水工隧洞布置及構造

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）結構特點

在巖層中開挖隧洞后，引起洞孔附近應力重新分布，巖體產(chǎn)生新的變形，嚴重的會導致巖石崩塌。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，主要取決于地質條件。因此，應使隧洞盡量避開軟弱巖層和不利的地質構造。第一節(jié)概述（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計得當、施工質量良好。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。（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。尤其是兼有導流任務的隧洞，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中需要引起足夠的重視?！?、水工隧洞的類型1.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，有利于水電站的正常運行。

（4）放空洞：在必要的情況下放空水庫。（5）導流洞：在水利樞紐的施工期用來施工導流。在設計水工隧洞時，應根據(jù)樞紐的規(guī)劃任務，盡量考慮一洞多用，以降低工程造價。如施工導流洞與永久隧洞相結合，樞紐中的泄洪、排沙、放空隧洞的結合等。2.按洞內水流狀態(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，隧洞內壁承受較大的內水壓力。（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，隧洞可以設計成有壓的，也可設計成無壓的，也可設計成前段是有壓的而后段是無壓的。但應注意的是，在同一洞段內，應避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替現(xiàn)象，以防止引起振動、空蝕等不利流態(tài)。第二節(jié)水工工隧洞的布置和和構造一、水工隧洞的的布置（一）水工隧洞洞的線路選擇隧洞的路線選擇擇關系到工程造造價、施工難易易、工程進度、、運行可靠性等等方面。影響隧隧洞線路選擇的的因素很多，如如地質、地形、、施工條件等。。隧洞的線路選選擇主要考慮以以下幾個方面的的因素：地質條件地形條件施工條件水流條件1．地質條件隧洞路線應選在在地質構造簡單單、巖體完整穩(wěn)穩(wěn)定、巖石堅硬硬的地區(qū)，盡量量避開不利的地地質構造，要盡盡量避開地下水水位高、滲水嚴嚴重的地段。洞洞線要與巖層、、構造斷裂面及及主要軟弱帶走走向有較大的交交角，對膠結緊緊密的厚巖層走走向，其夾角不不宜小于30°，對薄層以及層層間連接較弱，，其夾角不小于于45°。在高地應力地區(qū)區(qū)，洞線應與最最大水平地應力力方向盡量一致致，以減少隧洞洞的側向圍巖壓壓力。隧洞應有有足夠的覆蓋厚厚度，對于有壓壓隧洞，當考慮慮彈性抗力時，，圍巖的最小覆覆蓋厚度不小于于3倍洞徑。在隧洞的進、出出口處，圍巖的的厚度往往較薄薄，一般情況下下，進、出口頂頂部的巖體厚度度不宜小于1倍的洞徑或洞寬寬。2．地形條件隧洞的路線在平平面上應盡量短短而直。如因地地形、地質、樞樞紐布置等原因因需要轉彎時，，對于低流速的的隧洞彎道曲率率半徑不應小于于5倍洞徑或洞寬，，轉彎轉角不宜宜大于60°，彎道兩端的直直線段長度也不不宜小于5倍的洞徑或洞寬寬。高流速的隧隧洞應避免設置置曲線段。3.水流條件隧洞的進口應力力求水流順暢，，減少水頭損失失。水流應與下下游河道平順銜銜接，與土石壩壩下游壩腳及其其建筑物保持足足夠距離，防止止出現(xiàn)沖刷。4.施工條件洞線選擇應考慮慮施工出渣通道道及施工場地布布置問題。對于于長隧洞，還應應注意利用地形形、地質條件布布置施工支洞、、斜洞、豎井，，增加總工作面面，加快施工進進度。此外，洞線選擇擇應滿足樞紐總總體布置和運行行要求，避免在在隧洞施工和運運行中對其它建建筑物產(chǎn)生干擾擾。（二）水工隧洞洞的工程布置隧洞進、出口的的布置主要包括括：進、出口和和洞身及閘門的的布置。1、進、出口布置置（1）隧洞的進口高高程應根據(jù)隧洞洞的用途及實際際運用要求來加加以確定。發(fā)電引水隧洞的的進口，頂部高高程應在水庫最最低工作水位以以下0.5～1.0m，底部應高出水水庫淤沙高程最最少1.0m以上。灌溉隧洞的進口口高程應保證在在水庫最低工作作水位時，能引引入設計流量，，應滿足引水高高程的要求，并并應與下游灌區(qū)區(qū)布置在同一側側。排沙洞應設置在在需要排沙的發(fā)發(fā)電、灌溉引水水洞進口附近，，其高程宜較低低。用于放空水庫和和施工導流的隧隧洞進口高程一一般都較低。進口的進水方式式有表孔溢流式式和深水進口式式兩種。前者的的進口布置方式式與岸邊溢洪道道相似，只是用用隧洞代替了泄泄槽，泄水時，，洞內為無壓流流。具體布置見見下圖深式進水口的隧隧洞，可以是無無壓的或有壓的的。這種布置形形式與重力壩上上的泄水孔布置置形式相似。（2）隧洞的出口布布置應保證水流流下泄安全，出出流平穩(wěn)。對于有壓隧洞，，出口斷面面積積應小于洞身斷斷面積，以保持持洞內有較大的的正壓。出口的的斷面積宜收縮縮為洞身斷面的的80%～90%，收縮方式采用用洞頂壓坡的形形式。隧洞的出口應通通過技術經(jīng)濟比比較選擇消能防防沖方式。對于于高流速、高水水頭、大流量的的泄水隧洞，常常為挑流消能。。2．隧洞的縱坡選選擇有壓洞的縱坡主主要取決于進出出口高程，要求求全線洞頂保持持不小于2m的壓力水頭。有有壓洞的底坡不不宜采取平坡或或反坡，因其會會出現(xiàn)壓力余幅幅不足且不利于于檢修排水。有有壓洞的縱坡一一般取為3‰～10‰。無壓隧洞的縱坡坡應根據(jù)水力計計算加以確定，，一般要求在任任何運用情況下下，縱坡均應大大于臨界坡度。。3.閘門位置布置檢修閘門設置在在隧洞進口，一一般要求在靜水水中啟閉。工作作閘門用來調節(jié)節(jié)流量和封閉孔孔口，要求能在動水中啟閉。。無壓洞的工作閘閘門布置在進口口。為保證門后后洞內無壓流的的流態(tài)，門后洞洞頂應高出洞內內水面一定高度度，并向門后通通氣。有壓洞的工作閘閘門布置在出口口。洞內始終為為有壓流，水流流流態(tài)穩(wěn)定。具具體布置見下圖圖。4.多用途隧洞的布布置為了減小工程量量，降低工程造造價，往往考慮慮一洞多用或臨臨時任務與永久久任務相結合的的布置方式。(1)泄洪洞與導流洞洞合一布置在已已建工程中較常常采用。導流洞的進口高高程較低，而泄泄洪洞進口高程程可以較高，常常在施工導流任任務完成后，將將導流洞前段堵堵塞，而在原導導流洞口的上方方另設進口，由由上部進口向后后，隧洞底坡設設計為拋物線形形式，然后再接接一反弧段與原原導流洞相銜接接。這種布置形形式在工程上常常形象地稱為龍龍?zhí)ь^形式。(2)泄洪洞與發(fā)電洞洞合一布置泄洪洞與發(fā)電洞洞的合一布置是是在洞前段共用用一洞，在后段段分岔為兩個洞洞分別來泄洪與與發(fā)電。對于泄泄洪量大、經(jīng)常常使用的泄洪洞洞或重要的水電電站，不宜采用用這種布置方式式。(3)發(fā)電與灌溉隧洞洞的合一布置發(fā)電與灌溉隧洞洞合一布置，水水輪機尾水后接接灌溉渠道，利利用發(fā)電尾水進進行灌溉。由于于發(fā)電是經(jīng)常性性的，而灌溉用用水是季節(jié)性的的，所以應在發(fā)發(fā)電尾水的后面面設置一棄水設設施，將不需灌灌溉時的發(fā)電尾尾水排入下游河河道。有壓洞的工作閘閘門布置在出口口布置圖二、水工隧洞的的布置和構造（一）進口段的的形式和構造1．進口建筑物的的形式（1）豎井式豎井式進口是進進口附近的巖體體中開鑿豎井。。優(yōu)點是結構比比較簡單，不需需要工作橋，不不受風浪和冰的的影響，抗震性性及穩(wěn)定性好。。構造布置見下下圖。（2）塔式塔式進口建筑物物是獨立于隧洞洞的進口處而不不依靠山坡的塔塔，用工作橋與與岸坡相連。其其缺點是，受風風浪、冰、地震震的影響大，穩(wěn)穩(wěn)定性相對較差差，需要較長的的工作橋。常用用于岸坡巖石較較差，覆蓋層較較薄，不宜修建建靠岸進口建筑筑物的情況。構構造布置見下圖圖。（3）岸塔式此種進口是靠在在開挖后洞臉巖巖坡上的進水塔塔。塔身可以是是直立的或傾斜斜的。岸塔式的的穩(wěn)定性較塔式式的好，不需工工作橋。適用于于岸坡較陡，巖巖體比較堅固穩(wěn)穩(wěn)定的情況。構構造布置見下圖圖。(4)斜坡式斜坡式進水口是是在較完整的巖巖坡上進行平整整、開挖、護砌砌而修建的一種種進水。優(yōu)點是是，結構簡單，，施工、安裝方方便，穩(wěn)定性好好，工程量小。。缺點是，由于于閘門傾斜，閘閘門不易依靠自自重下降。斜坡坡式進口一般只只用于中、小型型工程。構造布布置見下圖。(5)組合式在實際工程中常常根據(jù)地形、地地質、施工等具具體條件采用。。如半豎井半塔塔式進水口，下下部靠岸的塔式式進水口等。具具體布置見下圖圖。2．進口段的組成成及構造進口段的組成包包括：進水喇叭叭口、閘門室、、通氣孔、平壓壓管和漸變段等等。進水喇叭口：隧隧洞進口為頂板板和邊墻順水流流方向三向逐漸漸收縮的平底矩矩形斷面，形成成喇叭口。收縮縮曲線常采用1/4橢圓曲線。豎井式構造布置置圖塔式構造布置圖圖岸塔式構造布置置圖斜坡式構造布置置圖組合式構造布置置圖通氣孔：設在泄泄水隧洞進口或或中部的閘門之之后應設通氣孔孔，其作用是：：①在工作閘門各各級開度下承擔擔補氣任務；②檢修時，在下下放檢修閘門后后，放空洞內水水流時補氣；③檢修完成后，，向檢修閘門和和工作閘門之間間充水時，通氣氣孔用以排氣。。通氣孔的上部進進口必須與閘門門啟閉機室分開開設置，通氣孔孔風速應保持在在20m/s左右為好。平壓管：為了減減小啟門力，往往往要求檢修門門在靜水中開啟啟。為此，常設設置繞過檢修門門槽的平壓管。。平壓管的尺寸根根據(jù)所需的灌水水時間（約8小時左右）。具具體布置見下圖圖。（4）攔污柵：進口口處的攔污柵是是為了防止水庫庫中的漂浮物進進入隧洞。（5）漸變段、閘門門室：漸變段及及閘門室等，可可參見第二章第第七節(jié)重力壩的的深式泄水孔有有關內容。（二）洞身段的的形式與構造1．洞身斷面形式式及尺寸(1)無壓隧洞的斷面面形式及尺寸無壓隧洞多采用用圓拱直墻形（（城門洞）斷面面。如圍巖條件件較差還可以采采用馬蹄形斷面面。無壓隧洞的斷面面尺寸主要根據(jù)據(jù)其泄流能力要要求及洞內水面面線來確定。流速較低、通氣氣良好的隧洞，，要求水面以上上凈空不小于洞洞身斷面面積的的15%～25%，沖擊波波峰高高不應超過城門門洞形斷面的直直墻范圍。在確確定隧洞斷面尺尺寸時，還應考考慮到洞內施工工和檢查維修等等對最小尺寸的的要求。(2)有壓隧洞的斷面面形式及尺寸有壓隧洞由于內內水壓力較大，，一般均采用圓圓形斷面。有壓隧洞的斷面面尺寸應根據(jù)泄泄流能力要求以以及沿程壓坡線線情況來確定。。2．洞身襯砌的類類型及構造襯砌是指沿開挖挖洞壁而做的人人工護壁，主要要作用是：①阻止圍巖變形形的發(fā)展，保證證圍巖的穩(wěn)定；；②承受圍巖壓力力、內水壓力和和其它荷載；③③防止?jié)B漏；④保護圍巖免受受水流、空氣、、溫度、干濕變變化等的沖蝕破破壞作用；⑤平整圍巖，減減小表面糙率。。(1)襯砌的類型1)平整襯砌（也稱稱護面）：用用混凝土、噴混混凝土和漿砌石石做成的護面，，它不承受荷載載，僅起到平整整隧洞表面、減減小糙率、防止止?jié)B漏、保護巖巖石不受風化的的作用。2)單層襯砌：用混混凝土、鋼筋混混凝土做成。單單層襯砌適用于于中等地質條件件，隧洞斷面較較大，水頭及流流速較高的情況況，混凝土和單單層鋼筋混凝土土襯砌的厚度不不宜小于25cm，雙層鋼筋混凝凝土襯砌的厚度度不宜小于30cm。3)噴錨襯砌：噴錨錨襯砌是利用錨錨桿和噴混凝土土加固圍巖措施施的總稱，是逐逐漸發(fā)展起來的的新型加固措施施。4)組合式襯砌：在在開挖斷面周邊邊不同部位采用用不同的襯砌材材料組合而成。。如內層為鋼板板、鋼筋網(wǎng)噴漿漿，外層為混凝凝土或鋼筋混凝凝土；如頂拱為為混凝土，邊墻墻和底板采用漿漿砌石。5)預應力襯砌：：預應力襯砌是是對混凝土、鋼鋼筋混凝土襯砌砌的外壁施加預預壓應力，以便便在運用時抵消消內水壓力產(chǎn)生生的拉應力。預預應力襯砌多用用于高水頭有壓壓隧洞。(2)襯砌的分縫與止止水在混凝土及鋼筋筋混凝土襯砌中中，一般設有施施工縫和永久性性的橫向變形縫縫。隧洞在穿過斷層層、軟弱破碎帶帶以及和豎井交交接處，襯砌需需要加厚，應設設置橫向變形縫縫。圍巖地質條件比比較均一的洞身身段只設施工縫縫。一般分段長長度為6～12m，底拱和邊拱、、頂拱的環(huán)向縫縫不得錯開?？v縱向施工縫應設設置在襯砌結構構拉應力及剪應應力較小的部位位。(3)灌漿1)回填灌漿：回填灌漿是為了了填充襯砌與圍圍巖之間的空隙隙，使之結合緊緊密，以改善傳傳力條件和減少少滲漏。2)固結灌漿：固結灌漿是為為了加固圍巖巖，提高圍巖巖的整體性，，減小圍巖壓壓力，保證巖巖石的彈性抗抗力，減小地地下水對襯砌砌的壓力和減減少滲漏。(4)排水設置排水是為為了降低作用用在襯砌外壁壁上的外水壓壓力。對于無壓隧洞洞襯砌，當?shù)氐叵滤惠^高高時，外水壓壓力成為襯砌砌的主要荷載載?？稍诙吹椎自O縱向排水水管通向下游游，或在洞內內水面線以上上，通過襯砌砌設置排水孔孔，將地下水水直接引入洞洞內，排水孔孔間距、排距距以及孔深一一般為2-4m。對于有壓圓形形隧洞，可不不設置排水設設備。當外水水位很高，外外水壓力很大大，對襯砌設設計起控制作作用時，可在在襯砌底部外外側設縱向排排水管，通至至下游，必要要時，為提高高排水效果，，可沿洞軸線線每隔6～8m，設一道環(huán)向向排水槽，環(huán)環(huán)向排水槽可可用礫石鋪筑筑，將搜集滲滲水匯入縱向向排水管。具具體布置見下下圖。（三）出口段段及消能設施施有壓隧洞的出出口常設有工工作閘門及啟啟閉機室，閘閘門前有漸變變段，出口之之后即為消能能設施。無壓壓隧洞出口僅僅設有門框，，其作用是防防止洞臉及其其以上巖石崩崩塌，并與擴擴散消能設施施的兩側邊墻墻相銜接。泄水隧洞出口口水流的特點點是隧洞出口口寬度小，單單寬流量大，，能量集中，，所以常在出出口處設置擴擴散段，使水水流擴散，減減小單寬流量量，然后再以以適當形式消消能。1．挑流消能當隧洞出口高高程高于或接接近下游水位位，且地形地地質條件允許許時，采用擴擴散式挑流消消能比較經(jīng)濟濟合理，因為為它結構簡單單，施工方便便，國內外泄泄洪、排沙隧隧洞廣泛采用用這種消能方方式。2．底流消能當隧洞出口高高程接近下游游水位時，也也可采用擴散散式底流水躍躍消能。底流流消能具有工工作可靠、消消能比較充分分、對下游水水面波動影響響范圍小的優(yōu)優(yōu)點，但缺點點是開挖量大大、施工復雜雜、材料用量量多、造價高高。3．窄縫式挑坎坎消能窄縫式挑坎消消能為挑坎處處采用收縮成成窄縫的布置置形式。窄縫縫式挑坎與等等寬挑坎不同同之處在于，，它的挑角很很小，一般取取0°，順水流方向向，兩側邊墻墻向中心的顯顯著收縮使出出水口處水流流迅速加深，，水舌的出射射角在底部和和表層差別很很大，底部約約0°，表層可達45°左右，因此水水舌下緣挑距距縮短，上緣緣挑距加大，，水流挑射高高度增加，使使水流縱向擴擴散加大，減減小了對河床床單位面積上上的沖擊動能能，同時水舌舌在空中擴散散時及入水時時大量摻氣，，在水舌進入入水墊后氣泡泡上升，大大大減輕了對下下游河床的沖沖刷。4．洞中突擴消消能洞中突擴消能能也稱為孔板板消能，它是是在有壓隧洞洞中設置過流流斷面較小的的孔板，利用用水流流經(jīng)孔孔板時突縮和和突擴造成的的漩滾，在水水流內部產(chǎn)生生摩擦和碰撞撞，消減大量量能量。黃河小浪底水水利樞紐中將將導流洞改建建為壓力泄洪洪洞，就采用用了多級孔板板消能方案，，在直徑為D=14.5m的洞中布置了了三道孔板，，孔板間距為為3D=43.5m，由導流洞改改建的泄洪洞洞，經(jīng)過三級級孔板消能，，可將140m水頭消煞去60m水頭，洞內平平均流速僅10m/s。第三節(jié)隧隧洞的運用管管理隧洞和涵管由由于設計、施施工、管理等等方面的原因因，可能出現(xiàn)現(xiàn)裂縫、斷裂裂、漏水、空空蝕及磨損破破壞等現(xiàn)象，，影響工程的的正常運用。。特別是壩下下涵管的斷裂裂漏水，不僅僅影響水庫的的興利，而且且有可能引起起垮壩的重大大事故，所所以，要加強強經(jīng)常性檢查查養(yǎng)護，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)問題及時處處理。一、隧洞的檢檢查養(yǎng)護隧洞的檢查養(yǎng)養(yǎng)護內容主要要有以下幾個個方面。1、運用前要經(jīng)經(jīng)常檢查隧洞洞的襯砌或涵涵管有無變形形、裂縫、漏漏水，出口部部位有無異常常潮濕和漏水水現(xiàn)象，要及及時分析原因因并進行處理理。2、運用期間，，隨著閘門的的啟閉要密切切注意觀察和和傾聽洞內有有無異常響聲聲，要作好記記錄；對于壩壩下涵管，要要觀察其附近近的上下游壩壩坡有無塌坑坑、裂縫或濕濕軟等現(xiàn)象。。應及時清理理通氣孔吸入入的雜物，確確保其暢通。。特別應指出出的是要正確確操作運用，，避免洞（管管）內出現(xiàn)明明、滿交替的的流態(tài)，閘門門的啟閉均應應緩慢進行，，避免流量的的猛增猛減，，防止洞內產(chǎn)產(chǎn)生超壓、負負壓或水錘等等不良現(xiàn)象，，對于無壓洞洞嚴禁在受壓壓情況下使用用。3、運用之后，，要認真檢查查洞或管壁有有無蜂窩、麻麻面、有無裂裂縫和漏水的的孔洞，出口口消能設施有有無損壞現(xiàn)象象等，要分析析其產(chǎn)生的原原因，提出處處理的方法。。閘門、啟閉機機要經(jīng)常檢查查、養(yǎng)護，以以確保靈活、、安全。其它方面，如如發(fā)生嚴重冰冰凍后，要防防止冰凍對進進水塔和進水水口造成冰凍凍破壞，位于于地震區(qū)的水水庫，當發(fā)生生五級以上的的地震后，應應進行全面檢檢查，發(fā)現(xiàn)問問題及時處理理，禁止在建建筑物附近采采石爆破或炸炸魚，以免因因振動引起隧隧洞或涵洞斷斷裂，對于洞洞頂巖石厚度度小于3倍洞徑的情況況，禁止在頂頂部堆放重物物或修建其它它建筑物，以以免發(fā)生意外外二、隧洞常見見的問題及處處理（一）隧洞常常見問題及產(chǎn)產(chǎn)生原因1.隧洞襯砌開裂裂漏水隧洞襯砌開裂裂漏水的主要要原因有以下下幾個方面。。設計不合理引引起襯砌開裂裂。施工質量差。。運用管理不當當。2.隧洞的空蝕破破壞空蝕的產(chǎn)生與與多種因素有有關，其中，，流速