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1、第一节 水工隧洞的类型、特点及组成v 水工隧洞在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物。v 一、水工隧洞的类型v 1.按用途分类v 泄洪洞：配合溢洪道宣泄洪水，保证安全。v 引水洞：引水发电、灌溉或供水。v 排沙洞：排放水库泥沙，延长水库的使用年限，有利于水电站的正常运行。v 放空洞：在必要的情况下放空水库。v 导流洞：在水利枢纽的施工期用来施工导流。v 在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量考虑一洞多用，以降低工程造价。如施工导流洞与永久隧洞相结合，枢纽中的泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。http:/v2.按洞内水流状态分类v（1）有压洞：工作闸门布置在隧洞出
2、口，洞身全断面被水流充满，隧洞内壁承受较大的内水压力。v（2）无压洞：工作闸门布置在隧洞的进口，水流没有充满全断面，有自由水面。v 一般说来，隧洞可以设计成有压的，也可设计成无压的，也可设计成前段是有压的而后段是无压的。但应注意的是，在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止引起振动、空蚀等不利流态。二、水工隧洞的特点v（一）力学特点v 在岩层中开挖隧洞后，引起洞孔附近应力重新分布，岩体产生新的变形，严重的会导致岩石崩塌。围岩除了产生作用在衬砌上的围岩压力以外，同时又具有承载能力，可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。无缝钢管围岩压力与岩体承载能力的大小，主要取决于地质条件。
3、因此，应使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。v（二）施工特点v 隧洞洞身断面小，施工场地狭窄，洞线长，施工作业工序多，干扰大，工期一般较长。尤其是兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制着整个工程的工期。因此，加快施工进度是隧洞工程建设中需要引起足够的重视。v（三）水流特点v 枢纽中的泄水隧洞，其进口深式泄水洞。v 由于作用在隧洞上的水头较高，流速较大，如果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整，都可能出现气蚀而引起破坏，所以要求隧洞体型设计得当、施工质量良好。v 泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集中，在出口处有较强的冲刷能力，必须采取有效的消能防冲措施。三、水工隧洞的组成
4、v（1）进口建筑物。位于隧洞进口，其作用有：控制流量；保证进流顺畅，减小水头损失；拦污。v（2）洞身。位于隧洞中部，为水流通道。v（3）出口建筑物。位于隧洞出口，主要作用是保证过洞水流与下游平水建筑物衔接。第二节 水工隧洞的线路选择及工程布置v 一、水工隧洞的线路选择v 隧洞的路线选择关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等方面。影响隧洞线路选择的因素很多，如地质、地形、施工条件等。隧洞的线路选择主要考虑以下几个方面的因素：v1、地质条件v2、地形条件v3、水流条件v4、施工条件二、水工隧洞的工程布置v1、隧洞进、出口的布置v 布置主要包括：进、出口和洞身及闸门的布置。v（1）隧洞的进
5、口高程应根据隧洞的用途及实际运用要求来加以确定。v（2）隧洞的出口布置应保证水流下泄安全，出流平稳。v2、隧洞的纵坡选择v 有压洞的纵坡主要取决于进出口高程，要求全线洞顶保持不小于2m 的压力水头。有压洞的底坡不宜采取平坡或反坡，因其会出现压力余幅不足且不利于检修排水。有压洞的纵坡一般取为310。v 无压隧洞的纵坡应根据水力计算加以确定，一般要求在任何运用情况下，纵坡均应大于临界坡度。v3、闸门位置布置v 检修闸门设置在隧洞进口，一般要求在静水中启闭。v 工作闸门用来调节流量和封闭孔口，要求能在动水中启闭。v 无压洞的工作闸门布置在进口。为保证门后洞内无压流的流态，门后洞顶应高出洞内水面一定高
6、度，并向门后通气。v 有压洞的工作闸门布置在出口。洞内始终为有压流，水流流态稳定。深水式进水口布置图v4、多用途隧洞的布置v 为了减小工程量，降低工程造价，往往考虑一洞多用或临时任务与永久任务相结合的布置方式。v（1）泄洪洞与导流洞合一布置，在已建工程中较常采用。v（2）泄洪洞与发电洞合一布置v（3）发电与灌溉隧洞的合一布置第三节 水工隧洞的构造v 一、进口建筑物v 1、进口建筑物的形式v（1）竖井式v 竖井式进口是进口附近的岩体中开凿竖井。优点是结构比较简单，不需要工作桥，不受风浪和冰的影响，抗震性及稳定性好。v（2）塔式v 塔式进口建筑物是独立于隧洞的进口处而不依靠山坡的塔，用工作桥与岸坡
7、相连。其缺点是，受风浪、冰、地震的影响大，稳定性相对较差，需要较长的工作桥。常用于岸坡岩石较差，覆盖层较薄，不宜修建靠岸进口建筑物的情况。v（3）岸塔式v 此种进口是靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔。塔身可以是直立的或倾斜的。岸塔式的稳定性较塔式的好，不需工作桥。适用于岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。v(4)斜坡式v 斜坡式进水口是在较完整的岩坡上进行平整、开挖、护砌而修建的一种进水。优点是，结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺点是，由于闸门倾斜，闸门不易依靠自重下降。斜坡式进口一般只用于中、小型工程。v（5）组合式v 2进口段的组成及构造v 进口段的组成包括：进水喇叭口、闸门室、通
8、气孔、平压管和渐变段等。v 进水喇叭口v 隧洞进口为顶板和边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平底矩形断面，形成喇叭口。收缩曲线常采用1/4 椭圆曲线。v 通气孔v 设在泄水隧洞进口或中部的闸门之后应设通气孔，其作用是：v 在工作闸门各级开度下承担补气任务；v 检修时，在下放检修闸门后，放空洞内水流时补气；v 检修完成后，向检修闸门和工作闸门之间充水时，通气孔用以排气。v 通气孔的上部进口必须与闸门启闭机室分开设置。v 通气孔风速应保持在20 m/s 左右为好。v 平压管v 为了减小启门力，往往要求检修门在静水中开启。为此，常设置绕过检修门槽的平压管。v 平压管的尺寸根据所需的灌水时间（约8小时左右）
9、。v（4）拦污栅v 进口处的拦污栅是为了防止水库中的漂浮物进入隧洞。v（5）闸室段v 闸室段包括闸门、门槽、启闭设备等。闸门分为工作闸门与检修闸门。工作闸门要求动水中启闭，检修闸门要求静水中启闭。二、出口段及消能设施v 有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门前有渐变段，出口之后即为消能设施。无压隧洞出口仅设有门框，其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接。v 泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。v1挑流消能v 当隧洞出口高程高于或接近下游水位，且地形地质条件允许时
10、，采用扩散式挑流消能比较经济合理，因为它结构简单，施工方便，国内外泄洪、排沙隧洞广泛采用这种消能方式。v2底流消能v 当隧洞出口高程接近下游水位时，也可采用扩散式底流水跃消能。底流消能具有工作可靠、消能比较充分、对下游水面波动影响范围小的优点，但缺点是开挖量大、施工复杂、材料用量多、造价高。v3窄缝式挑坎消能v 窄缝式挑坎消能为挑坎处采用收缩成窄缝的布置形式。窄缝式挑坎与等宽挑坎不同之处在于，它的挑角很小，一般取0，顺水流方向，两侧边墙向中心的显著收缩使出水口处水流迅速加深，水舌的出射角在底部和表层差别很大，底部约0，表层可达45 左右，因此水舌下缘挑距缩短，上缘挑距加大，水流挑射高度增加，使
11、水流纵向扩散加大，减小了对河床单位面积上的冲击动能，同时水舌在空中扩散时及入水时大量掺气，在水舌进入水垫后气泡上升，大大减轻了对下游河床的冲刷。v4洞中突扩消能v 洞中突扩消能也称为孔板消能，它是在有压隧洞中设置过流断面较小的孔板，利用水流流经孔板时突缩和突扩造成的漩滚，在水流内部产生摩擦和碰撞，消减大量能量。v 黄河小浪底水利枢纽中将导流洞改建为压力泄洪洞，就采用了多级孔板消能方案，在直径为D=14.5m 的洞中布置了三道孔板，孔板间距为3D=43.5m，由导流洞改建的泄洪洞，经过三级孔板消能，可将140m 水头消煞去60m 水头，洞内平均流速仅10m/s。第四节 隧洞洞身的型式及构造v 一
12、、洞身断面型式及尺寸v1、无压隧洞的断面形式及尺寸v 无压隧洞多采用圆拱直墙形（城门洞）断面。如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面。v 无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞内水面线来确定。v 流速较低、通气良好的隧洞，要求水面以上净空不小于洞身断面面积的15%25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。在确定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等对最小尺寸的要求。v2、有压隧洞的断面形式及尺寸v 有压隧洞由于内水压力较大，一般均采用圆形断面。v 有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力要求以及沿程压坡线情况来确定。二、洞身衬砌的类型及构造v 衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁，主要
13、作用是：阻止围岩变形的发展，保证围岩的稳定；承受围岩压力、内水压力和其它荷载；防止渗漏；保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；平整围岩，减小表面糙率。v 1、衬砌的类型：平整衬砌（也称护面）、单层衬砌、喷锚衬砌、组合式衬砌、预应力衬砌 v 2、衬砌的分缝与止水v 在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工缝和永久性的横向变形缝。v 隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，衬砌需要加厚，应设置横向变形缝。v 围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。一般分段长度为612m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。纵向施工缝应设置在衬砌结构拉应力及剪应力较小的部位。v 3、灌浆v 回填
14、灌浆 v 回填灌浆是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，以改善传力条件和减少渗漏。v 固结灌浆 v 固结灌浆是为了加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏。v 4、排水v 设置排水是为了降低作用在衬砌外壁上的外水压力。v 对于无压隧洞衬砌，当地下水位较高时，外水压力成为衬砌的主要荷载。可在洞底设纵向排水管通向下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔，将地下水直接引入洞内，排水孔间距、排距以及孔深一般为24m。v 对于有压圆形隧洞，可不设置排水设备。当外水位很高，外水压力很大，对衬砌设计起控制作用时，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，
15、通至下游，必要时，为提高排水效果，可沿洞轴线每隔68m，设一道环向排水槽，环向排水槽可用砾石铺筑，将搜集渗水汇入纵向排水管。第五节 隧洞衬砌的荷载及结构计算v 一、荷载的种类及其计算 v 作用在隧洞衬砌上的荷载，分为基本荷载和特殊荷载两类。v 基本荷载，长期或经常作用在衬砌上的荷载。包括衬砌自重、围岩压力、设计条件下的内水压力、稳定渗流情况下的外水压力、预应力等。v 特殊荷载，即出现机遇较少的、不经常作用在衬砌上的荷载。包括校核洪水位时的内水压力和相应的外水压力、地震荷载、施工荷载、灌浆压力、温度荷载等。v 荷载计算的对象是单位洞长。v1、围岩压力v 在岩体中开挖隧洞，破坏了岩体的平衡状态，引
16、起围岩的应力重新分布，围岩发生变形，甚至塌落，衬砌承受的这些可能崩塌围岩的压力称为围岩压力，也称为山岩压力。v 围岩压力按作用的方向可分为垂直围岩压力和侧向围岩压力。v 对于不同的围岩类别，用不同的方法来估算围岩压力v 对于类围岩，可不计围岩压力。v 对于、类围岩，可用经验估算法来估算围岩压力，在隧洞开挖后，应根据补充的地质资料和实际情况，进行必要的修正。v 对于、类围岩，可按松散介质平衡理论，采用塌落拱法估算围岩压力。v 块状、中厚层或厚层状结构的围岩，可根据围岩中不稳定块体的重量来确定围岩压力。v 对于不能形成稳定塌落拱的浅埋隧洞，围岩压力可按隧洞拱顶上复岩体的重量来估算。v 采用喷锚支护
17、或钢支撑等围岩加固措施，已使围岩处于稳定状态，可少计或不计围岩压力。v 2、弹性抗力v 当衬砌承受荷载后，向围岩方向变形时，会受到围岩的抵抗，这个抵抗力称为弹性抗力。弹性抗力是当衬砌受力后向围岩变形，围岩反作用于衬砌，而使衬砌受到的被动抗力。弹性抗力的存在，对于衬砌是有利的。v 影响弹性抗力的因素主要是，围岩的岩性、构造、强度及厚度，同时还必须保证衬砌与围岩紧密结合。为有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固并填实衬砌与围岩间的空隙。由于弹性抗力对于衬砌是有利的，对弹性抗力的估算不能过高。v 弹性抗力的存在要求围岩有足够的厚度，对于有压洞，只有在围岩厚度大于倍开挖洞径时，才可考虑弹性抗力。对于
18、无压洞，如果两侧有足够的厚度且无不利的滑动面时，可以考虑弹性抗力。v3、内水压力v 内水压力是指作用在衬砌内壁上的水压力。它是有压隧洞的主要荷载。v 内水压力可分解为两部分：即均匀内水压力和非均匀内水压力（无水头洞内满水压力）。v 均匀内水压力是 由洞顶内壁以上的水头产生的。v 非均匀内水压力是指洞内充满水，洞顶处水压力为零，洞底处的水压力为 i 时的水压力。v 非均匀内水压力的合力，方向向下，数值等于单位洞长内的总水重。v 内水压力为以上两者的叠加。v4、外水压力v 外水压力是指作用在衬砌外壁上的地下水压力，其值取决于水库蓄水后的地下水位线的高低，难以准确计算。对于无压隧洞，一般采用在衬砌外
19、壁布置排水措施来消除外水压力。对于有压隧洞，外水压力有抵消内水压力的作用，需要慎重考虑。v 工程中常将地下水位线至隧洞衬砌外壁的作用水头乘上一个折减系数e 后，作为地下水位线的计算值。e 可参考书上表选用。v5、衬砌自重v 衬砌自重是指沿隧洞轴1米长衬砌的重量。v 衬砌单位面积上的自重强度g为：v g=hv 式中：h 衬砌材料的重度，kN/m3，混凝土h24 kN/m3，钢筋混凝土h=25 kN/m3.v 衬砌厚度，应考虑超挖回填的影响，m。v6、其它荷载v 灌浆压力、温度荷载、地震荷载等一些其它荷载，或为施工期临时作用或对衬砌影响较小或出现机率很小，在设计中较少考虑。二、荷载组合v 设计中常
20、考虑的荷载组合有：v 正常运用情况：围岩压力衬砌自重宣泄设计洪水时内水压力外水压力。v 施工、检修情况：围岩压力衬砌自重可能出现的最大外水压力。v 非常运用情况：围岩压力衬砌自重宣泄校核洪水时内水压力外水压力。v 正常运用情况属于基本组合，在衬砌设计时往往以正常运用情况来确定衬砌的厚度、材料强度等级和配筋量，用其它情况来作校核。三、衬砌结构计算v1、衬砌结构计算的目的是确定衬砌厚度、材料强度等级以及配筋量。v2、衬砌结构计算的对象v 根据隧洞沿线荷载、断面形状与尺寸的不同将其分为若干段，每段选取一代表性的单位洞长作为计算对象。v3、衬砌结构计算的步骤v（1）选择衬砌型式并初步拟定其厚度v（2）
21、分别计算单位洞长上各种荷载产生的内力，并按不同荷载组合叠加。v（3）进行强度校核、确定配筋量，判定初拟衬砌厚度是否合理并进行修改。v4、衬砌结构计算的方法v 当前有两种：一种是以衬砌为计算对象的结构力学法；另一种是以隧洞整体为计算对象的弹性力学法。第六节 新奥法与喷锚支护v 一、新奥法简介v 新奥法是新奥地利隧道工程法的简称。v 1、新奥法的基本内容v 围岩有自承应力。v 隧洞开挖应采用控制爆破及其他对围岩损伤较小的掘进方法。v 适时柔性支护。v 现场测量。v 2、新奥法的优点v（1）超挖少、支护层薄、工序少，工程建设能做到快速、经济。v（2）适应强、安全。v（3）地表沉陷小。二、隧洞的喷锚支
22、护v 1、喷锚支护的类型及适用条件v 定义：喷锚支护是喷混凝土、设置锚杆式联合使用喷混凝土 v 与锚杆支护的总称。有时还加钢筋网。（根据工程情况、地质条件选用）v 优点：节省三材，降低造价，减轻劳动强度，缩短工期，与常用衬砌比较：支护快、顶部紧帖、柔性大、糙率大。v 在水利水电工程中的应用：v 施工期临时支护及导流隧洞等临时工程v 永久性：无压隧洞的顶部部分v 有压隧洞的低水头、低流速 类型：v 喷锚支护v 喷锚支护与围岩共同工作，改善支护工作条件，也加固了围岩。喷了混凝土，隔绝围岩与大气的接触，堵塞渗水通道，给围岩的自身稳定性创造了有利的条件。v 锚杆支护（节理发育的围岩常采用）v 利用锚杆
23、将松动岩体或较软弱岩体联结在稳定的岩体上。v 喷混凝土+锚杆支护：用于强度不高或完整性很差的岩层。v 喷混凝土+锚杆+钢筋网支护v 对于软弱的不良地质岩层的喷锚支护中，一般加设钢筋网以承受拉应力，提高喷混凝土层的强度，并减少温度裂缝。二、喷锚支护的工作原理及计算方法 v1、原理：岩体中开挖洞室后，破坏了原有岩层的平衡状态，洞室附近应力分配，并有、向临空面产生位移。当围岩应力不超过弹性极限时岩体是稳定的；当围岩应力超过此极限强度时，这个区域内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区（日松弛区）。由于塑性影响，在洞壁处应力减小而在深处应力增大，并认为在该塑性区内形成一个承重圈，有一定承受周围岩石的能力（即自
24、承作用），如能及时进行支护，给岩体以反力，阻止其变形的发展，防止坍塌，保持围岩稳定。v 要求：喷锚支护与围岩紧密贴接；既有一定刚度，又有一定柔性。2、计算方法：v（1）危石理论的计算方法v 节理、裂隙、裂缝切割围岩的块体。v 块体间相互咬合v 主动力：为岩体重量；阻“掉”力：为咬合力v 1按“冲切”破坏（喷锚情况）v 按粘结破坏（撕开）（喷混凝土情况）v 悬吊理论（锚杆不拉断）（喷锚联合）v 可能坠落的岩体重量=锚杆承受的拉力v 缺点：1、未反映支护的整体作用。v、未反映应力场的调整。v、分析危石困难。v（2）组合拱理论的计算方法：v 认为衬砌与围岩共同承受山岩压力，根据不同岩层决定山岩压力，
25、按组合拱计算M、Q、Tv 缺点：不是M、Q、T 作用的内力破坏，与实际有差异。v 剪切破坏理论：v 奥地利-赖伯塞佳“剪切破坏理论”认为剪切破坏是唯一的形式，地层压力采用弹塑性理论计算。v 以上理论，尚处于探索、研究阶段，计算方法不尽完全合理，工程设计中大都采用类比法和进行某些粗略计算。三、喷锚支护设计v（一）确定支护参数v 围岩分五类：稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定、极不稳定。v 国内：喷锚厚度520cmv（二）选定适宜的支护时间四、水工隧洞中喷锚支护的几个问题v 1、锚喷衬砌的承载能力 v 25mmv 锚喷衬砌的厚度一般只有模浇衬砌的1/3 1/4。v 在隧洞进、出口等薄弱部位，担心开裂
26、，内水外渗而造成失稳。规范规定，这些部位仍用模浇混凝土。v、糙率系数问题 v 锚喷糙率系数比模浇混凝土大的多v 引水发电洞 水头损失（电能损失）只作施工稳定围岩用，v 泄水隧洞 易出现空蚀破坏 另外加模浇混凝土。v、抗冲刷能力问题 v 锚喷衬砌的厚度较薄、且表面粗糙，但规范仍规定v8m/sv、施工技术方法v 重视开挖：光面爆破或预裂爆破避免过大地对围岩的扰动。最大限度保持围岩的稳定性，减小洞壁表面的起伏差，在此基础上喷锚支护，大大降低糙率（n）。第七节 坝下涵管v 坝下涵管主要用于土石坝水库枢纽中，起引水、泄洪、冲沙、防空等作用。由于结构简单、施工方便、工期较短、造价低，因此在中小型工程中应用
27、较多。v 一、涵管的类型和工作特点v 坝下涵管属深式取水或泄水建筑物，水头一般较大，且有控制流量的要求，管身深埋在土石坝下，这种工作条件决定了它的工作特点及在设计中应注意下述的问题。v（1）涵管管身埋设在土石坝坝体下面，它的工作状况直接关系到坝体的安全。v（2）与隧洞一样，在同一管段中，必须避免有压流和无压流交替出现的工作状况。二、涵管的总体布置v 在进行涵管的线路选择及布置时，应综合考虑涵管的作用、地基情况、地形条件、水力条件、与其他建筑物之间的关系等因素，选择若干方案进行分析比较，以确定较优的方案。v（一）坝下涵管位置选择v 坝下涵管的位置选择，主要应考虑以下几个方面的因素：v（1）地形条
28、件v（2）地质条件v（3）运用条件v（4）水流条件v（二）坝下涵管的进出口建筑物v 1、进口建筑物v（1）分级卧管式v（2）斜拉闸门式v（3）塔式v 2、出口建筑物v（三）坝下涵管的管身型式及构造v 1、坝下涵管的管身型式v 通常由圆形、矩形及拱形等v 2、坝下涵管的构造v（1）管座v（2）伸缩缝v（3）截水环v（4）涵衣三、坝下涵管的水力计算v（一）分级卧管的水力计算v1、进水口的尺寸v2、卧管及坝下涵管的尺寸确定v3、消力池（井）v（二）塔式进水口涵管的水力计算v 这种型式进水口的涵管，一般均设计为无压流涵管。四、坝下涵管的结构计算v（一）管身上的荷载v 作用在涵管上的荷载主要有土压力、自重、内外水压力、地基反力、温度荷载等。v 管身上所受到土压力的大小，主要与填土高度、填土性质等因素有关，另外还与管道本身的刚度、基础的型式以及管道的埋设方式有关。v（二）圆形涵管管身的结构计算v 管身结构计算是在各项荷载确定后，求出管身的内力，并进行配筋急抗裂计算。v 1、横向计算v（1）求内力系数（2）求截面内力v（3）将内力叠加（4）进行配筋和抗裂计算v 2、纵向计算 v 涵管在荷载作用下，地基沿管身纵向将产生不均匀沉陷，实哦管身产生弯曲应力。当管身沿纵向伸缩受到地基约束时，还将使管身产生轴向力。v（三）钢筋混凝土矩形焊管的结构计算v 矩形断面的涵管也可以按横向和纵向分别进行内力计算。