīng)當通過技術(shù)經(jīng)濟比較之后擬定。3）襯砌分縫混凝土及鋼筋混凝土襯砌是分段分塊澆筑。為防止混凝土干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，在相鄰分段間設(shè)有環(huán)向伸縮縫，沿洞線澆筑分段長度應(yīng)依照澆筑能力和溫度收縮等因素分析決定，普通可采用6~12m。有壓隧洞需在縫中設(shè)止水[圖8-11(a)，(b)]?？v向施工縫應(yīng)設(shè)在拉、剪應(yīng)力較小部位，對于圓形隧洞常設(shè)在與中心鉛直線夾角45°處[圖8-11(c)]；縱向施工縫需要鑿毛解決，有時增設(shè)插筋以加強整體性，縫內(nèi)可設(shè)鍵槽，必要時設(shè)止水。隧洞穿過斷層破碎帶或軟弱帶，襯砌需要加厚。當破碎帶較寬，為防止因不均勻沉降而開裂，在襯砌厚度突變處，應(yīng)設(shè)沉降縫（圖8-12)。此外，在進口閘門室與漸變段、漸變段與洞身交接處以及襯砌形式、厚度變化，也許產(chǎn)生相對位移部位，也需要設(shè)立環(huán)向沉降縫。沉降縫縫面不鑿毛，分布鋼筋也不穿過，但縫內(nèi)應(yīng)填1~2cm厚瀝青油氈或其她填料。有壓隧洞還應(yīng)在縫內(nèi)設(shè)止水。4．灌漿隧洞灌漿分為回填灌漿和固結(jié)灌漿兩種?；靥罟酀{是為了充填襯砌與圍巖之間空隙，使之結(jié)合緊密，共同受力，以發(fā)揮圍巖彈性抗力作用，并減少滲漏。砌筑頂拱時，可預(yù)留灌漿管，待襯砌完畢后，通過預(yù)埋管進行灌漿(圖8-13)?；靥罟酀{范疇，普通在頂拱中心角90°～120°以內(nèi)，孔距和排距為2～6m，灌漿孔應(yīng)進一步圍巖5cm以上，灌漿壓力為0.2～0.3MPa。固結(jié)灌漿目在于加固圍巖，提高圍巖整體性，減小圍巖壓力，保證圍巖彈性抗力，減小滲漏。對圍巖與否需要進行固結(jié)灌漿，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較擬定。固結(jié)灌漿孔普通進一步巖石2～5m，有時可達l0m，或為隧洞半徑1倍左右，依照對圍巖加固和防滲規(guī)定而定。固結(jié)灌漿孔排距2～4m，每排不少于6孔，對稱布置，相鄰斷面錯開排列，按逐漸加密法灌漿。固結(jié)灌漿壓力普通為0.4～1.0MPa或更大，對于有壓隧洞可用1.5～2.0倍內(nèi)水壓力。固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿7～14d之后進行。灌漿時應(yīng)加強觀測，以防洞壁發(fā)生變形破壞?；靥罟酀{孔和固結(jié)灌漿孔常分排間隔排列，如圖8-13所示。5．排水設(shè)立排水，可以減少作用在襯砌上外水壓力。對于有壓圓形隧洞，外水壓力普通不控制襯砌設(shè)計。當外水位很高，對襯砌設(shè)計起控制作用時，可在襯砌底部外側(cè)設(shè)縱向排水管，通至下游。必要時，還可增設(shè)環(huán)向排水槽，每隔6～8m設(shè)一道，收集滲水匯集后由縱向排水暗管排向下游。（三）出口段有壓隧洞出口，絕大多數(shù)設(shè)有工作閘門，布置啟閉機室，閘門前設(shè)有漸變段，將洞身從圓形斷面漸變?yōu)殚l門處矩形孔口，出口之后即為消能設(shè)施。圖8-14為馮家山水庫右岸有壓泄洪洞出口段構(gòu)造圖。四、水工隧洞襯砌計算襯砌構(gòu)造計算目在于核算在設(shè)計規(guī)定荷載組合下襯砌強度能否滿足設(shè)計規(guī)定。計算之前可先按（1/8～1/12)洞徑或用工程類比法初擬襯砌厚度，通過計算再行修正。國內(nèi)已建大量水工隧洞采用了各種應(yīng)力計算辦法，如構(gòu)造力學(xué)法、彈性力學(xué)法、邊界元法、有限元法等等。盡管辦法各異，但這些隧洞絕大多數(shù)運營正常，闡明襯砌計算設(shè)計條件較接近實際狀況，有一定安全裕度?！端に矶丛O(shè)計規(guī)范》(SL279-)指出：①將圍巖作為承載構(gòu)造隧洞可采用有限元法進行圍巖和襯砌分析計算。計算時應(yīng)依照圍巖特性選用適當力學(xué)模型，并應(yīng)模仿圍巖中重要構(gòu)造。②以內(nèi)水壓力為重要荷載，圍巖為Ⅰ、Ⅱ類圓形有壓隧洞，可采用彈性力學(xué)解析辦法計算。③對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖中洞段可采用構(gòu)造力學(xué)辦法計算。（一）荷載及其組合在進行水工隧洞襯砌計算之前，必要一方面擬定作用在隧洞襯砌上荷載，并依照荷載特性，按不同工作狀況分別計算出襯砌中內(nèi)力。襯砌上作用力有：圍巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、襯砌自重、灌漿壓力、溫度作用和地震力等，其中，內(nèi)水壓力、襯砌自重容易擬定，而圍巖壓力、外水壓力、灌漿壓力、溫度及地震力等只能在某些假定前提下進行近似計算。荷載計算對象與構(gòu)造計算相似，為單位洞長。1．圍巖壓力圍巖壓力也稱山巖壓力。隧洞開挖后由于圍巖變形（隧洞開挖破壞了巖體本來平衡，從而引起圍巖應(yīng)力重分布，引起變形）或塌落而作用在襯砌上壓力，稱圍巖壓力。按作用方向山巖壓力重要有兩種：作用于襯砌頂部垂直山巖壓力；作用于襯砌兩側(cè)側(cè)向山巖壓力。普通巖體中，作用在襯砌上重要是垂直向下圍巖壓力，對Ⅳ、Ⅴ類破碎巖層，還需考慮側(cè)向山巖壓力。計算山巖壓力辦法諸多，但當前工程中慣用辦法重要有自然平衡拱法和經(jīng)驗法。這里僅簡介較為實用經(jīng)驗法?！端に矶丛O(shè)計規(guī)范》（SL279-）規(guī)定，圍巖作用在襯砌上荷載，應(yīng)依照圍巖條件、橫斷面形狀和尺寸、施工辦法以及支護效果來擬定,圍巖壓力計取應(yīng)符合下列規(guī)定。(1)自穩(wěn)條件好，開挖后變形不久穩(wěn)定圍巖，可不計圍巖壓力。(2)薄層狀及碎裂散體構(gòu)造圍巖，作用在襯砌上圍巖壓力：垂直方向(8—2)水平方向(8—3)式中——垂直均布圍巖壓力，kN/m2；——水平均布圍巖壓力，kN/m2；——巖石重度，kN/m3；——隧洞開挖寬度，m。——隧洞開挖高度，m。(3）不能形成穩(wěn)定拱淺埋隧洞，宜按洞室頂拱上覆蓋層巖體重力作用計算圍巖壓力，再依照施工所采用支護辦法予以修正。(4)塊狀、中厚層至厚層狀構(gòu)造圍巖，可依照圍巖中不穩(wěn)定塊體作用力來擬定圍巖壓力。(5)采用了支護或加固辦法圍巖，依照其穩(wěn)定狀況，可不計或少計圍巖壓力。(6)采用掘進機開挖圍巖，可恰當少計圍巖壓力。(7)具備流變或膨脹等特殊性質(zhì)圍巖，也許對襯砌構(gòu)造產(chǎn)生變形壓力時，應(yīng)對這種作用進行專門研究，并宜采用辦法減小其對襯砌不利作用。2．彈性抗力在荷載作用下，襯砌向外變形時受到圍巖抵抗，這種因圍巖抵抗襯砌向外變形而作用在襯砌外壁作用力，稱為彈性抗力。彈性抗力是一種被動力。它與地基反力不同，后者是由力平衡決定，其數(shù)值與圍巖性質(zhì)無關(guān)；而前者產(chǎn)生是有條件。圍巖考慮彈性抗力重要條件是巖石自身承載能力，而充分發(fā)揮彈性抗力作用重要條件是圍巖與襯砌接觸限度。當巖石比較堅硬，且有一定厚度（普通規(guī)定不不大于3倍洞徑），無不利滑動面，圍巖與襯砌緊密接觸時，才可考慮彈性抗力作用，否則不考慮圍巖彈性抗力，只考慮襯砌底部地基反力。巖石彈性抗力可以近似地以為與襯砌變形導(dǎo)致圍巖法向位移成正比，即（10kPa)(8—4)式中——巖石彈性抗力；——襯砌表面法線方向位移；——與巖石狀況及隧洞開挖尺寸關(guān)于彈性抗力系數(shù)，N/cm3。彈性抗力系數(shù)是與圍巖性質(zhì)和隧洞直徑關(guān)于比例常數(shù)。實質(zhì)上，它表達能制止10-4m2襯砌面積變位0.01m所需要力。實踐中，常以隧洞半徑為1m時單位彈性抗力系數(shù)表達圍巖抗力特性，對開挖半徑為時彈性抗力系數(shù)為：(8—5)式中r——隧洞開挖半徑，cm，對非圓形隧洞，(為開挖洞寬）。彈性抗力系數(shù)慣用類比法和現(xiàn)場實驗辦法來擬定。彈性抗力預(yù)計過高，則會使襯砌構(gòu)造不安全，預(yù)計過低則導(dǎo)致不經(jīng)濟。因而，必要對其進行認真分析和估算。3．內(nèi)、外水壓力內(nèi)水壓力是有壓隧洞襯砌上重要荷載。當圍巖堅硬完整，洞徑不大于6m時，可只按內(nèi)水壓力進行襯砌構(gòu)造設(shè)計。內(nèi)水壓力可依照隧洞壓力線或洞內(nèi)水面線擬定。在有壓隧洞襯砌計算中，常將內(nèi)水壓力分為均勻內(nèi)水壓力和非均勻內(nèi)水壓力兩某些。均勻內(nèi)水壓力是洞頂內(nèi)壁以上水頭產(chǎn)生，其值位；非均勻內(nèi)水壓力是指洞內(nèi)布滿水，洞壁各點壓強值為(為計算點半徑與洞頂半徑夾角，d為隧洞內(nèi)直徑）時壓力。非均勻內(nèi)水壓力合力向下，方向向下，數(shù)值等于單位洞長內(nèi)水重（見圖8-15)。對有壓發(fā)電引水隧洞，還應(yīng)考慮機組甩負荷時引起水擊壓力。外水壓力大小取決于水庫蓄水后形成地下水位線，由于地質(zhì)條件復(fù)雜性，很難精確計算，普通來說，常假設(shè)隧洞進口處地下水位線與水庫正常擋水位相似，在隧洞出口處與下游水位或洞頂齊平，中間按直線變化。考慮到地下水滲流過程水頭損失，工程中實際取用外水壓力數(shù)值應(yīng)等于地下水水頭乘以折減系數(shù)（見表8-1)。設(shè)計中，當與內(nèi)水壓力組合時，外水壓力慣用偏小值；當隧洞放空時，采用偏大值。表8—1外水荷載折減系數(shù)值選用表級別地下水活動狀況地下水對圍巖穩(wěn)定影響值1洞壁干燥或潮濕無影響0～0.22沿構(gòu)造面有滲水或滴水風(fēng)化構(gòu)造面填充物質(zhì)，地下水減少構(gòu)造面抗剪強度，對軟弱巖體有軟化作用0～0.43沿裂隙或軟弱構(gòu)造面有大量滴水，線狀流水或噴水泥化軟弱構(gòu)造面充填物質(zhì)，地下水減少構(gòu)造面抗剪強度，對中硬巖體有軟化作用0.25～0.64嚴重滴水，沿軟弱構(gòu)造面有小量涌水地下水沖刷構(gòu)造面中充填物質(zhì)，加速巖體風(fēng)化，對斷層等軟弱帶軟化泥化，并使其膨脹崩解，以及產(chǎn)生機械管涌；有滲入壓力，能鼓開較薄軟弱層0.4～0.85嚴重股狀水流，斷層等軟弱帶有大量涌水地下水沖刷攜帶構(gòu)造面中填充物質(zhì)，分離巖體，有滲入壓力，能鼓開一定厚度斷層等軟弱帶，能導(dǎo)致圍巖塌方0.65～1.04．襯砌自重沿隧洞軸線1m長襯砌重量。普通依照襯砌厚度不同，沿洞線分段進行計算，以為自重是均勻作用在襯砌厚度平均線上，襯砌單位面積上自重強度為：（8-6）式中——襯砌材料重度，kN/m3；——襯砌厚度，m。應(yīng)考慮平均超挖回填某些。除上述重要荷載外，隧洞襯砌上還作用有灌漿壓力、溫度荷載和地震荷載等。由于對襯砌影響較小，荷載組合時均不予考慮。5．荷載組合襯砌計算時，應(yīng)依照荷載特點及同步作用也許性，按不同狀況進行組合。設(shè)計中慣用組合有：(1)正常運用狀況。山巖壓力+襯砌自重+宣泄設(shè)計洪水時內(nèi)水壓力+外水壓力。(2)施工、檢修狀況。山巖壓力+襯砌自重+也許浮現(xiàn)最大外水壓力。(3)非常運用狀況。山巖壓力+襯砌自重+宣泄校核洪水時內(nèi)水壓力+外水壓力。正常運用狀況屬于基本組合，用以設(shè)計襯砌厚度、配筋量和強度校校，其她狀況用作校核。工程中視隧洞詳細運用狀況還應(yīng)考慮其她荷載組合。（二）襯砌構(gòu)造計算襯砌構(gòu)造計算環(huán)節(jié)，重要涉及：選取襯砌型式并初步擬定其厚度；分別計算單位洞長上各種荷載產(chǎn)生內(nèi)力，并按不同荷載組合疊加；進行強度核核、擬定配筋量，鑒定初擬襯砌厚度與否合理并進行修改。下面簡介以內(nèi)水壓力為重要荷載，圍巖為Ⅰ、Ⅱ類,直徑不不不大于6m圓形有壓隧洞襯砌構(gòu)造計算?；炷梁弯摻罨炷烈r砌構(gòu)造不作為有嚴格防滲規(guī)定構(gòu)造。襯砌厚度計算辦法如下：1.混凝土襯砌求混凝土襯砌厚度h時，以均勻內(nèi)水壓力p作用下內(nèi)邊沿切向拉應(yīng)力不超過混凝土容許軸心抗拉強度[σhl]為限，計算公式如下：（8-7）（8-8）式中Rl——混凝土設(shè)計抗拉強度；Kl——混凝土抗拉安全系數(shù)，按表8-2選用。A——彈性特性因素；h——襯砌厚度；ri——隧洞內(nèi)徑。表8-2混凝土抗拉安全系數(shù)表荷載級別12、34、5荷載組合正常運用非常運用正常運用非常運用正常運用非常運用安全系數(shù)Kl2.11.81.81.61.71.52.鋼筋混凝土襯砌同樣，求鋼筋混凝土襯砌厚度h時，以均勻內(nèi)水壓力p作用下內(nèi)邊沿切向拉應(yīng)力不超過鋼筋混凝土容許軸心抗拉強度[σgh]為限，計算公式如下：（8－9）襯砌內(nèi)邊沿應(yīng)力，可按下式校核：（8－10）（8－11）式中Rf——混凝土設(shè)計抗裂強度；Kf——鋼筋混凝土構(gòu)造抗裂安全系數(shù)；F——沿洞線1m長襯砌混凝土縱斷面面積；Fn——F中涉及鋼筋在內(nèi)折算面積。如果由式（8－9）求出h為負值或不大于構(gòu)造最小厚度時，則應(yīng)采用構(gòu)造最小厚度，鋼筋可按構(gòu)造最小配筋率，對稱配備。當圍巖條件較差，或圓洞直徑不不大于6m時，不能只按內(nèi)水壓力設(shè)計襯砌。此時，應(yīng)當計算出均勻內(nèi)水壓力作用下內(nèi)力，然后與其她荷載引起內(nèi)力進行組合，再行設(shè)計。五、水工隧洞噴錨支護噴錨支護是噴混凝土支護與錨桿支護總稱。依照不同工程地質(zhì)條件和對支護規(guī)定，可以單獨或聯(lián)合使用，還可在噴層中加設(shè)鋼筋網(wǎng)。噴錨支護（錨噴支護）是配合新奧法（NewAustrianTunnellingMethod，縮寫為NATM）而逐漸發(fā)展起來一種新型支護方式。由于其具備許多長處，例如：能及時對圍巖進行加固,充分發(fā)揮圍巖自承作用，可節(jié)約材料和勞力，減少造價等，故自20世紀50年代以來，在國內(nèi)外礦山坑道、鐵路隧道等地下工程中獲得了廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)水利水電建設(shè)中，20世紀50年代也曾采用過噴錨修補隧洞襯砌和錨桿暫時支護洞室。隨著技術(shù)發(fā)展，在交通洞室、地下廠房、調(diào)壓井、導(dǎo)流隧洞中已逐漸推廣應(yīng)用，直至做為水工隧洞永久性支護（噴錨襯砌）。國內(nèi)采用噴錨支護水工隧洞已有數(shù)十項，其中，1971年建成回龍山引水隧洞，斷面為11m×11.1m城門洞形，總長646m，所有采用噴錨，至今運營良好。在長達9680m引灤入津引水隧洞中噴錨段總長5000m，是國內(nèi)采用噴錨支護最長水工隧洞。噴錨襯砌與老式現(xiàn)澆混凝土或鋼筋混凝土襯砌相比，前者噴層薄、柔性大，能與圍巖緊密貼結(jié)，圍巖承受內(nèi)水壓力百分數(shù)很高。幾種工程水壓實驗表白，當圍巖變形模量MPa時，圍巖能承擔(dān)80%～90％內(nèi)水壓力。但也由于噴層薄，且隨開挖巖面起伏不平，糙率較大。此外，大面積噴射，施工質(zhì)量難以控制，在內(nèi)水壓力及水流作用下，有也許引起滲漏及沖蝕。隨著工程實踐經(jīng)驗積累和科學(xué)實驗進展，噴錨支護必將得到更為廣泛應(yīng)用。噴錨支護有如下幾種類型：(1)噴混凝土支護[圖8-16(b)]。洞室開挖后，及時噴射混凝土使其與圍巖緊密貼結(jié)（加入早強劑可使混凝土不久凝固），可以有效地限制圍巖變形發(fā)展，發(fā)揮圍巖自承能力，改進支護受力條件?；炷猎趪娚鋲毫ο?，某些砂漿滲入圍巖節(jié)理、裂隙，可以重新膠結(jié)松動巖塊，能起到加固圍巖、堵塞滲水通道、彌補缺陷作用。(2)錨桿支護。依照洞室周邊地質(zhì)條件和也許破壞形式（局部性破壞或整體性破壞），采用局部錨桿加固或系統(tǒng)錨桿加固，對節(jié)理發(fā)育塊狀圍巖，運用錨桿可將不穩(wěn)定巖塊錨固于穩(wěn)定巖體上[圖8-16(a)]；對層狀圍巖，垂直于層面布置錨桿起組合伙用，可將巖層組合起來形成“組合梁”；對于軟弱巖體通過系統(tǒng)布置錨桿，可以加固節(jié)理、裂隙和軟弱面，形成承重環(huán)，使圍巖變形受到約束，達到圍巖自承狀態(tài)。(3)噴混凝土錨桿聯(lián)合支護。此種支護，用于強度不高和穩(wěn)定性較差巖體。兩者兼顧可加固錨桿之間不穩(wěn)定巖塊，達到穩(wěn)定巖體、保證洞室安全運營目。(4)噴錨加鋼筋網(wǎng)支護。對軟弱、碎裂圍巖，如噴混凝土錨桿支護仍感局限性時，可加設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，以改進圍巖應(yīng)力，使支護受力趨于均勻，提高噴層整體性及強度，并可減少溫度裂縫[圖8-16(c)，(d)]。第四節(jié)壩下涵管在土石壩水庫樞紐中，重要泄水建筑物應(yīng)是河岸溢洪道，底孔設(shè)計流量普通不大。當由于兩岸地質(zhì)條件或其她因素，不適當開挖隧洞時，可以采用壩下設(shè)涵管辦法來滿足泄、放水規(guī)定。壩下涵管構(gòu)造簡樸、施工以便、造價較低，故在小型水庫工程中應(yīng)用較多。但其最大缺陷是：如設(shè)計施工或運用管理不當，極易影響土石壩安全。由于管壁和填土是兩種不同性質(zhì)材料，如兩者結(jié)合不緊密，庫水就會沿管壁與填土之間接觸面產(chǎn)生集中滲流。特別是當管道由于壩基不均勻沉陷或連接構(gòu)造方面因素發(fā)生斷裂、漏水等狀況時，后果更加嚴重。實踐證明，管道滲漏是引起土石壩失事重要因素之一。因此壩下涵管不如隧洞運用安全，但如涵管能置于比較好基巖上，加上精心設(shè)計施工，是可以保證涵管及土石壩安全。在軟基上，除通過技術(shù)論證外，不得采用涵管式底孔。對于高壩和多地震區(qū)壩，在巖基上也應(yīng)盡量避免采用壩下涵管。一、涵管類型和位置選?。ㄒ唬蜗潞茴愋秃馨雌溥^流形態(tài)可分為：具備自由水面無壓涵管；滿水有壓涵管；閘門前段滿水但門后具備自由水面半有壓涵管。其管身斷面形式有圓形、圓拱直墻形（城門洞形）、箱形等。涵管材料普通為預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土和鋼筋混凝土或漿砌石。無壓涵管斷面形式如圖8－17所示。（二）涵管位置選取在進行涵管位置選取及布置時，應(yīng)綜合考慮涵管作用、地基狀況、地形條件、水力條件、與其她建筑物（特別是土壩）之間關(guān)系等因素，選取若干方案進行分析比較后擬定。在進行線路選取及布置時，應(yīng)注意如下幾種問題：(1)地質(zhì)條件。應(yīng)盡量將涵管設(shè)在巖基上。壩高在10m如下時，涵管也可設(shè)于壓縮性小、均勻而穩(wěn)定土基上。但應(yīng)避免某些是巖基，某些是土基狀況。(2）地形條件。涵管應(yīng)選在與進口高程相適當位置，以免過多挖方。涵管進口高程擬定，應(yīng)考慮運用規(guī)定、河流泥沙狀況及施工導(dǎo)流等因素。(3）運用規(guī)定。引水灌溉涵管，應(yīng)布置與灌區(qū)同岸，以節(jié)約費用；兩岸均有灌區(qū)，可在兩岸分設(shè)涵管。涵管最佳與溢洪道分設(shè)兩岸，以免水流干擾。(4)管線宜直。涵管軸線應(yīng)為直線并與壩軸線垂直，以縮短管長，使水流順暢。若受地形或地質(zhì)條件限制，涵管必要轉(zhuǎn)彎時，其彎曲半徑應(yīng)不不大于5倍管徑。二、涵管布置與構(gòu)造（一）涵管進口形式小型水庫壩下涵管，大多數(shù)是為灌溉引水而設(shè)，慣用型式如下。(1）分級斜臥管式。這種型式是沿山坡修筑臺階式斜臥管，在每個臺階上設(shè)進水口，孔徑10～50cm，用木塞或平板門控制放水。臥管最高處設(shè)通氣孔，下部與消力池或消能井相連（見圖8－18)。該型式進水口構(gòu)造簡樸，能引取溫度較高表層水灌溉。有助于作物生長。缺陷是容易漏水，木塞閘門運用管理不便。(2）斜拉閘門式。該型式與隧洞斜坡式進水口相似，如圖8-19所示。其優(yōu)缺陷與隧洞斜坡式進水口相似。(3)塔式和井式進水口。該型式適于水頭較高、流量較大、水量控制規(guī)定較嚴涵管，其構(gòu)造和特點與隧洞塔式進口基本相似。井式進口是將豎井設(shè)在壩體內(nèi)部，如圖8－20所示，以位置Ⅱ為佳。位置Ⅰ，如豎井和涵管結(jié)合處漏水，將使壩體浸潤線升高，并且豎井上游涵管檢修不便。位置Ⅲ，豎井穩(wěn)定性差，實際已成塔式構(gòu)造。豎井應(yīng)設(shè)于防滲心墻上游，以保證心墻整體性。（二）管身布置與構(gòu)造(1)管座。設(shè)立管座可以增長管身縱向剛度，改進管身受力條件，并使地基受力均勻，因此管座是防止管身斷裂重要構(gòu)造辦法之一。管座可以用漿砌石或低標號混凝土做成，厚度30～50㎝。管座和管身接觸面成90°～180°包角，接觸面上涂以瀝青或設(shè)油毛氈墊層，以減少管身受管座約束，避免因縱向收縮而裂縫。(2)伸縮縫。土基上涵管，應(yīng)設(shè)立沉陷縫，以適應(yīng)地基變形。良好巖基，不均勻沉陷很小，可設(shè)溫度伸縮縫。普通將溫度伸縮縫與沉陷縫統(tǒng)一考慮。對于現(xiàn)澆鋼筋混凝土涵管，伸縮縫間距普通為3～4倍管徑，且不不不大于15m，當管壁較薄設(shè)立止水有困難時，可將接頭處管壁加厚。對于預(yù)制涵管，其接頭即為伸縮縫，多用套管接頭，如圖8－21所示。(3)截滲環(huán)。為防止沿涵管外壁產(chǎn)生集中滲流，加長管壁滲徑，減少滲流坡降和減小流速，避免填土產(chǎn)生滲入變形，普通在涵管外側(cè)每隔10～20m設(shè)立一道截滲環(huán)。（三）涵管出口布置壩下涵管普通流量不大，水頭較低，多采用底流式消能。壓力明管一、壓力管道功用和類型壓力管道是指從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機輸送水量管道，其普通特點是坡度陡，內(nèi)水壓力大，承受水錘動水壓力，并且接近廠房，因而它必要是安全可靠。萬一發(fā)生事故，也應(yīng)有防止事故擴大辦法，以保證廠房設(shè)施和運營人員安全。壓力管道按材料可分為：(1)鋼管鋼管具備強度高、防滲性能好等許多長處，慣用于大中型水電站。水電站壓力鋼管有三種重要形式：布置在地面以上者稱明鋼管。布置于壩體混凝土中者稱壩內(nèi)鋼管。埋設(shè)于巖體中者則成地下埋管。(2)鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管具備造價低、可節(jié)約鋼材、能承受較大外壓和經(jīng)久耐用等長處，通慣用于內(nèi)壓不高中小型水電站。除普通鋼筋混凝土管外，尚有預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥和預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管等。普通鋼筋混凝土管因易于開裂，普通用在水頭H和內(nèi)徑D乘積HD<50m2狀況下；預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管HD值可超過200m2；預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管由于抗裂性能好，抗拉強度高，HD值可超過300m(3)鋼襯鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管是在鋼筋混凝土管內(nèi)襯以鋼板構(gòu)成。在內(nèi)水壓力作用下鋼襯與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可減小鋼襯厚度，合用于大HD值管道狀況。由于鋼襯可以防滲，外包鋼筋混凝土可按容許開裂設(shè)計，以充分發(fā)揮鋼筋作用。本節(jié)重要講明鋼管。二、壓力管道布置和供水方式（一）壓力管道布置壓力管道是引水系統(tǒng)一種構(gòu)成建筑物。壓力管道布置應(yīng)依照其形式、本地地形地質(zhì)條件和工程總體布置規(guī)定擬定，其基本原則可歸納如下：(1)盡量選取短而直路線。這樣不但可以縮短管道長度，減少造價，減小水頭損失，并且可以減少水錘壓力，改進機組運營條件。因而，明鋼管常敷設(shè)在陡峻山坡上，以縮短平水建筑物（如果有話）和廠房之間距離。(2)盡量選取良好地質(zhì)條件。明鋼管應(yīng)敷設(shè)在結(jié)實而穩(wěn)定山坡上，以免因地基滑動引起管道破壞。(3)盡量減少管道起伏波折，避免浮現(xiàn)反坡，以利管道排空；管道任何部位頂部應(yīng)在最低壓力線如下，并有2m裕度。若因地形限制，為了減少挖方而將明管布置成折線時，在轉(zhuǎn)彎處應(yīng)設(shè)鎮(zhèn)墩，管軸線曲率半徑應(yīng)不不大于3倍管徑。明鋼管底部至少應(yīng)高出地表0.6m，以便安裝檢修；若直管段超過150m，中間宜加鎮(zhèn)墩。地下埋管坡度應(yīng)便于開挖出碴和鋼管安裝檢修。(4)避開也許發(fā)生山崩或滑坡地區(qū)。明管應(yīng)盡量沿山脊布置，避免布置在山水集中山溝之中，若明管之上有墜石或也許崩塌峭壁，則應(yīng)事先清除。(5)明鋼管首部應(yīng)設(shè)事故閘門，并應(yīng)考慮設(shè)立事故排水和防沖設(shè)施，以免鋼管發(fā)生事故時危及電站設(shè)備和運營人員安全。（二）壓力管道供水方式水電站機組往往不止一臺，壓力管道也許有一根或數(shù)根，壓力管道向機組供水方式可歸納為三類。(1)單元供水每臺機組由一根專用水管供水，如圖8-22(a)，(b)所示。這種供水方式構(gòu)造簡樸，工作可靠，管道檢修或發(fā)生事故時，只影響一臺機組工作，別的機組可照常運營。這種布置方式除水頭較高和機組容量較大者外，普通只在進口設(shè)事故閘門，不設(shè)下閥門。單機供水所需管道根數(shù)較多，需要較多鋼材，合用于單機流量大或者壓力管道較短電站。壩內(nèi)鋼管普通較短，普通都采用單元供水。(2)集中供水所有機組集中由一根管道供水，如圖8-22（c）、(d）所示。用一根管道代替幾根管道，管身材料較省，但需設(shè)立構(gòu)造復(fù)雜分岔管，并需在每臺機組之前設(shè)立事故閥門，以保證在任意一臺機組檢修或發(fā)生事故時不致影響其她機組運營。這種供水方式靈活性和可靠性不如單元供水，一旦主管發(fā)生事故或進行檢修，需全廠停機，運營靈活性和可靠性較單元供水差。合用于水頭較高、流量較小，管道較長電站。地下埋管由于不適當平行開挖幾根近距離管井時，常采用這種供水方式。(3)分組供水采用數(shù)根管道，每根管道向幾臺機組供水，如圖8-22(e)，(f）所示。這種供水特點介于單元供水和集中供水之間，合用于壓力管道較長、機組臺數(shù)較多和容量較大狀況。無論采用聯(lián)合供水或者分組供水，與每根管道相連機組臺數(shù)普通不適當超過4臺。壓力管道可以從正面進入廠房，如圖8-22(a)，(c)，(e)所示，也可以從側(cè)面進入廠房，如圖8-22(b)，(d)，(f)所示。前者合用于水頭不高、管道不長或地下埋管狀況。對于明鋼管，若水頭較高，宜從側(cè)面進入廠房，在這種狀況下，萬一管道爆破，可使高速水流從廠外排走，以防危及廠房和運營人員安全。在集中供水和分組供水狀況下，管道從側(cè)面進入廠房也易于分岔。地下埋管爆破也許性較小，雖然爆破，由于受圍巖限制亦不易突然擴大，管道進入廠房方式常決定于管道及廠房布置需要。三、壓力管道水力計算和經(jīng)濟直徑擬定（一）水力計算壓力管道水力計算涉及恒定流計算和非恒定流計算兩種。1．恒定流計算恒定流計算重要是為了擬定管道水頭損失。管道水頭損失對于水電站裝機容量選取、電能計算、經(jīng)濟管徑擬定以及調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計算等都是不可缺少。水頭損失涉及摩阻損失和局部損失兩種。(1)摩阻損失管道中水頭損失與水流形態(tài)關(guān)于。水電站壓力管道中水流雷諾數(shù)Re普通都超過3400，因而水流處在紊流狀態(tài)，摩阻水頭損失可用曼寧公式或斯柯別公式計算。曼寧公式應(yīng)用以便，在國內(nèi)應(yīng)用較廣。該公式中，水頭損失與流速平方成正比，這對于鋼筋混凝土管和隧洞此類糙率較大水道是合用。對于鋼管，由于糙率較小，水流未能完全進入阻力平方區(qū)，但隨著時間推移，管壁因銹蝕糙率逐漸增大，按流速平方關(guān)系計算摩阻損失依然是可行。曼寧公式見水力學(xué)教材，此處從略。斯柯別推薦用如下公式計算每米長鋼管摩阻損失(8-12)式中——水頭損失系數(shù)，焊接管用0.00083；m——考慮水頭損失隨使用年數(shù)t增長而增大系數(shù)，清水取K=0.01，腐蝕性水可取K＝0.015。（2）局部損失在流道斷面急劇變化處，由于受邊界擾動，使水流與邊界之間及水流內(nèi)部形成旋渦，在水流強烈混摻和大量動量互換過程中，在不長距離內(nèi)導(dǎo)致較大能量損失，這種損失普通稱為局部損失。壓力管道局部損失發(fā)生在進口、門槽、漸變段、彎段、分岔等處。壓力管道局部損失往往不可忽視，特別是分岔損失有時也許達到相稱大數(shù)值。局部損失計算公式普通表達為（8-13）系數(shù)可查關(guān)于手冊。2．非恒定流計算管道中非恒定流現(xiàn)象普通稱為水錘。進行非恒定流計算目是為了推求管道各點動水壓強及其變化過程，為管道布置、構(gòu)造設(shè)計和機組運營提供根據(jù)。（二）管徑擬定壓力管道直徑應(yīng)通過動能經(jīng)濟計算擬定。在第七章中咱們已經(jīng)研究了擬定渠道和隧洞經(jīng)濟斷面辦法，其基本原理對壓力管道也完全合用，可以擬定幾種不同管徑方案進行比較，選定較為有利管道直徑，也可以將某些條件加以簡化，推導(dǎo)出計算公式直接求解。在可行性研究和初步設(shè)計階段，可用如下彭德舒公式來初步擬定大中型壓力鋼管經(jīng)濟直徑(8-14)式中——鋼管最大設(shè)計流量，m3/s；——設(shè)計水頭，m。四、鋼管管壁厚度壓力鋼管按其構(gòu)造又分為無縫鋼管、焊接管和箍管，其中焊接管應(yīng)用最普遍。焊接管是用鋼板按規(guī)定曲率輥卷成弧形，在工廠用縱向焊縫連接成管節(jié)，運到現(xiàn)場后再用橫向焊縫將管節(jié)連成整體。內(nèi)水壓力是鋼管重要荷載，縱縫受力較大，在工廠焊接后應(yīng)以超聲法或射線法作探傷檢查，以保證縱縫焊接質(zhì)量。在焊接橫縫時，應(yīng)使各管節(jié)縱縫錯開，見圖8-23。對于明管，縱縫不應(yīng)布置在橫斷面水平軸線和垂直軸線上，與軸線夾角應(yīng)不不大于10°，相應(yīng)弧線距離應(yīng)不不大于300mm。管壁厚度普通經(jīng)構(gòu)造分析擬定。管壁構(gòu)造厚度取為計算厚度加2mm銹蝕裕度?？紤]制造工藝、安裝、運送等規(guī)定，管壁最小構(gòu)造厚度不適當不大于下式擬定數(shù)值，也不適當不大于6mm。(8-15)式中D——鋼管直徑，mm。按內(nèi)水壓力計算管壁厚度為+2mm（8-16）式中為焊縫系數(shù)，雙面對接焊時，取0.95；單面對接焊、有墊板時，取0.90。管壁計算厚度還需進行抗外壓穩(wěn)定校核（不計2mm裕度）。光面明鋼管管壁能保持穩(wěn)定管壁厚,（8-17）式中D0——管徑。若無法滿足抗外壓穩(wěn)定規(guī)定，用設(shè)立加勁環(huán)辦法提高其抗外壓能力,普通較為經(jīng)濟。剛性環(huán)式鋼管抗外壓穩(wěn)定分析涉及剛性環(huán)間管壁和剛性環(huán)兩個某些穩(wěn)定分析：（1）剛性環(huán)間管壁穩(wěn)定分析地下埋管剛性環(huán)間管壁失穩(wěn)時，因剛性環(huán)存在，管壁屈曲波數(shù)普通較多，波幅較小。當前，設(shè)計規(guī)范規(guī)定臨界外壓仍采用明管相應(yīng)公式計算。剛性環(huán)間距為l，則對于剛性環(huán)中間管壁，可用米賽斯公式計算臨界外壓力：（8-18）（8-19）式中us一鋼材泊桑比，取0.3；—鋼材彈性模量；r—鋼管內(nèi)半徑；n—相應(yīng)于最小臨界壓力波數(shù)，取與計算值相近整數(shù)。（2）剛性環(huán)穩(wěn)定分析加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定臨界壓力按下列兩式中小值取用。(8-20)(8-21)式中—加勁環(huán)有效斷面重心軸線半徑，；—剛性環(huán)有效截面面積（㎜2），；h—剛性環(huán)高度（㎜）；a—剛性環(huán)厚度（㎜）；l—剛性環(huán)間距（㎜）。地下埋管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)Kc，對光面管管壁取2.0，剛性環(huán)和剛性環(huán)間管壁取1.8。五、明鋼管敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備（一）明鋼管敷設(shè)方式明鋼管普通敷設(shè)在一系列支墩上，底面高出地表不不大于0.6m，這樣使管道受力明確，管身離開地面也易于安裝、維護和檢修。在管道轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將管道固定，使其不能自由伸縮，相稱于梁固定端。依照明鋼管管身在鎮(zhèn)墩間與否持續(xù)，其敷設(shè)方式有持續(xù)式和分段式兩種。明鋼管宜做成分段式，在兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)伸縮節(jié)，如圖8-24所示。由于伸縮節(jié)存在，在溫度變化時，管身在軸向可以自由伸縮，由溫度變化引起軸向力僅為管壁和支墩間摩擦力和伸縮節(jié)摩擦力。為了減小伸縮節(jié)內(nèi)水壓力和便于安裝鋼管，伸縮節(jié)普通布置在管段上端，接近上鎮(zhèn)墩處。這樣布置也經(jīng)常有助于鎮(zhèn)墩穩(wěn)定。伸縮節(jié)位置可以依照詳細狀況進行調(diào)節(jié)。若直管段長度超過150m，可在其間加設(shè)鎮(zhèn)墩；若其坡度較緩，也可不加鎮(zhèn)墩，而將伸縮節(jié)置于該管段中部。（二）明鋼管支墩和鎮(zhèn)墩1．支墩支墩作用是承受水重和管道自重在法向分力，相稱于梁滾動支承，容許管道在軸向自由移動。減小支墩間距可以減小管道彎矩和剪力，但支墩數(shù)增長，故支墩間距應(yīng)通過構(gòu)造分析和經(jīng)濟比較擬定，普通在6～12m之間。大直徑鋼管可采用較小支墩間距。按管身與墩座間相對位移特性，可將支墩提成滑動式、滾動式和擺動式三種。(1)滑動式支墩滑動式支墩特性是管道伸縮時沿支墩頂部滑動，可分為鞍式和支承環(huán)式兩種。鞍式支墩如圖8-25(a)所示。鋼管直接安放在一種鞍形混凝土支座上，鞍座包角在120°左右。為了減小管壁與鞍座間摩擦力，在鞍座上常設(shè)有金屬支承面，并敷以潤滑劑。支承環(huán)式滑動支墩是在支墩處管身外圍加剛性支承環(huán)，用兩點支承在支墩上，這樣可改進支座處管壁應(yīng)力狀態(tài)，減小滑動摩阻，并可防止滑動時摩損管壁，如圖8-25(b）所示。但與滾動式支座相比，摩阻系數(shù)依然較大，合用于直徑200cm如下管道。(2)滾動式支墩滾動式支墩與上述支承環(huán)式滑動支墩不同之處，在于支承環(huán)與墩座之間有輥軸，如圖8-26所示，改滑動為滾動，從而使摩擦系數(shù)降為0.1左右，合用于直徑200cm以上管道。由于輥軸直徑不也許做得很大，因此輥軸與上下承板接觸面積較小，不能承受較大垂直荷載，使這種支墩使用受到限制。(3)擺動式支墩擺動式支墩特性是在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動短柱，如圖8-27所示。圖中擺柱下端與墩座鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)承板接觸，管道伸縮時，短柱以鉸為中心先后擺動。這種支墩摩阻力很小，能承受較大垂直荷載，合用于大直徑管道。2．鎮(zhèn)墩鎮(zhèn)墩普通布置在管道轉(zhuǎn)彎處，以承受因管道變化方向而產(chǎn)生不平衡力，將管道固定在山坡上，不容許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移，如圖8-24所示。在管道直線段，若長度超過150m，在直線段中間也應(yīng)設(shè)立鎮(zhèn)墩，此時伸縮節(jié)可布置在中間鎮(zhèn)墩兩側(cè)等距離處，以減小鎮(zhèn)墩所受不平衡力。鎮(zhèn)墩靠自身重量保持穩(wěn)定，普通用混凝土澆制。按管道在鎮(zhèn)墩上固定方式，鎮(zhèn)墩可分為封閉式（圖8-28)和開敞式（圖8-29)兩種。前者構(gòu)造簡樸，節(jié)約鋼材，對管道固定好，應(yīng)用較多；后者易檢修，但鎮(zhèn)墩處管壁受力不夠均勻，用于作用力不太大狀況。（三）明鋼管上閘、閥門和附件1．閘門及閥門壓力管道進口處常設(shè)立平面鋼閘門，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。平面鋼閘門價格便宜，便于制造，應(yīng)用較廣。平面鋼閘門可用到80m水頭或更高。在壓力管道末端，即蝸殼進口處，與否需要設(shè)立閥門則視詳細狀況而定：如系單元供水，水頭不高，或單機容量不大，而管道進口處又有閘門者，則管末可不設(shè)閥門，壩內(nèi)埋管普通如此；如為集中供水或分組供水，或雖系單元供水而水頭較高和機組容量較大時，則需在管道末端設(shè)立閥門。閥門類型諸多，有閘閥（平板閥）、蝴蝶閥、球閥、圓筒閥、針閥和錐閥等，但作為水電站壓力管道上閥門，最慣用是蝴蝶閥和球閥。(1)蝴蝶閥蝴蝶閥由閥殼和閥體構(gòu)成。閥殼為一短圓筒。閥體形似圓餅，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。當閥體平面與水流方向一致時，閥門處在啟動狀態(tài)；當閥體平面與水流方向垂直時，閥門處在關(guān)閉狀態(tài)，如圖8-30所示。蝴蝶閥操作有電動和液壓兩種，前者用于小型，后者用于大型。蝴蝶閥長處是啟閉力小，操作以便迅速，體積小，重量輕，造價較低；缺陷是在啟動狀態(tài)，由于閥體對水流擾動，水頭損失較大；在關(guān)閉狀態(tài)，止水不夠嚴密。它合用于直徑較大和水頭不很高狀況。蝴蝶閥有橫軸和豎軸兩種。前者構(gòu)造簡樸，水壓力合力偏于閥體中心軸如下，一旦閥體離開中間位置，即有自閉傾向，特別適于用作事故閥門，但因控制閥門啟閉接力器在閥門旁側(cè)，需要較大位置。后者接力器在閥頂，構(gòu)造緊湊，但需設(shè)推力軸承支撐閥體，較復(fù)雜。蝴蝶閥是當前國內(nèi)外應(yīng)用最廣一種閥門。國外最大直徑用到800cm以上，最大水頭用到200m。蝴蝶閥可在動水中關(guān)閉，但必要用旁通管上下游平壓后啟動，蝴蝶閥因止水不夠嚴密，不合用于高水頭狀況。(2)球閥球閥由球形外殼、可轉(zhuǎn)動圓筒形閥體及其她附件構(gòu)成。當閥體圓筒軸線與管道軸線一致時，閥門處在啟動狀態(tài)，如圖8-31(b)；若將閥體旋轉(zhuǎn)90°，使圓筒一側(cè)球面封板擋住水流通路，則閥門處在關(guān)閉狀態(tài)，如圖8-31(a)。關(guān)閉時，將小閥B關(guān)閉，在空腔A內(nèi)注入高壓水（可使之與上游管道相通），使球閥封板緊緊壓在下游管口閥座上，故止水嚴密。啟動時，先將小閥B打開，將空腔A中壓力水排至下游，并用旁通管向下游管道充水，形成反向壓力，使球面封板離開閥座，以減小旋轉(zhuǎn)閥體時阻力，和防止摩損止水。球閥長處是在啟動狀態(tài)時事實上沒有水頭損失，止水嚴密，構(gòu)造上能承受高壓；缺陷是構(gòu)造較復(fù)雜，尺寸和重量較大，造價高。球閥合用于高水頭電站水輪機前閥門。球閥可在動水中關(guān)閉，但必要用旁通管上下游平壓后方能啟動。2．附件明鋼管上附件有伸縮節(jié)、通氣閥、人孔和排水管等。(1)伸縮節(jié)依照功用不同，伸縮節(jié)可采用不同構(gòu)造型式。圖8-32(a）為單套筒伸縮節(jié)，這種伸縮節(jié)只容許管道在軸向伸縮；圖8-32(b)為雙套筒伸縮節(jié)，具備這種伸縮節(jié)管道除可作軸向伸縮外，還容許有微小角位移。這兩種均屬溫度伸縮節(jié)。如地基也許浮現(xiàn)較大變形，則應(yīng)采用溫度沉陷伸縮節(jié)，這種伸縮節(jié)除容許管道沿軸向自由變形外，還容許兩側(cè)管道發(fā)生較大相對轉(zhuǎn)角。溫度沉陷伸縮節(jié)與圖8-32(b)相似，只在管壁與填料接觸部位沿軸向做成弧形，以適應(yīng)管軸轉(zhuǎn)動。細部構(gòu)造參閱關(guān)于資料。(2)通氣閥通氣閥常布置在閥門之后，其功用與通氣孔相似。當閥門緊急關(guān)閉時，管道中負壓使通氣孔打開進氣；管道充水時，管道中空氣從通氣閥排出，然后運用水壓將通氣閥關(guān)閉。在也許產(chǎn)生負壓供水管路上，有時也需設(shè)通氣閥。(3)人孔人孔是工作人員進人管內(nèi)進行觀測和檢修通道。明鋼管人孔宜設(shè)在鎮(zhèn)墩附近，以便固定鋼絲繩、吊籃和布置卷揚機等。人孔在管道橫斷面上位置以便于進人為原則，其形狀普通做成450～500mm直徑圓孔。人孔間距視詳細狀況而定，普通可取150m。(4)排水及觀測設(shè)備管道最低點應(yīng)設(shè)排水管，以便在檢修管道時排除其中積水和閘閥漏水。大中型壓力管道應(yīng)有進行應(yīng)力、沉陷和振動（明管）、腐蝕與磨損等原型觀測設(shè)備。第六節(jié)埋管一、地下埋管地下埋管指埋設(shè)于巖體中并在管道和巖壁間充填混凝土之鋼管，斷面形式如圖8-33所示。地下埋管雖然增長了巖石開挖和混凝土襯砌費用，但與明鋼管相比，往往可以縮短壓力管道長度，省去支承構(gòu)造，在結(jié)實巖體中，可運用圍巖承擔(dān)某些內(nèi)水壓力，從而減小鋼襯厚度，節(jié)約鋼材。此外，地下埋管位于地下，受氣候等外界影響較小，運營安全可靠，在國內(nèi)大中型水電站中應(yīng)用較廣。(1)地下埋管布置形式地下埋管有豎井、斜井和平洞三種布置形式。豎井式管道軸線是垂直，慣用于首部開發(fā)地下電站。采用豎井式可使壓力管道縮至最短，從而減小水錘壓強和壓力管道工程量。雖然這樣做不可避免地會增長尾水隧洞長度，但在經(jīng)濟上往往依然是合理。豎井開挖、鋼管安裝和混凝土回填，普通都自下而上進行。斜井式管道軸線傾角不大于90°，對于地面式或地下式廠房均合用，在地下埋管中是采用最多一種。斜井傾角普通決定于施工規(guī)定。如斜井自上而下開挖，為了便于出碴，傾角不適當超過35°；若采用自下而上開挖，為了使爆破后石碴能自由滑落，傾角不適當不大于45°。平洞普通作過渡段使用。例如，上游引水道經(jīng)平洞過渡為豎井或斜井；豎井或斜井先轉(zhuǎn)為平洞再進入廠房，管道分岔也多在平洞某些；對于高水頭電站，斜井長度很大，為了使斜井開挖、鋼管安裝和混凝土回填等工作能分段同步進行，可在斜井中部恰當部位設(shè)立一種平段，并用交通洞與地面相通。地下埋管應(yīng)盡量布置在結(jié)實完整巖體之中，以便充分運用圍巖彈性抗力承擔(dān)內(nèi)水壓力。完整巖體透水性小，在水管放空時，鋼襯因外壓失穩(wěn)也許性也小。管道埋置深度以大些為宜，對于斜井和平洞，只有當垂直管軸方向新鮮巖石覆蓋厚度達到3倍開挖直徑時，才干考慮巖石彈性抗力。對于豎井，這一數(shù)值還應(yīng)獲得大些。(2)地下埋管構(gòu)造和構(gòu)造地下埋管工作特點相稱于一種多層襯砌隧洞。鋼襯功用是承擔(dān)某些內(nèi)水壓力和防止?jié)B入；回填混凝土功用是將某些內(nèi)水壓力傳給圍巖，因而，回填混凝土與鋼襯和圍巖必要緊密結(jié)合?；靥罨炷临|(zhì)量是地下埋管施工中一種核心。鋼管與巖壁間距在滿足鋼管安裝和混凝土澆筑規(guī)定前提下應(yīng)盡量減小，普通在50cm左右。普通說來，豎井回填混凝土質(zhì)量易于保證，斜井次之，平洞最難。在斜井和平洞中，鋼管兩側(cè)混凝土質(zhì)量較易保證，在頂、底拱處，平倉振搗困難，稀漿集中，易于形成空洞。國內(nèi)幾種電站地下埋管曾因外壓和內(nèi)壓導(dǎo)致破壞，破壞部位多位于平洞部位，這不是偶爾。由于混凝土凝固收縮和溫降影響，在鋼管和混凝土之間、混凝土與圍巖之間均也許存在一定縫隙，需進行灌漿。斜井和平洞頂部應(yīng)進行回填灌漿，壓力不不大于0.2Mpa,鋼管與混凝土、混凝土與巖壁之間有時也進行壓力不不大于0.2MPa接縫灌漿。對于不太完整圍巖，為了提高其整體性，增長彈性抗力，有時還進行固結(jié)灌漿，灌漿壓力與孔深視水頭大小和圍巖破碎狀況而定，壓力可達0.5～1.0MPa，孔深普通為2～4m。灌漿應(yīng)在氣溫較低時進行。鋼管與巖壁間混凝土除普通慣用澆筑辦法外，尚有預(yù)壓骨料灌漿法，后者最早于1960年在密云水庫白河電站高壓管道鋼管外壁混凝土回填和調(diào)壓井井壁接頭混凝土填筑采用過此項施工技術(shù)。在巖體破碎、地下水位較高地區(qū)，管道放空后，鋼襯也許因外壓而失去穩(wěn)定，國內(nèi)外地下埋管均有因而而破壞例子。解決辦法有二：一是離開管道一定距離打排水洞以減少地下水位，這是一種很有效辦法，有工程在回填混凝土中設(shè)排水管，但排水管在施工中易被堵塞，可靠性差；二是在鋼襯外設(shè)加勁環(huán)，或用錨件將鋼襯錨固在混凝土上。在襯砌周邊進行壓力灌漿，可減小鋼襯、混凝土與巖壁間初始縫隙，減小圍巖透水性，這些均有助于鋼襯抗外壓穩(wěn)定。(3)不用鋼襯地下管道為了節(jié)約投資和加快施工進度，取消鋼襯是近代埋藏式壓力管道設(shè)計一種發(fā)展方向。充分運用圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力是其設(shè)計指引思想。地下管道襯砌形式除鋼板襯砌外，尚有混凝土及鋼筋混凝土襯砌、預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌和具備防滲薄膜混凝土襯砌等。此襯砌與有壓引水隧洞中襯砌相似，只是其承受內(nèi)水壓力更大。二、壩身管道壩后式廠房壓力管道需穿過壩身，其布置形式重要有兩種：①管道埋于混凝土壩體之中，稱壩內(nèi)埋管；②管道上段穿過混凝土壩體后，沿壩下游面布置在壩體之外，稱為下游壩面管道，習(xí)慣上又常稱“壩后背管”或“背管”。此外，尚有布置在拱壩上游面管道。限于篇幅，此處只簡樸簡介壩身管道布置.(1)壩內(nèi)埋管壩內(nèi)埋管布置重要決定于進水口高程、壩型及壩體尺寸、水輪機安裝高程和廠房位置。壩內(nèi)埋管直徑可由式（8-9)初步擬定，由上而下可采用同一管徑，也可分段采用不同管徑。壩內(nèi)埋管經(jīng)濟流速普通為5～7m/s。由于管道布置在壩內(nèi)，回旋余地較小，故壩內(nèi)埋管彎管段曲率半徑可以小些，普通為直徑2～3倍。鋼管在壩體內(nèi)有兩種埋設(shè)方式。第一種是鋼管在壩體內(nèi)用軟墊層與壩體混凝土分開，鋼管基本上承受所有內(nèi)水壓力，周邊混凝土應(yīng)力則依照壩體荷載按壩內(nèi)孔口求出。這種埋設(shè)方式長處是受力較明確，壩身孔口應(yīng)力較小，不致引起混凝土開裂，鋼筋用量也較小，但鋼管按明管設(shè)計，需要較多鋼材，在高水頭大直徑狀況下，也許因鋼板太厚，在加工制造時需作消除應(yīng)力解決。第二種方式是將鋼管直接埋置在壩體混凝土中，兩者結(jié)為整體，共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，其工作狀況與地下埋管相似。對于第二種狀況，為了保證外圍混凝土與鋼管聯(lián)合受力，在兩者之間應(yīng)進行接觸灌漿。壩內(nèi)埋管施工辦法有兩種：第一種是安裝一段鋼管澆筑一層壩體混凝土，兩者互相配合，這樣做雖可省去二期混凝土工作，但鋼管安裝與壩體混凝土澆筑干擾較大，影響施工進度。第二種辦法是在澆筑壩體時預(yù)留鋼管槽，待鋼管在槽中安裝就緒后用混凝土回填，槽壁與鋼管間最小距離以能滿