水工隧洞概述講義（50頁(yè)）PPT

1、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(zhǎng)水庫(kù)使用年限，有利于水電站的正常運(yùn)行。例三門峽左岸排沙洞、二龍山右岸排沙洞。 （4）放空水庫(kù)：滿足人防和檢修。 （5）施工導(dǎo)流。如龍羊峽：1516m2；二灘：20.525.5m2；黑河金盆水庫(kù)：1013m2,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

2、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(kù),第一節(jié) 概述,一、水工隧洞的作用和類型,運(yùn)行條件上差別較大，應(yīng)避免出現(xiàn)時(shí)而有壓時(shí)而無(wú)壓的明滿流交替流態(tài)。 危害：（a）易引起振動(dòng)、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,有壓：水力計(jì)算時(shí)按管流計(jì)算。 無(wú)壓：明渠流計(jì)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(diǎn),QH1/2，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(dòng)會(huì)引起閘門

3、振動(dòng)。 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(diǎn)（進(jìn)口位于水下,2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（洞身處于地下,洞室開(kāi)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(shí)支護(hù)和永久性襯砌。 在運(yùn)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(diǎn),隧洞一般斷面小，洞線長(zhǎng)，工序多，干擾大，施工條件差，工期較長(zhǎng),3.施工特點(diǎn),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(wú)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

4、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(duì)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(shí)占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運(yùn)行期地下水位變化等對(duì)環(huán)境的影響和水土保持的要求,1.總體布置,第二節(jié) 水工隧洞的布置,一、水工隧洞的布置,1）隧洞的線路應(yīng)盡量避開(kāi)不利的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖可能不穩(wěn)定及地下水位高、滲流量豐富的地段

5、，以減少作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。 （2）在平面上應(yīng)力求短、直，這樣可以減少工程費(fèi)用，方便施工、減少水頭損失。另外，進(jìn)出口應(yīng)使水流盡量平順，且對(duì)其他建筑物無(wú)影響,2.線路選擇,泄水隧洞的線路選擇是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，關(guān)系到工程造價(jià)、施工難易、工期長(zhǎng)短和運(yùn)行可靠性等方面,對(duì)于無(wú)壓隧洞，轉(zhuǎn)彎時(shí)：當(dāng)V20m/s，R5B（5D）； 當(dāng)V20m/s，R3B（3D）。 轉(zhuǎn)角60。 彎道兩端的直線段S5B（5D,3）隧洞應(yīng)有一定的埋藏深度 進(jìn)、出口：頂部巖體厚度1B（1D）。有壓隧洞洞身，圍巖厚度3D，或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)：有襯砌時(shí)圍巖厚度T0.4H（H為內(nèi)水壓力水頭）；不襯砌或錨噴襯砌：圍巖厚度T1.0H。還

6、應(yīng)滿足不發(fā)生滲流失穩(wěn)和水力劈裂要求,4）縱坡：應(yīng)根據(jù)運(yùn)用要求、用途、上下游銜接、施工和檢修等因素綜合分析比較后確定。 無(wú)壓洞：iik； 有壓洞：取決于進(jìn)口高程和出口高程，要求保持不小于2m的壓力水頭。不宜采用平坡或反坡，因其不利于檢修排水,第二節(jié) 水工隧洞的布置,一、水工隧洞的布置,2.線路選擇,5）對(duì)于長(zhǎng)隧洞，應(yīng)利用地形、地質(zhì)條件、布置一些施工支（平）洞、斜井、豎井，以增加工作面，加快施工進(jìn)度。例引灤入津工程在9.68km的引水隧洞中布置了15個(gè)斜支洞、4個(gè)豎井，將整個(gè)隧洞分成20份，9680/20=484m,第二節(jié) 水工隧洞的布置,一、水工隧洞的布置,2.線路選擇,第二節(jié) 水工隧洞的布置,

7、二、閘門在隧洞中的布置,一般布置工作閘門、檢修閘門兩道門（或事故閘門,1）檢修閘門：一般設(shè)在進(jìn)口，要求能在短期內(nèi)擋水，在靜水中啟閉，所有隧洞都應(yīng)設(shè)檢修閘門。 （2）事故閘門：位于檢修門上游，用以在發(fā)生事故時(shí)快速關(guān)閉（快速閘門）。要求在動(dòng)水中關(guān)閉，靜水中開(kāi)啟，一般大型工程中采用。 （3）事故檢修門：具備檢修閘門和事故閘門的特點(diǎn)，因此可在動(dòng)水中關(guān)閉，靜水中開(kāi)啟,4）工作閘門：工作閘門設(shè)在進(jìn)口一般為無(wú)壓洞 優(yōu)點(diǎn)：工作門和檢修門都設(shè)在進(jìn)口，工作門后為無(wú)壓洞，洞內(nèi)不受內(nèi)水壓力作用，有利于邊坡穩(wěn)定； 檢修門和工作門都在首部，運(yùn)行管理方便； 易于檢修和維修。 缺點(diǎn)：對(duì)工作門后隧洞布置要求較高，如若設(shè)置彎道，

8、其流態(tài)差，易產(chǎn)生折沖水流； 對(duì)工作門后隧洞內(nèi)流速有一定要求，若流速高則易發(fā)生空蝕破壞。如李家峽導(dǎo)流洞：V=14.5m/s左右，邊壁發(fā)生嚴(yán)重破壞,第二節(jié) 水工隧洞的布置,二、閘門在隧洞中的布置,工作閘門設(shè)在出口多為有壓洞 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)洞內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)； 隧洞洞線布置適應(yīng)性強(qiáng)（可設(shè)彎道）； 閘門控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理方便； 缺點(diǎn)：由于檢修閘門和工作閘門分別在進(jìn)口和出口，故運(yùn)行管理不便； 洞內(nèi)為有壓流，一旦襯砌漏水對(duì)巖坡和土壩建筑物將造成危害,第二節(jié) 水工隧洞的布置,二、閘門在隧洞中的布置,第二節(jié) 水工隧洞的布置,二、閘門在隧洞中的布置,布置在洞身某一位置（門前有壓，門后無(wú)壓） 由于隧洞線路平面上需要轉(zhuǎn)

9、彎，工作閘門室設(shè)在轉(zhuǎn)彎后，彎道為有壓，直線段為無(wú)壓。例三門峽排沙、泄洪洞；東江右岸泄洪洞；碧口左岸泄洪洞。 洞內(nèi)某處較出口處的地質(zhì)條件好，工作閘門布置在洞中，可以利用巖體承受閘門傳輸?shù)乃屏?三門峽1#泄洪排沙洞,第二節(jié) 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的布置,前期為導(dǎo)流洞，后期為泄洪洞。常作成“龍?zhí)ь^”式，在進(jìn)口之后用拋物線段、斜坡段及反弧段與較低的洞身相連接。“龍?zhí)ь^”式泄洪洞，一般是水頭高，流速大，反弧及下游易遭空蝕破壞，為了避免空蝕，應(yīng)做好體形設(shè)計(jì)，控制施工質(zhì)量，限制不平整度，并選用適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施。采用“龍?zhí)ь^”形式的如：劉家峽、碧口、石頭河、毛家村等工程,1.導(dǎo)流洞與泄洪洞合一布置

10、,第二節(jié) 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的布置,1）主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞發(fā)電（岔洞發(fā)電），如碧口水電站。洞內(nèi)流態(tài)較好，岔尖附近的負(fù)壓相對(duì)較小，發(fā)電支洞回流強(qiáng)度弱，范圍也小。但泄洪時(shí)，由于洞內(nèi)流速加大，有效水頭降低，出力相應(yīng)減小。 （2）主洞發(fā)電、支洞泄洪,2.泄洪洞與發(fā)電洞合一布置,存在問(wèn)題： （1）岔尖處的水流流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生不利負(fù)壓和空蝕。 （2）泄洪時(shí)對(duì)發(fā)電不利。分岔角一般在3060之間,第二節(jié) 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的布置,發(fā)電與灌溉洞合一。發(fā)電后的尾水用于灌溉。由于發(fā)電要求經(jīng)常供水，而灌溉用水是季節(jié)性的，因此這種布置的主要問(wèn)題是用水上的矛盾。 泄洪與排沙隧洞合一。由于

11、排沙洞的進(jìn)口高程較低，施工期還可結(jié)合導(dǎo)流，導(dǎo)流完成后改建為泄洪排沙洞。但對(duì)于高水頭情況，在設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真研究高流速含沙水流的沖蝕、磨損及消能問(wèn)題,3.其他任務(wù)隧洞的合一布置,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,豎井式進(jìn)水口是在隧洞進(jìn)口附近的巖體中開(kāi)挖豎井，井壁襯砌，閘門設(shè)在井的底部，井的頂部布置啟閉機(jī)械及操縱室,1.豎井式,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受風(fēng)浪、水的影響，抗震及穩(wěn)定好，地形條件適宜時(shí)，工程量較小。 缺點(diǎn)：豎井開(kāi)挖較困難，豎井前的一段隧洞

12、檢修不便。 適用：地質(zhì)條件較好、巖體比較完整的情況,1.豎井式,獨(dú)立于隧洞首部而不依靠巖坡的封閉式塔或框架式塔，塔底裝設(shè)閘門。封閉式塔斷面：大、中型工程多采用矩形，也有圓形和多邊形,2.塔式,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,2.塔式,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)挖量小，可在不同高程設(shè)取水口。 缺點(diǎn)：受風(fēng)浪、地震、冰的影響大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要工作橋與庫(kù)岸相連，施工安裝不方便。 適用：岸坡地形較低緩，巖石較差，覆蓋層較厚,靠在開(kāi)挖后洞臉巖坡上直立的或傾斜的

13、進(jìn)水塔。 優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性比塔式好；無(wú)須接岸橋梁，施工、安裝比較方便。 缺點(diǎn)：受風(fēng)浪、冰、地震有一定影響。 適用：岸坡較陡，巖體比較堅(jiān)固穩(wěn)定的情況,3.岸塔式,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,4.斜坡式,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,在較為完整的巖坡上進(jìn)行平整開(kāi)挖、護(hù)砌而成的一種進(jìn)水口。例：響洪甸、磨子潭泄洪洞。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，工程量小。 缺點(diǎn)：閘門面積加大，關(guān)門時(shí)不易靠自重下降。 適用：中、小型工程，或只用于安設(shè)檢修閘門的進(jìn)水口,5.組合式

14、,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,一、進(jìn)口建筑物,進(jìn)口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式,三門峽1#泄洪排沙洞,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,二、進(jìn)口段的組成,位置：在隧洞的首部。要求： 其體形與孔口水流的形態(tài)相適應(yīng)，使水流平順通過(guò)，而不致脫壁； 避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞； 減少局部水頭損失，以提高泄流能力。 體型：常采用矩形斷面，頂板和邊墻順?biāo)鞣较蛉媸湛s，平底。喇叭口的頂板和邊墻常采用橢圓曲線，其方程為,進(jìn)口段包括：進(jìn)水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管、漸變段等幾個(gè)部分組成,1.進(jìn)水喇叭口,第三節(jié) 隧洞的進(jìn)出、口建筑物,二、進(jìn)口段的組成,2.通氣孔,1）位置：設(shè)在泄水隧洞進(jìn)口或

15、中部的工作閘門之后。 設(shè)在檢修門和工作門之間。 （2）作用：工作閘門在各級(jí)開(kāi)度情況下：補(bǔ)氣 檢修時(shí)：補(bǔ)氣。 檢修完畢，工作閘門和檢修門之間充水平壓，此時(shí)排氣,3）布置上注意點(diǎn)：通氣孔的進(jìn)口必須與閘門啟閉機(jī)室分開(kāi)，因?yàn)檫M(jìn) 口處氣流速度大，以免在補(bǔ)氣、排氣時(shí)，影響工作人員的安全。 Va4045m/s 通氣孔應(yīng)力求減少轉(zhuǎn)彎，突變，以減少阻力,第四節(jié) 隧洞洞身段,一、洞身斷面形式,1.無(wú)壓洞,1）城門洞形（圓拱直墻形） 優(yōu)點(diǎn)：施工（開(kāi)挖、立模、襯砌）簡(jiǎn)單，為渠道上的隧洞其進(jìn)出口與渠道連接也簡(jiǎn)單。 頂拱中心角：90180。 適用：垂直山巖壓力較大，而無(wú)側(cè)向山巖壓力或側(cè)向山巖壓力很小的情況。為減小或消除側(cè)

16、向山巖壓力，可把邊墻作成傾斜的,第四節(jié) 隧洞洞身段,一、洞身斷面形式,1.無(wú)壓洞,2）馬蹄形（由三個(gè)不同半徑的圓弧組成） 適用：巖石比較軟弱破碎，垂直山巖壓力和側(cè)向山巖壓力均較大情況,3）圓形 適用：圍巖條件較差，且外水壓力較大，掘進(jìn)機(jī)施工。 （4）蛋形,第四節(jié) 隧洞洞身段,一、洞身斷面形式,2.有壓洞,1）圓形：水流條件和受力條件均有利；在面積一定的條件下，圓形過(guò)流能力最大。 （2）也可以采用無(wú)壓洞的斷面形式在圍巖較好，內(nèi)水壓力不大時(shí)，為了施工方便,洞身斷面尺寸，可根據(jù)給定的泄流量，作用水頭及縱斷面布置，通過(guò)必要的水力計(jì)算及水工模型試驗(yàn)確定。另外，在確定隧洞斷面尺寸時(shí)，還應(yīng)考慮到洞內(nèi)施工和檢

17、查維修等方面的需要，圓形斷面的內(nèi)徑不小于1.8m，非圓形洞的斷面不小于1.5m1.8m,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,1.襯砌的作用,1）阻止圍巖變形的發(fā)展，保證圍巖穩(wěn)定； （2）承受山巖壓力、內(nèi)水壓力及其它荷載； （3）防滲漏； （4）保護(hù)巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化等的沖蝕破壞作用； （5）減小隧洞的表面糙率等,按襯砌目的分：平整襯砌、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類圍巖采用素混凝土襯砌，4、5類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,3.襯砌分縫,分縫原因：混凝土或鋼筋混凝土襯砌在施工和運(yùn)用期： 由于混凝土的干縮和溫度

18、應(yīng)力可能產(chǎn)生裂縫； 當(dāng)隧洞穿過(guò)地質(zhì)條件變化顯著地區(qū)（通過(guò)斷層、破碎帶及其它軟弱地帶）可能由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫； 施工只能是分塊分段澆筑,1）施工縫（臨時(shí)） 橫向（垂直軸線）：間距由澆筑能力定； 縱向（平行軸線）：根據(jù)澆筑能力，縫設(shè)在頂拱、邊墻及底板分界處或是內(nèi)力較小部位； 施工縫：需進(jìn)行鑿毛處理或設(shè)插筋以加強(qiáng)其整體性,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,3.襯砌分縫,2）伸縮縫（永久）：防止混凝土干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。間距：612m，縫中設(shè)止水。 （3）沉降縫（永久）：設(shè)置部位： 通過(guò)斷層破碎帶或軟弱帶：襯砌加厚，厚度突變處； 洞身與進(jìn)口漸變段等接頭處，可能產(chǎn)生較大位移的地段。 縫中設(shè)

19、止水，填瀝青油氈或其他填料。 實(shí)際工程中：橫向施工縫、沉降縫、伸縮縫，盡量結(jié)合在一起,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,4.灌漿,目的：為了充填襯砌與圍巖之間的空隙，使之緊密結(jié)合，共同工作，改善傳力條件和減少滲漏。 做法：在頂拱部位預(yù)留灌漿管，在襯砌完成后，通過(guò)預(yù)埋管進(jìn)行灌漿。 范圍：一般在頂拱中心角90120以內(nèi)。 孔距、排距：一般為26m（深入巖體5cm）。 灌漿壓力：混凝土襯砌0.20.3MPa；鋼筋混凝土襯砌0.30.5MPa。（過(guò)高會(huì)破壞襯砌結(jié)構(gòu),1）回填灌漿,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,4.灌漿,2）固結(jié)灌漿,目的：在于加固圍巖，提高圍巖的整體性和承載能力，減小滲漏。 范圍：

20、整個(gè)斷面。 孔深：入巖25m，對(duì)于圍巖條件差的地段或直徑較大的隧洞達(dá)610m。 排距：24m，每排不宜少于6孔，作對(duì)稱布置。 灌漿壓力：一般采用0.41.0MPa或更大，對(duì)于有壓隧洞可用1.52.0H(H為內(nèi)水壓力,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,4.灌漿,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,5.排水,作用：降低作用在襯砌上的外水壓力。 （1）有壓洞：外水壓力一般不控制襯砌設(shè)計(jì)，僅在外水壓力較大時(shí)設(shè)置排水。 （2）無(wú)壓洞：外水壓力較大時(shí)，設(shè)置排水（徑向、縱向） 徑向：在洞內(nèi)水面線上通過(guò)襯砌設(shè)置排水孔 排水孔距、排距一般為24m 深入巖體24m，將地下水引入洞內(nèi)。 在洞內(nèi)水面下也有設(shè)置排水孔（如劉家峽電站導(dǎo)流洞），因?yàn)樗矶捶趴蘸?，底板及?cè)墻難以滿足抗浮穩(wěn)定,第四節(jié) 隧洞洞身段,二、洞身襯砌,5.排水,總之，有壓洞的外水壓力能抵消一部分內(nèi)水壓力，除外水壓力起控制作用的特殊情況外，一般不需設(shè)排水，特別是有壓洞覆蓋層厚的進(jìn)口附近，地質(zhì)較差的地段，圍巖內(nèi)存在易溶填充物，不宜設(shè)排水，而應(yīng)加強(qiáng)固結(jié)灌漿,第五節(jié) 隧洞出口段及消能設(shè)施,一、出口段的布置,1.無(wú)壓洞： 出口僅設(shè)有門框（以防洞臉及上部巖石崩塌），并與消能設(shè)施的兩側(cè)邊墻銜接。 2.有壓洞 出口常設(shè)工作閘門、啟閉機(jī)室。閘門前有漸變段（洞圓門方），出門之后為消能設(shè)施，為避免負(fù)壓，常采用斷面收縮的方法