水工建筑物第六章 水工隧洞

1、善舞紅袖傳飛鴻 莫言深閨空寂寞第六章 水工隧洞 在水利樞紐中為滿足泄洪、灌溉、發(fā)電等各項任務(wù)在巖層中開鑿而成的建筑物叫水工隧洞。 一、水工隧洞的特點 （一）結(jié)構(gòu)特點 在巖層中開挖隧洞后，引起洞孔附近應(yīng)力重新分布，巖體產(chǎn)生新的變形，嚴重的會導(dǎo)致巖石崩塌。圍巖除了產(chǎn)生作用在襯砌上的圍巖壓力以外，同時又具有承載能力，可以與襯砌共同承受內(nèi)水壓力等荷載。圍巖壓力與巖體承載能力的大小，主要取決于地質(zhì)條件。因此，應(yīng)使隧洞盡量避開軟弱巖層和不利的地質(zhì)構(gòu)造。第一節(jié) 概 述l（二）水流特點 1、樞紐中的泄水隧洞，其進口通常位于水下較處，屬深式泄水洞。 2、由于作用在隧洞上的水頭較高，流速較大，如果隧洞在彎道、漸變

2、段等處的體型不合適或襯砌表面不平整，都可能出現(xiàn)氣蝕而引起破壞，所以要求隧洞體型設(shè)計得當、施工質(zhì)量良好。 3、泄水隧洞的水流流速高、單寬流量大、能量集中，在出口處有較強的沖刷能力，必須采取有效的消能防沖措施。l（三）施工特點 隧洞洞身斷面小，施工場地狹窄，洞線長，施工作業(yè)工序多，干擾大，工期一般較長。尤其是兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞，其施工進度往往控制著整個工程的工期。因此，加快施工進度是隧洞工程建設(shè)中需要引起足夠的重視。l二、水工隧洞的類型l1.按用途分類 （1）泄洪洞：配合溢洪道宣泄洪水，保證安全。 （2）引水洞：引水發(fā)電、灌溉或供水。 （3）排沙洞：排放水庫泥沙，延長水庫的使用年限，有利于水電站的

3、正常運行。 （4）放空洞：在必要的情況下放空水庫。 （5）導(dǎo)流洞：在水利樞紐的施工期用來施工導(dǎo)流。l在設(shè)計水工隧洞時，應(yīng)根據(jù)樞紐的規(guī)劃任務(wù)，盡量考慮一洞多用，以降低工程造價。如施工導(dǎo)流洞與永久隧洞相結(jié)合，樞紐中的泄洪、排沙、放空隧洞的結(jié)合等。l2.按洞內(nèi)水流狀態(tài)分類 （1）有壓洞：工作閘門布置在隧洞出口，洞身全斷面被水流充滿，隧洞內(nèi)壁承受較大的內(nèi)水壓力。 （2）無壓洞：工作閘門布置在隧洞的進口，水流沒有充滿全斷面，有自由水面。 一般說來，隧洞可以設(shè)計成有壓的，也可設(shè)計成無壓的，也可設(shè)計成前段是有壓的而后段是無壓的。但應(yīng)注意的是，在同一洞段內(nèi)，應(yīng)避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替現(xiàn)象，以防止引

4、起振動、空蝕等不利流態(tài)。第二節(jié) 水工隧洞的布置和構(gòu)造l一、水工隧洞的布置l（一）水工隧洞的線路選擇 隧洞的路線選擇關(guān)系到工程造價、施工難易、工程進度、運行可靠性等方面。影響隧洞線路選擇的因素很多，如地質(zhì)、地形、施工條件等。隧洞的線路選擇主要考慮以下幾個方面的因素：地質(zhì)條件地形條件施工條件水流條件l1地質(zhì)條件 隧洞路線應(yīng)選在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、巖石堅硬的地區(qū)，盡量避開不利的地質(zhì)構(gòu)造，要盡量避開地下水位高、滲水嚴重的地段。洞線要與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要軟弱帶走向有較大的交角，對膠結(jié)緊密的厚巖層走向，其夾角不宜小于30，對薄層以及層間連接較弱，其夾角不小于45。 在高地應(yīng)力地區(qū)，洞線應(yīng)與最大

5、水平地應(yīng)力方向盡量一致，以減少隧洞的側(cè)向圍巖壓力。隧洞應(yīng)有足夠的覆蓋厚度，對于有壓隧洞，當考慮彈性抗力時，圍巖的最小覆蓋厚度不小于3倍洞徑。 在隧洞的進、出口處，圍巖的厚度往往較薄，一般情況下，進、出口頂部的巖體厚度不宜小于1倍的洞徑或洞寬。l2地形條件 隧洞的路線在平面上應(yīng)盡量短而直。如因地形、地質(zhì)、樞紐布置等原因需要轉(zhuǎn)彎時，對于低流速的隧洞彎道曲率半徑不應(yīng)小于5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)角不宜大于60，彎道兩端的直線段長度也不宜小于5倍的洞徑或洞寬。高流速的隧洞應(yīng)避免設(shè)置曲線段。l3.水流條件 隧洞的進口應(yīng)力求水流順暢，減少水頭損失。水流應(yīng)與下游河道平順銜接，與土石壩下游壩腳及其建筑物保持足夠距

6、離，防止出現(xiàn)沖刷。l4.施工條件 洞線選擇應(yīng)考慮施工出渣通道及施工場地布置問題。對于長隧洞，還應(yīng)注意利用地形、地質(zhì)條件布置施工支洞、斜洞、豎井，增加總工作面，加快施工進度。 此外，洞線選擇應(yīng)滿足樞紐總體布置和運行要求，避免在隧洞施工和運行中對其它建筑物產(chǎn)生干擾。l（二）水工隧洞的工程布置 隧洞進、出口的布置主要包括：進、出口和洞身及閘門的布置。 1、進、出口布置 （1）隧洞的進口高程應(yīng)根據(jù)隧洞的用途及實際運用要求來加以確定。 發(fā)電引水隧洞的進口，頂部高程應(yīng)在水庫最低工作水位以下0.51.0m，底部應(yīng)高出水庫淤沙高程最少1.0m以上。 灌溉隧洞的進口高程應(yīng)保證在水庫最低工作水位時，能引入設(shè)計流量

7、，應(yīng)滿足引水高程的要求，并應(yīng)與下游灌區(qū)布置在同一側(cè)。 排沙洞應(yīng)設(shè)置在需要排沙的發(fā)電、灌溉引水洞進口附近，其高程宜較低。 用于放空水庫和施工導(dǎo)流的隧洞進口高程一般都較低。 進口的進水方式有表孔溢流式和深水進口式兩種。前者的進口布置方式與岸邊溢洪道相似，只是用隧洞代替了泄槽，泄水時，洞內(nèi)為無壓流。具體布置見下圖 深式進水口的隧洞，可以是無壓的或有壓的。這種布置形式與重力壩上的泄水孔布置形式相似。l（2）隧洞的出口布置應(yīng)保證水流下泄安全，出流平穩(wěn)。 對于有壓隧洞，出口斷面面積應(yīng)小于洞身斷面積，以保持洞內(nèi)有較大的正壓。出口的斷面積宜收縮為洞身斷面的80%90%，收縮方式采用洞頂壓坡的形式。 隧洞的出口

8、應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較選擇消能防沖方式。對于高流速、高水頭、大流量的泄水隧洞，常為挑流消能。l2隧洞的縱坡選擇 有壓洞的縱坡主要取決于進出口高程，要求全線洞頂保持不小于2m的壓力水頭。有壓洞的底坡不宜采取平坡或反坡，因其會出現(xiàn)壓力余幅不足且不利于檢修排水。有壓洞的縱坡一般取為310。 無壓隧洞的縱坡應(yīng)根據(jù)水力計算加以確定，一般要求在任何運用情況下，縱坡均應(yīng)大于臨界坡度。l3. 閘門位置布置 檢修閘門設(shè)置在隧洞進口，一般要求在靜水中啟閉。工作閘門用來調(diào)節(jié)流量和封閉孔口，要求能 在動水中啟閉。 無壓洞的工作閘門布置在進口。為保證門后洞內(nèi)無壓流的流態(tài)，門后洞頂應(yīng)高出洞內(nèi)水面一定高度，并向門后通氣。 有壓

9、洞的工作閘門布置在出口。洞內(nèi)始終為有壓流，水流流態(tài)穩(wěn)定。具體布置見下圖。l4. 多用途隧洞的布置 為了減小工程量，降低工程造價，往往考慮一洞多用或臨時任務(wù)與永久任務(wù)相結(jié)合的布置方式。l(1)泄洪洞與導(dǎo)流洞合一布置在已建工程中較常采用。 導(dǎo)流洞的進口高程較低，而泄洪洞進口高程可以較高，常在施工導(dǎo)流任務(wù)完成后，將導(dǎo)流洞前段堵塞，而在原導(dǎo)流洞口的上方另設(shè)進口，由上部進口向后，隧洞底坡設(shè)計為拋物線形式，然后再接一反弧段與原導(dǎo)流洞相銜接。這種布置形式在工程上常形象地稱為龍?zhí)ь^形式。 (2)泄洪洞與發(fā)電洞合一布置 泄洪洞與發(fā)電洞的合一布置是在洞前段共用一洞，在后段分岔為兩個洞分別來泄洪與發(fā)電。對于泄洪量大

10、、經(jīng)常使用的泄洪洞或重要的水電站，不宜采用這種布置方式。l(3) 發(fā)電與灌溉隧洞的合一布置 發(fā)電與灌溉隧洞合一布置，水輪機尾水后接灌溉渠道，利用發(fā)電尾水進行灌溉。由于發(fā)電是經(jīng)常性的，而灌溉用水是季節(jié)性的，所以應(yīng)在發(fā)電尾水的后面設(shè)置一棄水設(shè)施，將不需灌溉時的發(fā)電尾水排入下游河道。有壓洞的工作閘門布置在出口布置圖有壓洞的工作閘門布置在出口布置圖l二、水工隧洞的布置和構(gòu)造l（一）進口段的形式和構(gòu)造 1進口建筑物的形式l（1） 豎井式 豎井式進口是進口附近的巖體中開鑿豎井。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要工作橋，不受風浪和冰的影響，抗震性及穩(wěn)定性好。構(gòu)造布置見下圖。l（2）塔式 塔式進口建筑物是獨立于隧洞的

11、進口處而不依靠山坡的塔，用工作橋與岸坡相連。其缺點是，受風浪、冰、地震的影響大，穩(wěn)定性相對較差，需要較長的工作橋。常用于岸坡巖石較差，覆蓋層較薄，不宜修建靠岸進口建筑物的情況。構(gòu)造布置見下圖。l（3）岸塔式 此種進口是靠在開挖后洞臉巖坡上的進水塔。塔身可以是直立的或傾斜的。岸塔式的穩(wěn)定性較塔式的好，不需工作橋。適用于岸坡較陡，巖體比較堅固穩(wěn)定的情況。構(gòu)造布置見下圖。l(4)斜坡式 斜坡式進水口是在較完整的巖坡上進行平整、開挖、護砌而修建的一種進水。優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，工程量小。缺點是，由于閘門傾斜，閘門不易依靠自重下降。斜坡式進口一般只用于中、小型工程。構(gòu)造布置見下圖。

12、l(5)組合式 在實際工程中常根據(jù)地形、地質(zhì)、施工等具體條件采用。如半豎井半塔式進水口，下部靠岸的塔式進水口等。具體布置見下圖。l2進口段的組成及構(gòu)造 進口段的組成包括：進水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管和漸變段等。 進水喇叭口：隧洞進口為頂板和邊墻順水流方向三向逐漸收縮的平底矩形斷面，形成喇叭口。收縮曲線常采用1/4橢圓曲線。l豎井式構(gòu)造布置圖l塔式構(gòu)造布置圖l岸塔式構(gòu)造布置圖l斜坡式構(gòu)造布置圖l組合式構(gòu)造布置圖 通氣孔：設(shè)在泄水隧洞進口或中部的閘門之后應(yīng)設(shè)通氣孔，其作用是： 在工作閘門各級開度下承擔補氣任務(wù)； 檢修時，在下放檢修閘門后，放空洞內(nèi)水流時補氣； 檢修完成后，向檢修閘門和工作閘門

13、之間充水時，通氣孔用以排氣。l通氣孔的上部進口必須與閘門啟閉機室分開設(shè)置，通氣孔風速應(yīng)保持在20 m/s左右為好。 平壓管：為了減小啟門力，往往要求檢修門在靜水中開啟。為此，常設(shè)置繞過檢修門槽的平壓管。 平壓管的尺寸根據(jù)所需的灌水時間（約8小時左右）。具體布置見下圖。 （4）攔污柵：進口處的攔污柵是為了防止水庫中的漂浮物進入隧洞。 （5）漸變段、閘門室：漸變段及閘門室等，可參見第二章第七節(jié)重力壩的深式泄水孔有關(guān)內(nèi)容。（二）洞身段的形式與構(gòu)造l1洞身斷面形式及尺寸l(1)無壓隧洞的斷面形式及尺寸 無壓隧洞多采用圓拱直墻形（城門洞）斷面。如圍巖條件較差還可以采用馬蹄形斷面。 無壓隧洞的斷面尺寸主要

14、根據(jù)其泄流能力要求及洞內(nèi)水面線來確定。 流速較低、通氣良好的隧洞，要求水面以上凈空不小于洞身斷面面積的15%25%，沖擊波波峰高不應(yīng)超過城門洞形斷面的直墻范圍。在確定隧洞斷面尺寸時，還應(yīng)考慮到洞內(nèi)施工和檢查維修等對最小尺寸的要求。l(2)有壓隧洞的斷面形式及尺寸 有壓隧洞由于內(nèi)水壓力較大，一般均采用圓形斷面。 有壓隧洞的斷面尺寸應(yīng)根據(jù)泄流能力要求以及沿程壓坡線情況來確定。l2洞身襯砌的類型及構(gòu)造 襯砌是指沿開挖洞壁而做的人工護壁，主要作用是： 阻止圍巖變形的發(fā)展，保證圍巖的穩(wěn)定； 承受圍巖壓力、內(nèi)水壓力和其它荷載；防止?jié)B漏； 保護圍巖免受水流、空氣、溫度、干濕變化等的沖蝕破壞作用； 平整圍巖，

15、減小表面糙率。 (1)襯砌的類型 1)平整襯砌（也稱護面）： 用混凝土、噴混凝土和漿砌石做成的護面，它不承受荷載，僅起到平整隧洞表面、減小糙率、防止?jié)B漏、保護巖石不受風化的作用。 2)單層襯砌：用混凝土、鋼筋混凝土做成。單層襯砌適用于中等地質(zhì)條件，隧洞斷面較大，水頭及流速較高的情況，混凝土和單層鋼筋混凝土襯砌的厚度不宜小于25cm，雙層鋼筋混凝土襯砌的厚度不宜小于30cm。 3)噴錨襯砌：噴錨襯砌是利用錨桿和噴混凝土加固圍巖措施的總稱，是逐漸發(fā)展起來的新型加固措施。 4)組合式襯砌：在開挖斷面周邊不同部位采用不同的襯砌材料組合而成。如內(nèi)層為鋼板、鋼筋網(wǎng)噴漿，外層為混凝土或鋼筋混凝土；如頂拱為混

16、凝土，邊墻和底板采用漿砌石。 5)預(yù)應(yīng)力襯砌 ：預(yù)應(yīng)力襯砌是對混凝土、鋼筋混凝土襯砌的外壁施加預(yù)壓應(yīng)力，以便在運用時抵消內(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力襯砌多用于高水頭有壓隧洞。l(2)襯砌的分縫與止水 在混凝土及鋼筋混凝土襯砌中，一般設(shè)有施工縫和永久性的橫向變形縫。 隧洞在穿過斷層、軟弱破碎帶以及和豎井交接處，襯砌需要加厚，應(yīng)設(shè)置橫向變形縫。 圍巖地質(zhì)條件比較均一的洞身段只設(shè)施工縫。一般分段長度為612m，底拱和邊拱、頂拱的環(huán)向縫不得錯開。縱向施工縫應(yīng)設(shè)置在襯砌結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力及剪應(yīng)力較小的部位。l(3)灌漿 1)回填灌漿： 回填灌漿是為了填充襯砌與圍巖之間的空隙，使之結(jié)合緊密，以改善傳力條件和減少滲

17、漏。 2)固結(jié)灌漿： 固結(jié)灌漿是為了加固圍巖，提高圍巖的整體性，減小圍巖壓力，保證巖石的彈性抗力，減小地下水對襯砌的壓力和減少滲漏。l(4)排水 設(shè)置排水是為了降低作用在襯砌外壁上的外水壓力。 對于無壓隧洞襯砌，當?shù)叵滤惠^高時，外水壓力成為襯砌的主要荷載。可在洞底設(shè)縱向排水管通向下游，或在洞內(nèi)水面線以上，通過襯砌設(shè)置排水孔，將地下水直接引入洞內(nèi)，排水孔間距、排距以及孔深一般為2-4m。 對于有壓圓形隧洞，可不設(shè)置排水設(shè)備。當外水位很高，外水壓力很大，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，為提高排水效果，可沿洞軸線每隔68m，設(shè)一道環(huán)向排水槽，環(huán)向排水槽可用礫

18、石鋪筑，將搜集滲水匯入縱向排水管。具體布置見下圖。 l（三）出口段及消能設(shè)施 有壓隧洞的出口常設(shè)有工作閘門及啟閉機室，閘門前有漸變段，出口之后即為消能設(shè)施。無壓隧洞出口僅設(shè)有門框，其作用是防止洞臉及其以上巖石崩塌，并與擴散消能設(shè)施的兩側(cè)邊墻相銜接。 泄水隧洞出口水流的特點是隧洞出口寬度小，單寬流量大，能量集中，所以常在出口處設(shè)置擴散段，使水流擴散，減小單寬流量，然后再以適當形式消能。l1挑流消能 當隧洞出口高程高于或接近下游水位，且地形地質(zhì)條件允許時，采用擴散式挑流消能比較經(jīng)濟合理，因為它結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，國內(nèi)外泄洪、排沙隧洞廣泛采用這種消能方式。l2底流消能 當隧洞出口高程接近下游水位時，

19、也可采用擴散式底流水躍消能。底流消能具有工作可靠、消能比較充分、對下游水面波動影響范圍小的優(yōu)點，但缺點是開挖量大、施工復(fù)雜、材料用量多、造價高。l3窄縫式挑坎消能 窄縫式挑坎消能為挑坎處采用收縮成窄縫的布置形式。窄縫式挑坎與等寬挑坎不同之處在于，它的挑角很小，一般取0，順水流方向，兩側(cè)邊墻向中心的顯著收縮使出水口處水流迅速加深，水舌的出射角在底部和表層差別很大，底部約0，表層可達45左右，因此水舌下緣挑距縮短，上緣挑距加大，水流挑射高度增加，使水流縱向擴散加大，減小了對河床單位面積上的沖擊動能，同時水舌在空中擴散時及入水時大量摻氣，在水舌進入水墊后氣泡上升，大大減輕了對下游河床的沖刷。l4洞中

20、突擴消能 洞中突擴消能也稱為孔板消能，它是在有壓隧洞中設(shè)置過流斷面較小的孔板，利用水流流經(jīng)孔板時突縮和突擴造成的漩滾，在水流內(nèi)部產(chǎn)生摩擦和碰撞，消減大量能量。 黃河小浪底水利樞紐中將導(dǎo)流洞改建為壓力泄洪洞，就采用了多級孔板消能方案，在直徑為D=14.5m的洞中布置了三道孔板，孔板間距為3D=43.5m，由導(dǎo)流洞改建的泄洪洞，經(jīng)過三級孔板消能，可將140m水頭消煞去60m水頭，洞內(nèi)平均流速僅10m/s。第三節(jié) 隧洞的運用管理 隧洞和涵管由于設(shè)計、施工、管理等方面的原因，可能出現(xiàn)裂縫、斷裂、漏水、空蝕及磨損破壞等現(xiàn)象，影響工程的正常運用。特別是壩下涵管的斷裂漏水，不僅影響水庫的興利，而且有可能引起

21、垮壩的重大事故， 所以，要加強經(jīng)常性檢查養(yǎng)護，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。l一、隧洞的檢查養(yǎng)護 隧洞的檢查養(yǎng)護內(nèi)容主要有以下幾個方面。 1、運用前要經(jīng)常檢查隧洞的襯砌或涵管有無變形、裂縫、漏水，出口部位有無異常潮濕和漏水現(xiàn)象，要及時分析原因并進行處理。 2、運用期間，隨著閘門的啟閉要密切注意觀察和傾聽洞內(nèi)有無異常響聲，要作好記錄；對于壩下涵管，要觀察其附近的上下游壩坡有無塌坑、裂縫或濕軟等現(xiàn)象。應(yīng)及時清理通氣孔吸入的雜物，確保其暢通。特別應(yīng)指出的是要正確操作運用，避免洞（管）內(nèi)出現(xiàn)明、滿交替的流態(tài)，閘門的啟閉均應(yīng)緩慢進行，避免流量的猛增猛減，防止洞內(nèi)產(chǎn)生超壓、負壓或水錘等不良現(xiàn)象，對于無壓洞嚴禁在受壓情

22、況下使用。 3、運用之后，要認真檢查洞或管壁有無蜂窩、麻面、有無裂縫和漏水的孔洞，出口消能設(shè)施有無損壞現(xiàn)象等，要分析其產(chǎn)生的原因，提出處理的方法。 閘門、啟閉機要經(jīng)常檢查、養(yǎng)護，以確保靈活、安全。 其它方面，如發(fā)生嚴重冰凍后，要防止冰凍對進水塔和進水口造成冰凍破壞，位于地震區(qū)的水庫，當發(fā)生五級以上的地震后，應(yīng)進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，禁止在建筑物附近采石爆破或炸魚，以免因振動引起隧洞或涵洞斷裂，對于洞頂巖石厚度小于3倍洞徑的情況，禁止在頂部堆放重物或修建其它建筑物，以免發(fā)生意外l二、隧洞常見的問題及處理l（一）隧洞常見問題及產(chǎn)生原因l1.隧洞襯砌開裂漏水 隧洞襯砌開裂漏水的主要原因有以下幾個方面。 設(shè)計不合理引起襯砌開裂。 施工質(zhì)量差。 運用管理不當。l2.隧洞的空蝕破壞 空蝕的產(chǎn)生與多種因素有關(guān)，其中，流速與邊界條件是兩個重要因素。目前常用的防空蝕措施主要包括：改善水流的邊界條件、選用抗空蝕的材料、控制閘門開度、通氣減蝕、摻氣減蝕及加強施工質(zhì)量控制等。 （1）輪廓體型曲線變化不當