水工隧洞的布置、荷載計(jì)算與支護(hù)設(shè)計(jì)

1、水工隧洞的布置、荷載計(jì)算與支護(hù)設(shè)計(jì)1 概述2 水工隧洞的布置3 水工隧洞進(jìn)口段4 水工隧洞洞身段5 水工隧洞出口段及消能設(shè)施6 高流速泄水隧洞的水流脈動(dòng)壓力與空蝕7 水工地下洞室的圍巖穩(wěn)定性8 水工隧洞襯砌的荷載及荷載組合9 水工隧洞的襯砌計(jì)算與支護(hù)設(shè)計(jì)（1）按功用分類泄洪洞引水發(fā)電和尾水洞灌溉和供水洞放空和排沙洞施工導(dǎo)流洞一洞多用原則：應(yīng)根據(jù)樞紐任務(wù)，盡量設(shè)計(jì)為多用途隧洞，以降低工程造價(jià)。 2. 類型 有壓隧洞：按管流計(jì)算。 無(wú)壓隧洞：按明渠流計(jì)算。 引水發(fā)電隧洞一般是有壓洞；灌溉輸水隧洞常為無(wú)壓洞；同一條隧洞可以設(shè)計(jì)成前段有壓、后段無(wú)壓。 在同一洞段，應(yīng)避免時(shí)而有壓時(shí)而無(wú)壓的明滿流交替流態(tài)

2、，其危害：a）易引起振動(dòng)、空蝕；b）影響泄流能力。究竟選用有壓或是無(wú)壓隧洞，應(yīng)根據(jù)工程任務(wù)、地形地質(zhì)及水頭等條件，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。（2）按流態(tài)分類二、水工地下洞室的工作特點(diǎn) 泄水隧洞大多數(shù)是深式進(jìn)口，QH1/2，超泄能力不如表孔；但進(jìn)口位置低，可以提前預(yù)泄。 承受水頭H高，P較大，閘門需啟閉力大，止水要求嚴(yán)格。 流速v較大，易引起空化、空蝕，脈動(dòng)會(huì)引起閘門振動(dòng)。 出口單寬流量q較大，需采取適當(dāng)?shù)南芊罌_設(shè)施。1. 水力特點(diǎn)（進(jìn)口位于水下）隧洞為地下結(jié)構(gòu)，洞室開(kāi)挖引起應(yīng)力重分布，可能導(dǎo)致圍巖變形甚至崩塌，為此，常需設(shè)置臨時(shí)支護(hù)和永久性襯砌，以承受圍巖壓力。隧洞可能承受較大的內(nèi)水壓力和外水壓

3、力，要求有足夠的圍巖厚度和必要的襯砌。須做好地質(zhì)勘探工作，盡量避開(kāi)不利的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)地段。2. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（洞身處于地下）隧洞一般斷面小，洞線長(zhǎng)，施工工序多，干擾大，施工條件差，工期長(zhǎng)。例：馮家山12.6km；引黃南線7洞長(zhǎng)42.9km；昆明掌鳩河洞長(zhǎng)100km。施工導(dǎo)流隧洞或兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞，其施工進(jìn)度往往控制整個(gè)工程的工期。采用先進(jìn)施工方法，改善施工條件，加快施工進(jìn)度，提高施工質(zhì)量是隧洞建設(shè)中值得研究的重要課題。3. 施工特點(diǎn)水工隧洞的組成（圖8-2）(1)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。(2)洞身段：輸送水流。一般需進(jìn)行襯砌。(3)出口段：連接消能設(shè)施

4、。 無(wú)壓隧洞的出口一般僅設(shè)門框； 有壓隧洞的出口一般設(shè)漸變段和工作閘門室。三、水工隧洞的組成水工隧洞的建設(shè)和研究現(xiàn)狀水工隧洞的建設(shè)規(guī)模不斷加大。近年來(lái)在設(shè)計(jì)理論、施工方法和建筑結(jié)構(gòu)等各方面有了新的發(fā)展，但因水工隧洞屬地下結(jié)構(gòu)，影響其工作狀態(tài)的因素多而復(fù)雜，一些作用力的計(jì)算和設(shè)計(jì)理論還存在與實(shí)際不太相符的假定，有待完善和提高。水工隧洞雖然任務(wù)不同，工作條件不同，但設(shè)計(jì)方法基本相同。為此，本章重點(diǎn)講述泄水隧洞的布置、結(jié)構(gòu)型式、構(gòu)造和襯砌計(jì)算方法等。一、隧洞布置1.總體布置 (1)應(yīng)根據(jù)樞紐任務(wù)、泄洪流量、地形、地質(zhì)、施工、運(yùn)行等條件，對(duì)泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃和綜合研究，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。當(dāng)同

5、時(shí)采用溢洪道和泄水隧洞時(shí)，宜分別布置于兩岸，以便于施工和運(yùn)行。 (2)在合理選定隧洞路線（洞線）基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進(jìn)口位置及其結(jié)構(gòu)形成，確定閘門在隧洞中的位置。8.2 水工隧洞的布置 (3)確定洞身縱坡i、橫斷面形狀及尺寸。 (4)根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位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。2.洞線選擇洞線選擇十分關(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。應(yīng)在地質(zhì)勘測(cè)基礎(chǔ)上，擬定不同洞線方案，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選后確定。洞線選擇的原則和要求（1）洞線應(yīng)

6、盡量避開(kāi)不利的地質(zhì)構(gòu)造、不穩(wěn)定圍巖及地下水位高、滲水量豐富的地段，以減小作用于襯砌上的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)理面有較大的交角（不小于3045）。在高地應(yīng)力地區(qū)，應(yīng)使洞線與最大水平地應(yīng)力方向有較小交角，以減小隧洞的側(cè)向圍巖壓力。隧洞進(jìn)、出口應(yīng)選在覆蓋層、風(fēng)化層淺，巖石比較堅(jiān)固完整的地段，避開(kāi)有嚴(yán)重的順坡卸荷裂隙、滑坡或危巖地帶。轉(zhuǎn)彎要求:彎道兩端的直線段長(zhǎng)度S5B（5D）。無(wú)壓隧洞：低流速v 20m/s時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑R5B（5D），轉(zhuǎn)角60o；高流速時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)角最好通過(guò)試驗(yàn)確定。有壓隧洞：低流速v20m/s時(shí)，R3B（3D），轉(zhuǎn)角60o；高流速時(shí)，水流流態(tài)特別不

7、利，應(yīng)力求采取直線布置。進(jìn)、出口要求:進(jìn)口要力求水流順暢，否則會(huì)減小泄流能力，引起不利的流態(tài)或間歇性漩渦。出口水流應(yīng)能與下游河道平順銜接，并與其它建筑物保持一定距離，以防沖刷和影響樞紐正常運(yùn)行。 （2）洞線在平面上應(yīng)力求短直，這樣既可減小工程費(fèi)用，方便施工，且有良好的水流條件。若因地形、地質(zhì)、樞紐布置等原因必須轉(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)以曲線相連。有壓隧洞洞身段：圍巖厚度3D。最小圍巖厚度應(yīng)滿足不發(fā)生滲流失穩(wěn)和水力劈裂的要求。工程經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于堅(jiān)硬完整巖體，加襯砌隧洞的最小圍巖厚度T0.4H（H為內(nèi)水壓力水頭）；如不加襯砌或采用錨噴襯砌時(shí)， T 1.0H。進(jìn)、出口段：一般頂部巖體厚度1B（1D）。（3）隧洞應(yīng)有一

8、定的埋藏深度和圍巖厚度（包括洞頂覆蓋厚度和傍山隧洞靠邊坡一側(cè)的巖體厚度）。它涉及成洞條件，圍巖穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)計(jì)算邊界條件和工程造價(jià)等。最小圍巖厚度要求：（4）隧洞的縱坡，應(yīng)根據(jù)用途、運(yùn)行要求、上下游銜接、施工、檢修等因素綜合比較分析后確定。無(wú)壓隧洞：iik 。（ ik臨界坡降，確保不雍水）有壓隧洞： i 取決于進(jìn)、出口高程，要求在最不利條件下全線洞頂保持不小于2m的壓力水頭。不宜采用平坡或反坡，以利于檢修排水。施工及檢修排水：有軌運(yùn)輸i=35，但i10；無(wú)軌運(yùn)輸 i=315 ?？v坡比降要求：（5）對(duì)于長(zhǎng)隧洞，應(yīng)利用地形地質(zhì)條件，布置一些施工支洞、斜井、豎井，以增加工作面，加快施工進(jìn)度。工程實(shí)例：

9、引灤入津隧洞工程：在9.68km長(zhǎng)的引水隧洞中，布置了15個(gè)斜支洞、4個(gè)豎井。平均間隔 9680 / 20 = 484m。 二、閘門在隧洞中的布置 一般布置兩道門：工作閘門（調(diào)節(jié)流量和封閉孔口，能在動(dòng)水中啟、閉 ），檢修閘門（事故檢修門）。1. 檢修門（事故檢修門）一般設(shè)在進(jìn)口，用來(lái)?yè)跛?，以便檢修工作閘門或隧洞。如：劉家峽泄洪洞，圖8-2(a)。大中型隧洞的深式進(jìn)水口常要求檢修閘門能在動(dòng)水中關(guān)閉、靜水中開(kāi)啟，以滿足發(fā)生事故時(shí)的需要，所以也稱事故檢修門。工作門：可布置在進(jìn)口、出口或隧洞中某一適宜位置。（1）工作門設(shè)在進(jìn)口：一般為無(wú)壓隧洞。優(yōu)點(diǎn)：檢修門和工作門都在首部，運(yùn)行管理方便；易于檢查和維修

10、；工作門后的洞內(nèi)無(wú)壓，有利于山體穩(wěn)定。缺點(diǎn): 如體形設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量不佳，流速大的部位可能發(fā)生空蝕破壞。按照無(wú)壓隧洞進(jìn)口與水面的相對(duì)位置，可分為兩種：表孔溢流式進(jìn)口、深式進(jìn)口。表孔溢流式進(jìn)口：進(jìn)口布置與岸邊溢洪道相似，只是用隧洞代替了泄槽（圖81）。其超泄能力較大，但泄流能力受到隧洞斷面的限制。此種隧洞一般屬龍?zhí)ь^布置型式，常與施工導(dǎo)流隧洞相結(jié)合，以達(dá)到一洞多用的目的。深式進(jìn)口：為保證洞內(nèi)為無(wú)壓流態(tài)，工作門后洞頂應(yīng)高出洞內(nèi)水面一定高度，并需向閘門后通氣，圖82（a）。（2）工作門布置在出口：有壓隧洞，圖82（b）。 優(yōu)點(diǎn)：洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門后通氣條件好，便于部分開(kāi)啟；工作閘門的控制結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單

11、，管理方便；隧洞線路布置適應(yīng)性強(qiáng)。 缺點(diǎn)：洞內(nèi)承受較大的內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，對(duì)巖體及大壩等建筑物的穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。實(shí)際工程中，常在進(jìn)口設(shè)事故檢修門，平時(shí)也可用于擋水。（3）工作門布置在洞身某一位置：門前為有壓洞段，門后為無(wú)壓洞段。采用這種布置的主要原因是： 由于地形、地質(zhì)、樞紐布置和施工等原因，隧洞線路需要轉(zhuǎn)彎，為了滿足水流條件的要求，將工作閘門設(shè)在彎道后的直線段上。彎道為有壓，閘門后的直線段為無(wú)壓。 洞內(nèi)某處的地質(zhì)條件較出口處好，工作閘門布置在洞中，可以利用較強(qiáng)的巖體承受閘門傳輸?shù)乃畡?dòng)力。近年來(lái)不少泄洪洞采用這種布置，如：三門峽泄洪洞圖83(a)、碧口左岸泄洪洞圖83 (b) 等.三

12、、多用途隧洞的布置一洞多用或臨時(shí)任務(wù)與永久任務(wù)相結(jié)合的隧洞布置，不僅可以解決樞紐中單項(xiàng)工程過(guò)多而帶來(lái)的布置困難，還可以減小工程量，降低造價(jià)。但一洞多用隧洞必須妥善解決由于不同任務(wù)結(jié)合所帶來(lái)的一些矛盾問(wèn)題。封堵導(dǎo)流洞而改建的泄洪洞，可為無(wú)壓洞或有壓洞。由于導(dǎo)流洞高程較低，泄洪洞進(jìn)口可以較高，因此常在導(dǎo)流洞上方另設(shè)泄洪洞進(jìn)口，將其布置成“龍?zhí)ь^”形式；其進(jìn)口之后用拋物線段、斜坡段、反弧段與較低的洞身相連接。當(dāng)兩洞進(jìn)口之間巖體厚度較薄或巖石較差時(shí)，應(yīng)盡量將泄洪洞（永久建筑物）布置成直線，而將導(dǎo)流洞（臨時(shí)建筑物）進(jìn)口段偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，如：劉家峽導(dǎo)流洞進(jìn)口段偏轉(zhuǎn)32，碧口偏轉(zhuǎn)14。如果導(dǎo)流洞寬度較大，則需

13、設(shè)擴(kuò)散段以解決其與泄洪洞的銜接。擴(kuò)散段應(yīng)設(shè)在水流比較均勻平穩(wěn)的部位，以防流態(tài)惡化。 “龍?zhí)ь^”泄洪洞，一般水頭高、流速大，反弧及下游易遭空蝕破壞，因此應(yīng)做好體形設(shè)計(jì)，控制施工質(zhì)量，設(shè)置適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施。1. 導(dǎo)流洞與泄洪洞合一布置優(yōu)點(diǎn)：工程量小，工程進(jìn)度快，布置緊湊，管理集中。注意：應(yīng)保證各自的運(yùn)行要求和較好的水力條件，安全宣泄泄洪流量，保證發(fā)電隧洞的壓力狀態(tài)及發(fā)電最小水頭，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止機(jī)組振動(dòng)和分岔附近空蝕破壞。兩種布置型式： 主洞（直洞）泄洪、支洞（岔洞）發(fā)電。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)

14、減小。2. 泄洪洞與發(fā)電洞合一布置 主洞（直洞）發(fā)電、支洞（岔洞）泄洪。存在問(wèn)題： 1）岔尖處流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生負(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。收縮泄洪洞出口面積或減小其閘門開(kāi)度，是提高洞內(nèi)及岔尖部位壓力、減免空蝕的有效措施；但泄洪能力會(huì)因出口斷面面積縮小而降低。為防止岔尖發(fā)生空蝕，當(dāng)主洞泄洪時(shí)孔口收縮比0.85，支洞泄洪時(shí)0.7?？卓谑湛s比是指用于泄洪的主洞或支洞，其出口面積與其洞身斷面積之比。 3其它任務(wù)隧洞的合一布置灌溉與發(fā)電隧洞合一布置。發(fā)電后的尾水用于灌溉。其主要問(wèn)題是用水上的矛盾。泄洪與排沙隧洞合一。排沙洞進(jìn)口高程往往較低，施工期還可結(jié)合導(dǎo)流，導(dǎo)流完成

15、后改建成泄洪排沙洞。但對(duì)于高水頭情況，在設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真研究高速含沙水流的沖蝕、磨損及消能問(wèn)題。8-3 水工隧洞進(jìn)口段一、進(jìn)水口的型式和計(jì)算要點(diǎn)深式泄水隧洞的進(jìn)水口，按其后接隧洞內(nèi)的水流流態(tài)可分為：有壓隧洞進(jìn)水口、無(wú)壓隧洞進(jìn)水口。無(wú)壓隧洞進(jìn)水口的壓力段長(zhǎng)度（進(jìn)口至工作門處洞長(zhǎng)）小于3倍孔口高度時(shí)，稱為短管型進(jìn)水口圖82(a)。按進(jìn)水口的布置及結(jié)構(gòu)型式，可分為豎井式、塔式、岸塔式及斜坡式等。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，圖8-4 。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受風(fēng)浪和冰的影響，抗震及穩(wěn)定好，地形條件適宜時(shí)，工程量較小，造價(jià)較低。缺點(diǎn)：

16、豎井開(kāi)挖比較困難，豎井前的一段隧洞檢修不便。適用：地質(zhì)條件較好、巖體較完整的情況。1. 豎井式干井：設(shè)弧型工作門的豎井，井后為無(wú)壓段，井內(nèi)不充水。濕井：設(shè)平板檢修門的有壓豎井，井后為壓力洞，僅檢修時(shí)井內(nèi)無(wú)水。作用荷載：井內(nèi)無(wú)水時(shí)，襯砌上的作用力有外水壓力、側(cè)向圍巖壓力、溫度荷載、地震作用等；井內(nèi)有水時(shí)，還作用有內(nèi)水壓力。結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)：可根據(jù)受力條件和地質(zhì)條件，沿井的不同高程截取斷面，按單位高度的封閉式框架進(jìn)行計(jì)算。 塔式進(jìn)水口是獨(dú)立于隧洞首部而不依靠巖坡的封閉式塔圖82(a)或框架式塔，塔底裝設(shè)閘門。一般在塔頂設(shè)操縱平臺(tái)和啟閉機(jī)室，也有工程在塔內(nèi)設(shè)油壓?jiǎn)㈤]機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)挖量小，可在不同高程設(shè)置取

17、水口，取用上層溫度較高的清水。缺點(diǎn)：受風(fēng)、浪、冰、地震的影響大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要較長(zhǎng)的工作橋與庫(kù)岸或壩頂相連。適用：岸坡巖石較差，覆蓋層厚，不宜采用靠岸進(jìn)水口時(shí)。2. 塔式圖82（a） 塔式進(jìn)水口封閉式塔身：大中型泄水隧洞常采用，塔身斷面一般為矩形，也有工程采用圓形、多邊形?？蚣苁剿恚翰牧嫌昧可?，經(jīng)濟(jì)，但只能在低水位時(shí)進(jìn)行檢修，且泄水時(shí)門槽進(jìn)水，流態(tài)不好，易空蝕，故大型工程較少采用。塔身結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)：塔身為直立懸臂結(jié)構(gòu)，受風(fēng)、浪、冰、地震等作用，因此需計(jì)算塔身的抗傾、抗滑穩(wěn)定?？裳夭煌硇缘母叱探厝挝桓叨人?，按封閉式框架計(jì)算水平應(yīng)力；同時(shí)還應(yīng)把塔身作為懸臂結(jié)構(gòu)計(jì)算鉛直應(yīng)力?？蚣苁綄?/p>

18、立體框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)可按整體或簡(jiǎn)化為平面框架計(jì)算應(yīng)力。岸塔式進(jìn)水口是靠在開(kāi)挖后洞臉巖坡上的直立或傾斜的進(jìn)水塔。（圖85）優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性比塔式好，可對(duì)巖坡起一定支撐作用，施工、安裝比較方便，無(wú)須接岸橋梁。缺點(diǎn)：受風(fēng)、浪、冰、地震影響。適用：岸坡較陡，巖體比較堅(jiān)固穩(wěn)定的情況。結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)：基本方法同塔式；但應(yīng)根據(jù)地質(zhì)和結(jié)構(gòu)布置情況，考慮塔背是否作用有巖石壓力。3. 岸塔式斜坡式進(jìn)水口是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，閘門和攔污柵軌道直接安裝在斜坡的護(hù)砌體上，圖82(b)。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)：如進(jìn)口不抬高則閘門面積將加大，由于閘槽傾斜，閘門不

19、易靠自重下降。適用：一般只用于中小型工程，或只安設(shè)檢修閘門的進(jìn)水口。4. 斜坡式圖82（b） 斜坡式進(jìn)水口前面介紹的是幾種基本的進(jìn)水口型式。實(shí)際工程中，常根據(jù)地形、地質(zhì)、布置、施工等具體條件組合采用。如：上塔下井式： 圖83（a）為安裝有事故檢修門的半豎井半塔式進(jìn)水口；上塔下岸塔式：圖83（b）為下部靠岸的岸塔式進(jìn)水口。5. 組合式圖83（a） 上塔下井式； 圖83（b）上塔下岸塔式二、進(jìn)口段的組成部分隧洞進(jìn)口段包括：進(jìn)水喇叭口、閘門室、通氣孔、 平壓管、漸變段等。 1.進(jìn)水喇叭口位置：隧洞首部要求： 體形應(yīng)符合孔口泄流形態(tài)，確保水流平順、不脫壁。 避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞。 盡力減少局部

20、水頭損失，以提高泄流能力。喇叭口體型：常采用矩形橫斷面，頂板和左右邊墻順?biāo)鞣较蛉媸湛s，平底。喇叭口曲線：頂板和兩側(cè)邊墻常采用1/4橢圓方程，重要 工程的進(jìn)口曲線應(yīng)通過(guò)水工模型試驗(yàn)確定。 （82） 式中：a 長(zhǎng)半軸。頂板a=H（閘門處孔口高）；邊墻a=B（孔口寬） b 短半軸。頂板b=H/3；邊墻b=（1/31/5）B深式無(wú)壓隧洞的進(jìn)水口：屬短管型壓力進(jìn)水口，多采用弧形閘門，為將其支鉸處的推力傳給山體，一般采用下部依靠巖體的塔式、岸塔式進(jìn)水口。無(wú)壓洞進(jìn)水口頂板曲線布置：檢修門前的入口段長(zhǎng)度，可控制在0.81倍工作門處的孔口高度。為使短管型進(jìn)口壓力分布良好，檢修門槽前的頂板曲線應(yīng)設(shè)傾斜壓坡，有

21、三種型式： 橢圓長(zhǎng)軸傾斜布置，如烏江渡圖86(a)； 橢圓長(zhǎng)軸水平布置，但在檢修門槽之前以1:4.51:10的傾斜直線與頂板曲線相切，劉家峽 圖86(b)； 橢圓長(zhǎng)軸水平布置，頂板曲線在檢修門槽上游邊緣處的切線斜率不緩于1:10，無(wú)傾斜直線段，碧口 圖86(c)。壓坡段：檢修門與工作門之間的頂板也應(yīng)布置成壓坡段，以進(jìn)一步改善進(jìn)口壓力分布和水流流態(tài)。壓坡段為等寬矩形斷面，頂板坡率應(yīng)陡于橢圓曲線頂板末端的坡率，一般在1:41:6之間，多數(shù)采用1:4。壓坡段長(zhǎng)度取36m ，應(yīng)滿足塔頂啟閉機(jī)布置和閘門維修要求。設(shè)中墩布置成雙孔的短管型進(jìn)水口：中墩及兩側(cè)收縮會(huì)引起明流洞內(nèi)不利的沖擊波，可在閘門后加一段壓

22、板并延伸到閘墩下游，形成有壓收縮段，從而使明流段水面平穩(wěn)，圖87。雙孔短管型進(jìn)水口近年來(lái)已很少采用。2.通氣孔（1）位置設(shè)在泄水隧洞進(jìn)口或洞身中部的工作閘門之后。設(shè)在檢修門和工作門之間。（2）作用：通氣孔在泄水隧洞的正常泄流、放空和充水過(guò)程中，承擔(dān)補(bǔ)氣和排氣任務(wù)，對(duì)改善流態(tài)，避免運(yùn)行事故起著重要作用。 對(duì)工作閘門在各級(jí)開(kāi)度情況下承擔(dān)補(bǔ)氣，以降低門后 負(fù)壓，穩(wěn)定流態(tài)，避免建筑物振動(dòng)和空蝕； 檢修時(shí)，在放空洞內(nèi)水流過(guò)程中補(bǔ)氣； 檢修完成后，向工作門和檢修門之間充水時(shí)承擔(dān)排氣。（3）布置上須注意 由于通氣孔氣流速度大，其進(jìn)口必須與閘門啟閉機(jī)室分開(kāi)，以免在補(bǔ)氣、排氣時(shí)，影響工作人員的安全。 通氣孔容許

23、風(fēng)速：【Va】4045m/s盡可能減少通氣孔的孔管轉(zhuǎn)彎和突變，以減少阻力。（4）通氣量計(jì)算及通氣孔設(shè)計(jì)通氣孔應(yīng)按正常泄流情況設(shè)計(jì)，多采用圓形斷面，孔徑大小決定于通氣量和允許風(fēng)速。通氣量與泄水流量及下游洞內(nèi)流態(tài)有關(guān)。多采用一些經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 泄水洞工作門和檢修門后的通氣量計(jì)算同P109式(3-111)： ； ；式中： 通氣量，m3/s； A閘門后泄水孔斷面面積，m2； 水流流速，m/s； 通氣孔允許風(fēng)速，4045m/s； a通氣孔斷面面積，m2； d通氣孔直徑，m。（3111） 大型工程中的高水頭長(zhǎng)無(wú)壓隧洞或管道的通氣量：式中：Aa閘門后隧洞或管道水面以上的斷面面積，m2； Aa一般

24、小于0.3倍的隧洞或管道斷面面積。 通氣孔的風(fēng)速系數(shù)，可取0.6； B閘門處孔口寬度，m； a 通氣孔的斷面面積，m2 L閘門后隧洞的長(zhǎng)度,m；Vw閘門孔口處的水流速，m/s g重力加速度，m/s2（8-3） 通氣量計(jì)算步驟：先假定a，求得Qa，再求風(fēng)速 ，使得 m/s；否則，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿足。檢修門后的通氣孔面積：一般應(yīng) 沖水平壓閥的面積。3.攔污柵泄水隧洞一般不設(shè)攔污柵。當(dāng)需要攔截水庫(kù)中較大浮沉物時(shí)，可在進(jìn)口設(shè)固定柵梁或粗?jǐn)r污柵。引水發(fā)電的有壓隧洞進(jìn)口應(yīng)設(shè)細(xì)柵，以防污物阻塞和破壞閥門及水輪機(jī)葉片。4.漸變段、閘門室及平壓管見(jiàn)第三章第十節(jié)：泄水重力壩。8-4 水工隧洞洞身段 一、斷面型

25、式洞身斷面型式取決于流態(tài)、地質(zhì)、施工及運(yùn)行等條件。一、洞身斷面型式（1）城門洞形（圓拱直墻形）圖88(d)、(i) 優(yōu)點(diǎn)：施工（開(kāi)挖、立模、襯砌）簡(jiǎn)單，無(wú)壓洞廣泛采用。適用：垂直山巖壓力較大、側(cè)向山巖壓力很小的情況。為減小側(cè)向山巖壓力，可把邊墻做成傾斜的圖88(e) 。頂拱中心角：90180，跨度較大時(shí)90120。斷面寬高比：11.5，水深變化大時(shí)，采用較大值。1. 無(wú)壓隧洞斷面型式（2）馬蹄形 圖88(f) 、 (h) 結(jié)構(gòu)：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)向山巖壓力均較大的情況。（3）圓形 圖88(a), (b), (c), (g) 適用：圍巖條件較差，且

26、外水壓力較大時(shí)；采用掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)。（1）圓形斷面有壓隧洞一般采用圓形斷面 圖88(a), (b), (c), (g) 。優(yōu)點(diǎn)：1）水流條件和受力條件均有利。 2）在面積一定的條件下，圓形過(guò)流能力最大。（2）也可采用無(wú)壓洞的斷面形式適用：圍巖條件較好、內(nèi)水壓力不大時(shí)，為了施工方便，也可采用無(wú)壓隧洞常用的斷面型式。2. 有壓隧洞斷面型式二、洞身斷面尺寸洞身斷面尺寸確定：可根據(jù)運(yùn)用要求、泄流量、作用水頭、施工要求及縱斷面布置，通過(guò)水力計(jì)算確定，有時(shí)還要進(jìn)行水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。有壓隧洞水力計(jì)算：主要核算泄流能力及沿程壓坡線。無(wú)壓隧洞水力計(jì)算：主要計(jì)算泄流能力及洞內(nèi)水面線，當(dāng)洞內(nèi)流速大于1520m/s時(shí)，

27、還應(yīng)研究高速水流引起的沖擊波、空蝕及摻氣減蝕等問(wèn)題。1. 有壓隧洞（1）泄流能力 有壓隧洞泄流能力按管流公式計(jì)算 ： 式中： 考慮隧洞沿程阻力和局部阻力的流量系數(shù)。 隧洞出口的斷面面積（約為洞身面積8090%），m2； H上下游水位差（作用水頭），m； （84） （2）減免空蝕的要求有壓隧洞的洞內(nèi)壓坡線，可根據(jù)能量方程分段推求。為了保證洞內(nèi)水流為有壓狀態(tài)，一般洞頂應(yīng)有210m以上的壓力余幅，流速大要求壓力余幅也大?？s小出口斷面面積，以增大壓力，減免負(fù)壓和空蝕。（3）施工和檢修要求確定隧洞斷面尺寸時(shí)，還應(yīng)考慮洞內(nèi)施工和檢修需要，圓形斷面內(nèi)徑D1.8m，其它斷面寬高不小于1.5m1.8m。2. 無(wú)

28、壓隧洞 表孔溢流式進(jìn)口：按堰流公式計(jì)算。 深式短管型進(jìn)口：泄水能力取決于進(jìn)口壓力段，仍用有壓管流公式（84）計(jì)算，但流量系數(shù)應(yīng)根據(jù)進(jìn)口段的局部水頭損失而定，一般在0.9左右（由于距離短，不考慮沿程損失）；而控制斷面面積則取工作閘門處的孔口面積。（1）泄流能力 （2）明流條件（水面線上應(yīng)有一定凈空）工作門后的無(wú)壓洞洞身段，可用能量方程分段求出水面曲線。為保證無(wú)壓洞內(nèi)為穩(wěn)定的明流狀態(tài)，水面以上應(yīng)有一定凈空： 當(dāng)流速較低時(shí)：凈空面積A凈0.15A洞身斷面，且凈空高度h0.4m。 當(dāng)流速較高時(shí)：應(yīng)考慮摻氣和沖擊波的影響，在摻氣水面以上A凈=(0.150.25)A洞身斷面；對(duì)于城門洞形斷面，要求h沖擊波

29、峰h直墻。也有不少隧洞采用凈空高度不小于洞高的15%25% 。（3）施工和檢修要求（同有壓洞） 非圓形斷面：（寬高）（1.5m1.8m） ； 圓形斷面：D1.8m。三、洞身襯砌1.襯砌的作用（1）阻止圍巖變形的發(fā)展，確保圍巖穩(wěn)定。（2）承受荷載：山巖壓力、內(nèi)水壓力等。（3）防止?jié)B漏。（4）保護(hù)巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化等破壞。（5）減小隧洞的表面糙率。2.襯砌的類型（1）平整襯砌也稱護(hù)面或抹平襯砌。采用砼、噴漿、砌石等，護(hù)面不承受荷載。作用：減小糙率，防止?jié)B漏，保護(hù)巖石不受風(fēng)化。適用：圍巖條件較好，水頭、流速較低的情況。優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，施工方便。對(duì)無(wú)壓洞，如巖石不易風(fēng)化，可只襯護(hù)過(guò)水部分

30、。（2）單層襯砌襯砌材料：砼圖88(a)、鋼筋砼圖88(b),(c),(d)、漿砌石等。襯砌厚度：取洞徑或洞寬的1/81/12，且25cm，通過(guò)襯砌計(jì)算確定。適用：中等地質(zhì)條件，斷面較大，水頭、流速較高的情況。（3）組合式襯砌 內(nèi)層：鋼板、鋼筋網(wǎng)噴漿；外層：砼或鋼筋砼圖88(g)。 頂拱：砼； 邊墻和底板：漿砌石圖88(h) 。 頂拱：噴錨支護(hù)； 邊墻和底板：砼或鋼筋砼（無(wú)壓洞）。 頂拱、邊墻：先噴錨，再用砼或鋼筋砼襯砌圖88(i) 。特別適用于自穩(wěn)能力差、容易發(fā)生塌方的軟弱破碎巖體中開(kāi)挖的隧洞。（4）預(yù)應(yīng)力襯砌適用：高水頭有壓隧洞。（5）洞身襯砌型式選擇應(yīng)根據(jù)隧洞任務(wù)、地質(zhì)條件、斷面尺寸、受

31、力狀態(tài)、施工條件等因素，通過(guò)綜合分析比較后確定隧洞襯砌型式。有壓圓形隧洞：砼、鋼筋砼單層襯砌最常用。當(dāng)內(nèi)水壓力較大、圍巖較差時(shí)，可采用內(nèi)層為鋼板的雙層襯砌或預(yù)應(yīng)力襯砌。無(wú)壓泄洪隧洞：常采用城門洞形斷面、整體鋼筋砼襯砌。有些工程采用噴砼或加鋼筋網(wǎng)與砼或鋼筋砼的組合襯砌方式。噴錨：配合光面爆破，噴錨是一種經(jīng)濟(jì)、快速的襯砌型式。不加襯砌：當(dāng)圍巖狀況很好時(shí)，對(duì)流速低、流量小的引水發(fā)電隧洞或?qū)Я鞫矗刹患右r砌。不襯砌的有壓隧洞，其內(nèi)水壓力應(yīng)小于地應(yīng)力的最小主應(yīng)力，以保證圍巖穩(wěn)定。不襯砌隧洞的糙率大，泄放同樣流量要增加開(kāi)挖斷面，因此是否采用不襯砌隧洞，應(yīng)由技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。3.襯砌分縫分縫原因： 砼或鋼

32、筋砼襯砌施工是分塊分段澆筑的。 襯砌混凝土的干縮和溫度應(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)（如斷層、破碎帶及其它軟弱地帶）時(shí)，可能由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫。（1）施工縫（臨時(shí)縫）（圖89） 橫向（垂直洞軸線）：間距612m，由澆筑能力定；縱向（平行洞軸線）：縫設(shè)在頂拱、邊墻及底板分界處， 或設(shè)在內(nèi)力較小部位。要求：進(jìn)行鑿毛處理或設(shè)插筋，以加強(qiáng)整體性。（2）伸縮縫（永久縫）（圖89） 作用：防止砼干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。要求：間距612m，縫中設(shè)止水。（3）沉降縫（永久縫）（圖810） 設(shè)置部位： 通過(guò)斷層破碎帶或軟弱帶，襯砌加厚的厚度突變處。 洞身與進(jìn)口漸變段等連接處，可能

33、產(chǎn)生較大位移的地段。要求：縫中設(shè)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、伸縮縫等，應(yīng)盡量結(jié)合在一起布置。4.灌漿（回填、固結(jié)）目的：為了充填襯砌與圍巖之間的空隙，使二者緊密結(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，襯砌完成后，通過(guò)預(yù)埋管灌漿。灌漿范圍：一般在頂拱中心角9001200以內(nèi)。孔距、排距：26m（深入巖體5cm）。灌漿壓力：砼襯砌0.20.3MPa；鋼筋砼襯砌0.30.5MPa。灌漿壓力過(guò)高會(huì)破壞襯砌結(jié)構(gòu)。（1）回填灌漿（圖811） （2）固結(jié)灌漿（圖811）目的：加固圍巖，提高圍巖整體性，減小山巖壓力，保證巖石的彈性抗力，減小地下水對(duì)襯

34、砌的壓力。灌漿范圍：整個(gè)斷面。孔深：入巖25m；圍巖差或直徑大的隧洞，入巖應(yīng)達(dá)610m。排距：24m，每排不少于6孔，對(duì)稱布置；相鄰斷面錯(cuò)開(kāi)排列，按逐步加密法灌漿?；靥?、固結(jié)灌漿孔常分排間隔排列。灌漿壓力：0.41.0MPa或更大；有壓洞可用1.52.0倍內(nèi)水壓力。灌漿時(shí)間：應(yīng)在回填灌漿714d之后進(jìn)行。5.排水排水的作用：降低作用在襯砌上的外水壓力。有壓圓形洞的排水設(shè)置對(duì)于覆蓋層較厚的有壓洞進(jìn)口附近、地質(zhì)較差地段、圍巖內(nèi)存在易溶物質(zhì)等情況，一般不宜設(shè)排水，而是加強(qiáng)固結(jié)灌漿。外水壓力能抵消一部分內(nèi)水壓力，一般不控制襯砌設(shè)計(jì)。但當(dāng)外水位很高、對(duì)襯砌設(shè)計(jì)起控制作用時(shí)，可在襯砌底部外側(cè)設(shè)縱向排水管，

35、通至下游。必要時(shí)，還可增設(shè)環(huán)向排水槽，并與底部縱向排水管相連通。城門洞形無(wú)壓洞 的排水設(shè)置當(dāng)外水壓力對(duì)襯砌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響很大時(shí)，應(yīng)設(shè)置徑向、縱向排水，如圖812所示。徑向排水：在洞內(nèi)水面線上通過(guò)襯砌設(shè)置排水?？拙唷⑴啪嘁话?4m，深入巖體24m，將地下水引入洞內(nèi)。當(dāng)隧洞較寬或側(cè)墻較高，為減小隧洞放空后外水壓力對(duì)襯砌的不利影響，可在洞內(nèi)水面線以下設(shè)置排水孔?？v向排水：設(shè)在襯砌底部，通至下游。 8-5 水工隧洞出口段及消能設(shè)施 一、出口段的體型1. 無(wú)壓隧洞 出口段僅設(shè)門框，以防洞臉及上部巖石崩塌，并與消能設(shè)施的兩側(cè)邊墻相銜接，圖813（b）。2. 有壓隧洞 出口常設(shè)工作閘門、啟閉機(jī)室。閘門前設(shè)漸

36、變段，將洞身從圓形斷面漸變?yōu)殚l門處的矩形孔口；閘門之后接消能設(shè)施，圖813（a）。為避免負(fù)壓，常采用斷面收縮的方法，出口收縮比可采用0.80.9。二、消能方式常用消能方式：挑流（采用多）、底流；新型消能工：窄縫挑流消能、洞內(nèi)突擴(kuò)消能、洞內(nèi)旋流消能等。特點(diǎn)：隧洞出口寬度小，單寬流量大，能量集中；所以，出口設(shè)置擴(kuò)散段以擴(kuò)散水流，減小單寬流量。1.挑流消能（常用擴(kuò)散式） 適用情況：出口高程高于或接近于下游水位，且地質(zhì)條件允許時(shí)。 優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)合理。 注意：盡量不要沖刷對(duì)岸。 挑坎形式：斜切式挑流鼻坎（適用于洞軸線與河道交角小，圖814 ）、收縮式窄縫挑坎（適用于岸坡陡峻、河谷狹窄的情況圖815 ）、橫

37、向擴(kuò)散挑坎。斜切式挑流鼻坎收縮式窄縫挑坎2.底流消能（圖816） 特點(diǎn)：水流由隧洞出口經(jīng)水平擴(kuò)散段（有的不設(shè)），再經(jīng)曲線擴(kuò)散段、斜坡段繼續(xù)橫向擴(kuò)散后進(jìn)入消力池。消能充分、平穩(wěn)。缺點(diǎn)：開(kāi)挖量大，施工時(shí)間長(zhǎng)，造價(jià)高。3.突擴(kuò)消能（孔板消能）洞中突擴(kuò)消能：為了防止高速水流引起的空蝕及高速含砂水流的磨損破壞，可在洞內(nèi)采用突擴(kuò)消能，在有壓隧洞中分段造成出流突然擴(kuò)散，與其周圍水體之間形成大量漩渦、摻混，從而實(shí)現(xiàn)消能。Eg.小浪底：導(dǎo)流洞改建為有壓泄洪洞，采用多級(jí)孔板消能。在直徑為14.5m的洞中布置了三級(jí)孔板，孔徑與洞徑比分別為0.69、0.724和0.724，孔板間距為3D=43.5m。由模型試驗(yàn)得知，

38、水流通過(guò)孔板突擴(kuò)消能，可將140m的水頭削減70%，洞壁最大流速僅為10m/s左右。（a）試驗(yàn)表明： 需防止孔板附近的水流發(fā)生空化，特別是末級(jí)孔板。為防止孔板上游角隅漩渦空化并增大消能效果，在孔板上游角隅處設(shè)置消渦環(huán)，可收到良好效果； 洞內(nèi)脈動(dòng)壓力系數(shù)很高，但是由脈動(dòng)壓力引起的振動(dòng)卻很微弱，不會(huì)引起破壞。4.旋流消能洞內(nèi)旋流消能：在隧洞內(nèi)設(shè)置造旋設(shè)施，使水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，利用水流的離心力增加過(guò)流壁面壓強(qiáng)，以防止過(guò)流壁面空蝕破壞。分類：按其消能方式可分為螺旋流沿流程均勻消能和螺旋流在消能室中集中消能；按消能工結(jié)構(gòu)可分為旋流式豎井消能和水平螺旋流消能。優(yōu)點(diǎn)：有利于防止過(guò)水壁面空蝕破壞，有利于洞中水流與

39、下游銜接，有利于泄流量變化時(shí)消除明滿流過(guò)渡流態(tài)，有利于導(dǎo)流洞改建為泄洪洞。工程實(shí)例：沙牌水電站是汶川境內(nèi)岷江一級(jí)支流草坡河上游的梯級(jí)龍頭電站。碾壓混凝土三心圓單曲拱壩壩高130m，季調(diào)節(jié)水庫(kù)庫(kù)容0.18億立方米。1997年6月16日開(kāi)工建設(shè)，2003年12月全面竣工。距5.12震中印秀鎮(zhèn)20公里的沙牌水庫(kù)經(jīng)受了山崩地裂的考驗(yàn)，大壩結(jié)構(gòu)和壩體表面完好無(wú)損，運(yùn)行正常。 泄洪洞旋流消能：沙牌水電站導(dǎo)流洞改建而成的泄洪洞H=88m，Qmax=242m3/s。采用了有壓短管型進(jìn)水口、旋流豎井、明流洞的布置方案（圖818）。由于采用了適合急流的渦室體形，使水流在渦室和豎井內(nèi)形成旋流，從而增大過(guò)流壁面壓力，

40、并在豎井內(nèi)形成穩(wěn)定和貫穿的中心空腔，使水流大量摻氣、紊動(dòng)強(qiáng)烈，提高了消能率。公伯峽：其泄洪洞也采用了這種消能方式。圖8-18 沙牌水電站旋流消能豎井布置 （單位：m）8-6 高速泄流隧洞的脈動(dòng)壓力與空蝕 高水頭泄水隧洞的流速很高，有的v50m/s。設(shè)計(jì)中須考慮高速水流所帶來(lái)的諸多問(wèn)題，如： 可能引起建筑物振動(dòng)的水流脈動(dòng)壓力及脈動(dòng)問(wèn)題； 伴隨水流的空化而產(chǎn)生的空蝕破壞問(wèn)題； 水流的摻氣和沖刷問(wèn)題。 一、脈動(dòng)壓力、空化與空蝕1. 脈動(dòng)壓力受高速水流內(nèi)部紊動(dòng)影響，使隧洞襯砌表面作用有脈動(dòng)壓力P。脈動(dòng)壓力P的不利作用：可加大過(guò)流面上的瞬時(shí)作用力；其負(fù)峰值會(huì)降低瞬時(shí)壓強(qiáng)，促使水流空化；也可能引起建筑物振

41、動(dòng)。P的計(jì)算： ，（ 為流速水頭， 為脈動(dòng)壓力系數(shù)。P也可按脈動(dòng)壓力均方差的一定倍數(shù)獲得。分析水流是否會(huì)發(fā)生空化，一般采用P=3；而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常以P=2作為脈動(dòng)荷載。水流脈動(dòng)是否會(huì)誘發(fā)隧洞結(jié)構(gòu)振動(dòng)，應(yīng)根據(jù)P值大小、頻率特性、隧洞結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和自振特性等因素，做具體分析。2.空化與空蝕判別條件：當(dāng)水流的最小空化數(shù)小于結(jié)構(gòu)的初生空化數(shù)時(shí)，就可能發(fā)生空蝕。設(shè)計(jì)中應(yīng)確保水流最小空化數(shù)大于其初生空化數(shù)。發(fā)生部位：溢流面及挑流鼻坎附近；龍?zhí)ь^的反弧段及其下游；有壓段的岔洞、彎道、進(jìn)出口及門槽附近；消力墩上；表面存在突體、錯(cuò)縫、錯(cuò)臺(tái)和殘留鋼筋頭等不平整部位。Eg.美國(guó)胡佛壩泄洪洞：水頭157m，洞徑D=15

42、.3m，v=46m/s，1941年以無(wú)壓初期宣泄Q=380m3/s，運(yùn)行4個(gè)月后，經(jīng)泄放1070m3/s流量數(shù)小時(shí)（Q設(shè)5500 m3/s），在龍?zhí)ь^下部與導(dǎo)流洞結(jié)合的反弧段就遭到了嚴(yán)重的空蝕破壞（圖819），剝蝕坑長(zhǎng)35m、寬9.2m、深13.7m，沖去砼和基巖共4500 m3。圖819 泄洪洞的空蝕破壞1空蝕破壞區(qū)；2導(dǎo)流洞堵塞段空蝕原因：襯砌表面施工放線不準(zhǔn)確，砼存在突體、冷縫、蜂窩等缺陷。二、減蝕措施 做好體形設(shè)計(jì)：應(yīng)選好進(jìn)口、門槽、漸變段、彎道、龍?zhí)ь^曲線段、岔洞及出口等體形。 控制過(guò)流邊界的不平整度。 人工摻氣、通氣。 選用抗空蝕性能好的襯砌材料。表81 表面不平整度控制和處理標(biāo)準(zhǔn)

43、1. 不平整度的控制要求過(guò)流邊界不平整，會(huì)使水流與邊界分離，形成漩渦，發(fā)生空蝕。因此，在設(shè)計(jì)、施工中，控制不平整度十分重要。如何確定不平整度的允許值，至今尚無(wú)理論計(jì)算方法。水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(SL2792002)提出，過(guò)流表面的不平整度控制和處理應(yīng)根據(jù)水流空化數(shù)大小確定，見(jiàn)表81。工程實(shí)例表面不平整度控制和處理碧口右岸泄洪洞：在v=36m/s處，垂直水流的不平整體的允許高度【】3mm，平行水流向?yàn)椤尽?mm；流速為28m/s的部位，相應(yīng)為【】4mm、【】7mm，磨平的坡度均為i=1/50；劉家峽泄洪洞：空蝕破壞后修復(fù)時(shí)，垂直水流方向的允許錯(cuò)臺(tái)高度【】2mm，平行水流方向【】4mm，超過(guò)者要求處理

44、，磨平坡度i=1/501/100。要求相當(dāng)嚴(yán)格。2. 摻氣減蝕設(shè)施當(dāng)流速v3540m/s時(shí)，對(duì)不平整體的處理，花費(fèi)多，且施工也難達(dá)到要求。20世紀(jì)60年代初以來(lái)，不少國(guó)家采用摻氣減蝕設(shè)施。國(guó)外如：美國(guó)格蘭峽、黃尾泄洪洞（圖8-20） ，加拿大邁加泄洪洞等。國(guó)內(nèi)如：馮家山、烏江渡、石頭河（圖8-21） 、石砭峪泄洪洞等。其中，馮家山、烏江渡等泄洪洞還進(jìn)行過(guò)原型觀測(cè)，實(shí)踐證明摻氣減蝕效果十分顯著?！久馈奎S尾泄洪洞1967年泄洪時(shí)，反弧末端多處遭空蝕破壞，其中最嚴(yán)重的一段是在龍?zhí)ь^反弧段下游，坑長(zhǎng)14m，寬5.95m，深2.14m，穿入巖層。后在反弧起點(diǎn)上游4.9m處設(shè)一道摻氣槽并將破壞部位回填修補(bǔ)

45、，經(jīng)1969、1970年兩次泄水原型觀測(cè)，再未發(fā)生空蝕破壞，圖8-20。圖820 黃尾泄洪洞摻氣槽布置（單位：m）1摻氣槽 2挑坎，高度從洞底至水平中心線以上3.8cm處，由7.6cm漸變到0石頭河泄洪洞最大泄量850m3/s，反弧末端水頭93.25m，最大流速40.6m/s。摻氣設(shè)施布置：上摻氣槽設(shè)于反弧起點(diǎn)前9.37m處，在反弧末端設(shè)下?lián)綒獠?。在各?jí)流量下，摻氣槽均能充分供氣，形成穩(wěn)定的空腔，自1981年以來(lái)，運(yùn)行效果良好。圖821馮家山左岸泄洪洞是我國(guó)首先在隧洞中采用摻氣設(shè)施的試點(diǎn)工程。隧洞反弧處流速達(dá)29.6m/s，在反弧上切點(diǎn)上游6.4m處設(shè)上摻氣槽，下切點(diǎn)處設(shè)0.3m高的摻氣挑坎。

46、經(jīng)三次放水進(jìn)行原型觀測(cè)，沒(méi)有任何空蝕痕跡。圖821 石頭河泄洪洞摻氣槽布置（單位：m）1通氣孔；2摻氣槽摻氣原理：向摻氣設(shè)施所形成的水舌空腔中通入空氣，由于射流底緣的紊動(dòng)，空氣不斷被卷入水流，形成一個(gè)逐漸變厚的水氣摻混帶。含大量空氣的空泡在潰滅時(shí)可大大減小傳到邊壁上的沖擊力，含氣水流也成了彈性的可壓縮體，從而達(dá)到減免空蝕的目的。摻氣效果：根據(jù)試驗(yàn)，摻氣量為2%左右時(shí)，其空蝕破壞就可減輕至清水情況的1/10，而摻氣量達(dá)到7%8%時(shí)，就足以消除空蝕。摻氣設(shè)施：常用摻氣設(shè)施如圖822所示。圖8-22 常用的摻氣設(shè)施類型（a）摻氣槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑坎跌坎式；（e）突擴(kuò)突跌式摻氣

47、設(shè)施布置：一般都設(shè)在過(guò)流底面的邊界上（圖820，圖821），這不僅可以防止底板的空蝕，也能對(duì)邊墻起減蝕作用。若在兩側(cè)邊墻設(shè)置挑坎或突擴(kuò)摻氣，會(huì)形成水翅，惡化流態(tài)。突擴(kuò)突跌摻氣可與偏心鉸弧形閘門的壓緊止水門框相結(jié)合圖822（e）。如：東江水電站右岸二級(jí)放空洞兩側(cè)突擴(kuò)0.4m，底部跌坎0.8m；努列克第三層導(dǎo)流洞偏心鉸弧形門處兩側(cè)突擴(kuò)0.5m，底部跌坎0.6m。適用情況：摻氣槽、挑坎：布置簡(jiǎn)單，施工方便，可用于改建工程或新建工程。跌坎及突擴(kuò)突跌式：一般只適用于新建工程。摻氣設(shè)施要起到減蝕作用，應(yīng)滿足以下要求： 有足夠的通氣量； 能形成穩(wěn)定空腔，保證供氣； 水流流態(tài)較平穩(wěn)，不影響正常運(yùn)行； 空腔內(nèi)不

48、出現(xiàn)較大負(fù)壓，一般負(fù)壓不超過(guò)0.5m水柱。挑坎單獨(dú)使用或與摻氣槽結(jié)合時(shí)：其高度多在585 cm，有資料認(rèn)為高度為最大水深的1/151/12時(shí)較好，一般單寬流量大時(shí)采用較高的挑坎，挑角57。挑坎與跌坎結(jié)合時(shí)：挑坎高度可采用1020cm。摻氣槽以通氣順暢、滿足通氣孔出口布置為準(zhǔn)，常用梯形斷面。跌坎：高度在0.62.75m之間，也有更高的跌坎。如：麥加泄洪洞反弧末端的跌坎高達(dá)4.33m。 摻氣設(shè)施的尺寸要求突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施：若與偏心鉸弧形閘門門框相結(jié)合，側(cè)向突擴(kuò)還要滿足壓緊止水門框的要求。一般兩側(cè)各突擴(kuò)0.41.0m，也有達(dá)到1.5m的。每邊擴(kuò)寬與孔寬之比以0.060.09范圍為好，以保證供氣暢通并

49、減小水翅高度。摻氣跌坎：下游宜采用較大的坡度，以避免低水位時(shí)回水填滿底部空腔，但也不能過(guò)陡，否則將產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊波，惡化流態(tài)。因此，有人建議可在1.5倍空腔長(zhǎng)度范圍內(nèi)將坡度變陡，其后再接較緩的底坡。圖823為石砭峪泄洪洞摻氣跌坎的布置，跌坎高95cm，跌坎下游30m以內(nèi)底坡i=0.143，30m以外變緩為i=0.095。圖823 石砭峪泄洪洞摻氣跌坎（單位：cm）1通氣孔；2噴混凝土 摻氣設(shè)施的通氣量通氣量因底部摻氣或底側(cè)同時(shí)摻氣而異。當(dāng)單寬流量qw=10220m3/(sm)時(shí)，通氣系數(shù)=qa/qw=0.70.045。qw雖變化幅度較大，而qa卻在710 m3/(sm) 范圍內(nèi)。因此，該數(shù)據(jù)可

50、用于粗略估算總通氣量。通氣孔面積計(jì)算式：式中：Qa總通氣量，m3/s；Qa =Bqa，B為過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾?，m； 通氣孔的風(fēng)速系數(shù)，常用0.670.82； 、 分別為水及空氣的密度； 空腔中的允許負(fù)壓值，應(yīng)0.5m水柱。通氣孔中的風(fēng)速：v60m/s。（85）摻氣設(shè)施的位置布設(shè)位置：常設(shè)于龍?zhí)ь^式泄水隧洞反弧起點(diǎn)上游一定距離，或同時(shí)也設(shè)于反弧段的下切點(diǎn)處，但不能設(shè)在反弧上，以免因離心力的影響而使摻氣槽內(nèi)充水。一般認(rèn)為：當(dāng)陡坡上的水流流速為2535m/s時(shí)，就應(yīng)該考慮摻氣減蝕；流速大于35m/s時(shí)，應(yīng)該采用摻氣設(shè)施。摻氣保護(hù)長(zhǎng)度：應(yīng)根據(jù)過(guò)水曲線型式和摻氣結(jié)構(gòu)型式確定，曲線段可采用70100m，直線段

51、可采用100150m，以確保近壁層摻氣濃度大于4%。對(duì)長(zhǎng)泄水隧洞，應(yīng)考慮設(shè)置多級(jí)摻氣減蝕設(shè)施。3. 抗磨耐蝕材料包括：高標(biāo)號(hào)混凝土、鋼纖維混凝土、鋼鐵砂混凝土，鋼板，環(huán)氧砂漿、高標(biāo)號(hào)水泥石英砂漿，輝綠巖鑄石板等。 高標(biāo)號(hào)混凝土：工程中普遍采用的一種抗空蝕材料。根據(jù)試驗(yàn)研究，抗蝕性能較好的砼，其標(biāo)號(hào)不宜低于C30。我國(guó)目前所建的高流速泄洪洞多采用C30砼；鋼纖維砼：在砼中摻入一定數(shù)量、長(zhǎng)約幾厘米的短鋼絲，用以增強(qiáng)砼的抗裂性能，提高強(qiáng)度，改善材料的韌性和抗沖擊能力。近年來(lái)開(kāi)始研究使用，已用于修補(bǔ)工程；鋼鐵砂混凝土：用不同粒徑與比例的鋼鐵砂和水泥、石子配合而成，具有強(qiáng)度高、抗空蝕、耐磨損的特點(diǎn)，已用

52、于修補(bǔ)工程和防護(hù)高流速的邊界表層；鋼板：抗空蝕能力強(qiáng)，而抗磨損性能較低。多用于襯護(hù)門槽、岔洞及體形變化易于空蝕的部位； 環(huán)氧砂漿：為表層抹護(hù)材料，由環(huán)氧樹(shù)脂、砂子按一定拌和而成，具有較好的抗空蝕和抗磨性能，常用于修復(fù)砼表面。因其有毒且價(jià)格較貴，不宜大面積使用； 高標(biāo)號(hào)水泥石英砂漿：抗磨損能力次于環(huán)氧砂漿，可以做為護(hù)面，比較經(jīng)濟(jì)，施工簡(jiǎn)單，修補(bǔ)方便； 輝綠巖鑄石板：是以輝綠巖為原料，在工廠拓模制成的幾十厘米見(jiàn)方的板塊，用粘結(jié)材料將其粘砌在過(guò)水邊界上以抵抗磨損。具有較高的硬度指標(biāo)，是極好的抗磨材料；但很難保證與砼牢靠粘結(jié)，易被水流沖走，且性脆易碎，易被水流中的大粒徑推移質(zhì)擊破。8-7 水工地下洞室

53、的圍巖穩(wěn)定性 一、巖體初始應(yīng)力（地應(yīng)力） 1.定義地下巖體中任何一點(diǎn)都處于受力狀態(tài)中。在洞室開(kāi)挖前，巖體處于天然產(chǎn)狀所具有的內(nèi)應(yīng)力叫做巖體初始應(yīng)力；在地學(xué)領(lǐng)域通常稱為地應(yīng)力。初始應(yīng)力場(chǎng)包括：以自重作用為主的重力應(yīng)力場(chǎng)、以構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（地應(yīng)力） 。從方向上分為：鉛直應(yīng)力 和水平應(yīng)力 、 。2. 巖體初始應(yīng)力的影響因素 巖體中的初始應(yīng)力場(chǎng)是在長(zhǎng)期復(fù)雜的地質(zhì)作用過(guò)程中，由許多因素綜合作用形成的，如：上覆巖體的重力；地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；成巖過(guò)程中的物理、溫度作用；地形影響；地下水；地震作用；鉛直應(yīng)力為上覆巖體的重力，即 ： 水平應(yīng)力： 式中：Z地表以下的巖體深度； 巖石的容重； 巖體的泊松比，通

54、常=0.20.3， 側(cè)壓力系數(shù)。當(dāng)=0.5時(shí)，=1，發(fā)生在塑性巖體中或埋深 很大的地層中。3.地應(yīng)力計(jì)算【瑞士】海姆（Heim）首先提出地應(yīng)力概念，認(rèn)為鉛直應(yīng)力與其上覆巖體的重力有關(guān)，水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力相等。金尼克（，A.H.）根據(jù)彈性理論分析提出：根據(jù)國(guó)外實(shí)測(cè)資料：初始應(yīng)力的鉛直分量 ，而水平應(yīng)力 ，并不符合金尼克公式。我國(guó)實(shí)測(cè)資料表明：初始應(yīng)力的鉛直分量往往高于上覆巖體的重力，在地層深部則漸趨接近。水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值一般是接近或小于1.0，也有的1.2，這主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的結(jié)果。由于影響因素多，目前無(wú)法用數(shù)學(xué)、力學(xué)方法分析計(jì)算，只能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。4.初始應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析方法（1）應(yīng)力解除

55、法：通過(guò)切槽或鉆孔解除應(yīng)力，測(cè)得巖石的應(yīng)變，由此推求初始應(yīng)力。（2）應(yīng)力恢復(fù)法：巖體應(yīng)力解除后，不是通過(guò)巖體的變形特性來(lái)推求應(yīng)力值，而是通過(guò)施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，以求得巖體在應(yīng)力解除前的應(yīng)力值。由（1）、（2）測(cè)得的是某點(diǎn)的應(yīng)力，而整個(gè)巖體中初始應(yīng)力的分布情況，目前還不能根據(jù)有限測(cè)點(diǎn)的結(jié)果來(lái)加以確定。（3）回歸分析法：可以通過(guò)少數(shù)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料，建立有限元模型，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理來(lái)反演初始應(yīng)力場(chǎng)。 巖體及上覆巖石的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本原因之一。巖體自重作用不僅產(chǎn)生垂直應(yīng)力，而且借助“泊松效應(yīng)”和“流變效應(yīng)”而產(chǎn)生水平應(yīng)力。 初始應(yīng)力的形成，取決于地形及地殼結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這通常又是

56、較高的水平應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。 實(shí)測(cè)結(jié)果表明：許多地區(qū)的水平應(yīng)力大大超過(guò)上覆巖體重量所算得的結(jié)果，這是構(gòu)造動(dòng)力學(xué)方面的原因，或地質(zhì)剝蝕的原因。 天然巖體中的斷層，對(duì)初始應(yīng)力起著解除或部分解除的作用。5. 對(duì)巖體初始應(yīng)力的初步認(rèn)識(shí) “巖爆”現(xiàn)象：高地應(yīng)力地區(qū)的脆硬完整巖石，在一定地質(zhì)條件下，可以聚集大量的彈性應(yīng)變能量，從而形成很高的初始應(yīng)力，一旦開(kāi)挖出現(xiàn)自由邊界，切向應(yīng)力急劇增加，能量進(jìn)一步集中，在高應(yīng)力作用下，巖塊會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性脆性破裂、飛散，并伴隨著巨大的聲響，稱該現(xiàn)象為“巖爆”。 巖爆會(huì)危及人身安全，影響施工。目前，防止巖爆多采用錨桿、噴砼等措施。有的工程采用預(yù)鉆排孔（超前排孔）法，以防止或

57、削弱巖爆的發(fā)生。P411.圖8-24在掌子面垂直于較大地應(yīng)力1的開(kāi)挖界面，亦即容易發(fā)生巖爆處，與洞軸線成一定夾角向前方預(yù)鉆排孔，采取合宜的排孔深度和間距，就可控制開(kāi)挖邊界切向應(yīng)力小于巖爆的臨界應(yīng)力，從而防止或減輕巖爆的發(fā)生。 圖824 預(yù)鉆排孔防止巖爆1掌子面；2預(yù)鉆排孔；3巖爆部位二、圍巖的應(yīng)力集中應(yīng)力重分布：在巖體中開(kāi)挖洞室時(shí)，洞室圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力重分布。圍巖：產(chǎn)生應(yīng)力重分布的這部分巖體叫圍巖。應(yīng)力集中：巖體開(kāi)挖破壞了洞室周圍巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在洞室周邊及其附近某些部位（形狀突變、薄弱區(qū)）出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。應(yīng)力重分布在洞室周邊最為顯著，遠(yuǎn)離洞壁處

58、影響減??；應(yīng)力重分布與初始應(yīng)力狀態(tài)、洞室斷面形狀和尺寸、巖體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等有關(guān)。洞室開(kāi)挖時(shí)的應(yīng)力集中可使圍巖出現(xiàn)應(yīng)力超載，產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)。塑性區(qū)的應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，對(duì)側(cè)壓力系數(shù)=1的圓形洞室，周邊上的切向應(yīng)力t將遠(yuǎn)小于2po（po為鉛直地應(yīng)力），如圖825所示。假定巖體為連續(xù)、均勻、各向同性的彈塑性體，初始應(yīng)力符合靜水壓力條件，對(duì)于圓形洞室，按軸對(duì)稱問(wèn)題的平衡微分方程，利用莫爾-庫(kù)侖（MohrCoulomb）塑性準(zhǔn)則及彈塑性界面上的應(yīng)力相等條件，當(dāng)洞室周邊不存在支護(hù)抗力時(shí)，可求得任意點(diǎn)的徑向應(yīng)力r、切向應(yīng)力t及塑性區(qū)半徑R，其計(jì)算公式如下：式中： 巖石的內(nèi)摩擦角； c 巖石的凝聚力；

59、 ro 圓形洞室的開(kāi)挖半徑； r 塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的半徑； Po 巖體的初始應(yīng)力。式（ 8-6 ）、（ 8-7 ）只能用于側(cè)壓力系數(shù)=1的圓洞情況，應(yīng)力分布見(jiàn)圖825。其它情況可用彈塑性有限元法計(jì)算。（8-6） （8-7） 三、圍巖穩(wěn)定分析 1. 分析目的 預(yù)估可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)、部位、范圍及其發(fā)生發(fā)展過(guò)程，選擇適宜的支護(hù)方案，保證安全施工，改進(jìn)設(shè)計(jì)。 2. 分析方法 由于影響圍巖穩(wěn)定的因素多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，到目前為止，還不能完全依靠理論計(jì)算，而是主要憑經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)作出判斷。 對(duì)初選隧洞斷面，結(jié)合地質(zhì)條件及其力學(xué)性質(zhì)、初始應(yīng)力、施工方法等，采用彈性理論公式或有限元法計(jì)算圍巖壓力。 如果圍巖壓力

60、超過(guò)巖體的彈性極限，可按彈塑性理論計(jì)算塑性區(qū)的應(yīng)力，確定塑性區(qū)的范圍。 對(duì)洞室周邊可能塌落的巖塊，可按塊體平衡法進(jìn)行穩(wěn)定分析。 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)主要測(cè)量一些選定點(diǎn)的位移，和點(diǎn)與點(diǎn)之間的相對(duì)位移，畫出位移時(shí)間關(guān)系曲線，如位移超過(guò)“允許位移量”或位移曲線突然變陡，表明圍巖將要失穩(wěn)，應(yīng)采用支護(hù)措施。(5) 可利用巖體特性、結(jié)構(gòu)面及其組合狀態(tài)的各種指標(biāo)等，查閱有關(guān)按穩(wěn)定性分類的圍巖分類表（如：GB50287-1999），以判斷圍巖的穩(wěn)定類別及毛洞的自穩(wěn)能力。 3. 分析內(nèi)容洞室圍巖穩(wěn)定與開(kāi)挖時(shí)的應(yīng)力重分布及圍巖強(qiáng)度有關(guān)。初始應(yīng)力的大小和方向是洞室?guī)r體變形與穩(wěn)定程度的決定性因素。低應(yīng)力區(qū)的圍巖變形、失穩(wěn)具有自重