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1、 水 工 隧 洞1 1第一节 概述一、水工隧洞概念一、水工隧洞概念在地基内开挖而成，四周被围岩包围起来的水工建在地基内开挖而成，四周被围岩包围起来的水工建筑物。筑物。二、功能二、功能1.1.泄洪；泄洪；2.2.发电、灌溉、给水等所需的引水；发电、灌溉、给水等所需的引水；3.3.检修或其他原因需要放空水库检修或其他原因需要放空水库；4.4.排沙；排沙；5.5.施工导流施工导流2三、类型1、按功能分：泄洪、泄水、引水、输水、放空、排砂、施工导流。2、按流态分：有压和无压。3、按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。4、按流速分：高速（16m/s）,低速(16m/s)3刘家峡水
2、电站 刘家峡水电站 由混凝土重力坝、黄土副坝、电站厂房及泄洪排沙等建筑物组成，由混凝土重力坝、黄土副坝、电站厂房及泄洪排沙等建筑物组成，是以发电为主，兼有防洪、防凌等作用的枢纽。由于河谷狭窄，导流及泄洪量大，除布 是以发电为主，兼有防洪、防凌等作用的枢纽。由于河谷狭窄，导流及泄洪量大，除布置有开敞式河岸溢洪道外，还设有大断面的导流兼泄洪隧洞。置有开敞式河岸溢洪道外，还设有大断面的导流兼泄洪隧洞。4白山水电站拦河坝为三心等厚重力拱，设有三条引水隧洞和三条尾水隧洞。6四、工作特点结构型式和承载方面 开挖前：岩体处于整体稳定状态，开挖后：原由的地应录平衡被打破，引起变形，严重时可能导致岩石崩塌，需进
3、行开挖衬砌支护。围岩压力(山岩压力)与弹性抗力的概念1.围岩压力:隧洞开凿后由于围岩变形(或塌落)而作用在衬砌上的压力,是一种主动力.2.弹性抗力:当衬砌受到某些主动力的作用而向围岩方向变位时,会受到围岩的限制而产生反作用力.是一种被动力,能协助衬砌分担外荷载,是有利的.水力特性封闭断面水工隧洞受高水头动水压力作用。有压隧洞相当于管流，受内水压力作用。若衬砌漏水，压力水渗入围岩裂隙，从而产生附加渗透压力，导致岩体失稳。要求坚固的衬砌。无压隧洞明渠流，高速水流下，在固体不平整边界上可能会引起空蚀。施工方面无论开挖或衬砌，其工作面比地面上小得多，洞线长，干扰大。7五、采用水工隧洞的条件1、山岭起伏
4、地区的引水式电站；2、过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖方大不经济时；3、修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰冻威胁时；4、深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导流及泄洪建筑物时；5、水电站厂房采用地下结构时。8一、水工隧洞的总体布置 水工隧洞的结构组成：进口段，洞身段，出口段。10闸门的布置：对泄水隧洞来说，一般需设两道闸门，即控制泄流的工作闸门和工作闸门检修时挡水的检修闸门。检修闸门一般位于隧洞进口处，且在工作闸门上游。工作闸门一般位于：有压隧洞：出口处；无压隧洞：进口处。启闭：工作闸门应能在动水中启闭；检修闸门在动水中关闭，静水中开启。泄水隧洞的布置形式：表孔泄洪隧洞和深
5、式泄水隧洞。112、深孔泄水隧洞的布置组成：水下进水口，洞身和出口消能段。根据进水口位置的不同可将进水口分为低位进水口和“龙抬头”式进水口。1315二、水工隧洞的选线和定位 水工隧洞的布置是其设计问题中的关键，隧洞的选线则是隧洞布置得首要问题，直接关系到施工期限，工程造价及工程运行的可靠性。影响隧洞线路选择堵塞因素很多，诸如地形、地质条件，施工条件等。设计时必须根据隧洞的用途，综合考虑地形地质、施工，枢纽总体布置及对周围环境的影响等各种因素，拟定不同方案，经技术经济比较后确定。选线原则：地质条件好，线路短，水流顺畅，与枢纽和其他建筑物互不影响，安全经济。具体要求：地质条件：洞线宜选在地质构造简
6、单，岩体完整且稳定，其上的覆盖层厚度大（尤其对有压隧洞来说洞顶以上围岩厚度至少要大于洞顶静水压力的重量），施工方便的地段。避开破碎带，避开地下水位高、可能坍塌的不稳定岩石 地形条件：平面上尽量直线布置，必须转弯时要求转弯半径不小于倍洞径或洞宽，弯道转角不大于60，弯段上下游直线段长度不小于倍洞径或洞宽。无压隧洞高速流段尽量不转弯。16第三节 水工隧洞的进口段一、表孔泄洪隧洞的进口一、表孔泄洪隧洞的进口类似于正槽溢洪道的进口堰型选择 类似于正槽溢洪道的进口堰型选择流溪河水电站泄洪洞进口单位：m18二、深孔水工隧洞的进口1、基本结构形式按其布置和结构型式不同，分为：竖井式,塔式,岸塔式,斜坡式,组
7、合式竖井式进水口：（图）组成：闸前渐变段，竖井，闸后渐变段。优点：结构简单，节省工作桥,不受风浪和冰的影响，抗震及稳定性好。缺点：竖井开挖困难，检修门前一段隧洞检修不便。适用：河岸岩石坚固,开凿竖井无塌方危险。竖井式进水口 单位:m19塔式进水口：组成：闸前渐变段，塔身，闸后渐变段。优点：为独立悬臂结构，布置紧凑,闸门检修相对来说方便。缺点：另设工作桥，可能增加投资，需进行稳定验算。适用：进口处岸坡低缓,覆盖层较厚,山岩破碎,不宜开凿竖井。类型：框架式塔和封闭式塔。框架式塔式进水口 单位：m封闭式塔式进水口20岸塔式进水口：优点：稳定性比塔式好，造价比塔式省，施工方便,地形、地质条件许可时优先
8、选用。缺点：若倾斜,闸门也斜,启门力增加,不易靠自重关闭闸门.适用：进口处岩石坚固，可开挖成近于直立的陡壁时。岸塔式进水口 单位:m21斜坡式进水口：优点：结构简单，施工方便，稳定性好，造价最低。缺点：斜坡上装闸门，关门时不易靠自重下降，需另加关门力。适用：较为完整的岩坡。响洪甸泄洪洞斜坡式进水口 单位：m222、深孔水工隧洞的体型（1）闸前及闸后渐变段：闸前喇叭口和闸后渐变段.上墙:侧墙:D-断面高度 B-断面宽度方变圆的渐变段闸后渐变段的长度以洞身直径或洞高的1.52.0倍为宜.2425（2）通气孔:补气和排气.（3）平压管（图）（4）拦污栅平压管26（一）有压隧洞断面形态与过水能力：圆形
9、 圆形断面的优点：流态好，受力条件好，过水能力强。洞身过水面积：w洞身过水面积，Q最大设计流量，兼计沿程与局部阻力的流量系数，H计算断面的作用水头。有压引水隧洞洞内水流流速低，以减小水头损失，保证发电所需的能量；有压泄洪隧洞洞内水流流速高，以便让洪水尽快下泄。28（二）无压隧洞断面形态及过水能力：城门洞形、马蹄型或圆形城门洞形断面的优点：适宜于承受垂直山岩压力，也便于开挖和衬砌。城门洞形断面的缺点：拱圈受力较差。为了减小或消除作用在侧墙上的侧向围岩压力，可把直墙改为斜墙，变成马蹄形断面。29隧洞断面形式及衬砌类型(单位：cm)(a)(f)单层衬砌；(g)(i)组合式衬砌；(k)(l)预应力衬砌
10、313、衬砌的分缝和止水（1）整体式衬砌在施工中要分段分块浇筑，需设横、纵向工作缝（图）；跳仓浇筑.陆浑水库泄洪洞衬砌施工分缝 单位：m衬砌的纵向施工缝32（2）永久横向伸缩缝：沉陷变形伸缩缝和温度变形伸缩缝（图）。伸缩沉陷缝 单位：m334、灌浆、防渗和排水（1）灌浆：回填灌浆和固结灌浆。回填灌浆：填充衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合以改善传力条件，减小渗漏。一般施工中在衬砌顶拱部分时预留灌浆孔（图）。范围：顶拱90120之间，孔矩和排矩2 6米，灌浆压力一般为0.2 0.5MPa.固结灌浆：为了加固围岩，提高围岩的强度和整体性，减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减
11、少渗漏而做。由于其一般在衬砌后进行，故还可起预压作用。孔深：一倍隧洞半径，梅花形，间矩2 4米。灌浆压力：1.5 2.0倍内水压力，一般0.31.0MPa.灌浆孔布置图34（2)防渗与排水 当地下水位较高时外水压力将会成为主要荷载,因此防渗排水设施不可缺少.对无压洞:当外水压力较大时,可在洞内最高水面线以上通过衬砌来设置排水孔（图）.对有压洞:在洞底部设置纵向排水管和横向排水沟,间矩6 8米.无压隧洞排水布置图35第五节 隧洞的出口段一、出口段结构体型一、出口段结构体型1 1、有压：、有压：出口处设闸门，因此设闸室，用以布置闸门及相应的启 出口处设闸门，因此设闸室，用以布置闸门及相应的启闭设备
12、，门前设渐变段，门后接消能设施。闭设备，门前设渐变段，门后接消能设施。2 2、无压：、无压：出口处无闸门，因此其型式相对简单，仅设门框，以防 出口处无闸门，因此其型式相对简单，仅设门框，以防洞脸及其上部岩体崩塌，洞身直接与消能设施相连。洞脸及其上部岩体崩塌，洞身直接与消能设施相连。36二、消能方式1、挑流消能2、扩散水跃消能3、洞内消能37第六节 隧洞衬砌的结构计算一、水工隧洞的荷载组合一、水工隧洞的荷载组合基本荷载基本荷载与与特殊荷载特殊荷载）正常运用情况）正常运用情况围岩压力围岩压力+衬砌自重衬砌自重+设计洪水时的内、外水压力设计洪水时的内、外水压力）施工、检修情况）施工、检修情况围岩压力
13、围岩压力+衬砌自重衬砌自重+可能最大的外水压力可能最大的外水压力）非常运用情况）非常运用情况围岩压力围岩压力+衬砌自重衬砌自重+校核洪水时的内、外水压力校核洪水时的内、外水压力38二、衬砌上的荷载计算、围岩压力：垂直围岩压力；侧向围岩压力；底部上挤力392、弹性抗力：当衬砌受力变形后，变形方向指向围岩，就产生弹性抗力。*考虑弹性抗力的条件:(1)围岩没有不利的断层或裂隙;(2)围岩厚度大于洞中内水压力的0.4倍;(3)围岩厚度大于3倍洞径;(4)围岩与衬砌之间的间隙被完好填充,接触紧密.弹性抗力的计算：其中,k为岩石抗力系数,为围岩变形.3.水荷载（1）内水压力：有压:压坡线。无压:洞内水深。
14、（2）外水压力：指作用在衬砌外壁上的地下水压力，其值取决于洞外地下水位线的高低和外水压力，折减系数的大小。40三、三、隧洞衬砌的结构计算隧洞衬砌的结构计算 衬砌的计算包括确定衬砌厚度，配筋，校核衬衬砌的计算包括确定衬砌厚度，配筋，校核衬砌强度等砌强度等计算方法计算方法：（1 1）结构力学方法：）结构力学方法：以衬砌为计算方法，只能求到衬砌 以衬砌为计算方法，只能求到衬砌的应力，得不到围岩的应力；的应力，得不到围岩的应力；（2 2）弹性力学方法：）弹性力学方法：以隧洞整体为计算对象。要求围岩 以隧洞整体为计算对象。要求围岩满足均匀各向同性无限弹性体，圆洞，均匀内压力要求。满足均匀各向同性无限弹性
15、体，圆洞，均匀内压力要求。（3 3）有限元方法：）有限元方法：能够对任何复杂的岩体结构中的隧洞 能够对任何复杂的岩体结构中的隧洞进行线性或非线性分析，成为最有效的方法。进行线性或非线性分析，成为最有效的方法。41一、铅直断面为圆形的洞室衬砌结构计算 内水压力是主要荷载，同时应谨慎而充分地考虑弹性抗力。1、均匀内水压力作用下的圆形洞室衬砌内力计算 先根据管外璧与围岩接触面之间的变形相容条件求出弹性抗力，再用轴对称受力圆管的弹性理论计算衬砌的内力；2、弹性抗力作用下的圆形洞室衬砌内力计算 分别计算各种荷载产生的内力，按不同的荷载组合进行迭加，进行强度校核和配筋。42二、无压隧洞的衬砌结构计算1.荷载：围岩压力，衬砌自重，内水压力，弹性抗力，摩擦力等。（围岩压力、外水压力是主要荷载）2.设计荷载组合：（1）不考虑弹性抗力：垂直山岩压力+侧向山岩压力+衬砌自重；（2）考虑弹性抗力：垂直山岩压力+弹性抗力+岩石弹性抗力产生的摩擦力+衬砌重；43