水工建筑物第七章教学课件

水工建筑物水工建筑物 第第7章章 第第7 7章章 水工隧洞与坝下涵管水工隧洞与坝下涵管 定义：定义：在蓄水枢纽中，为了灌溉、发电、在蓄水枢纽中，为了灌溉、发电、城镇供水、泄洪、排沙、放空水库以及施工城镇供水、泄洪、排沙、放空水库以及施工导流等目的而穿山凿石、修建在岩层之中或导流等目的而穿山凿石、修建在岩层之中或埋设在土石坝坝体下面的取水及泄水建筑物。埋设在土石坝坝体下面的取水及泄水建筑物。小资料：小资料：小资料：小资料：我国水工隧洞发展概况我国水工隧洞发展概况我国水工隧洞发展概况我国水工隧洞发展概况 截止截止20世纪末，我国已建成水工隧洞的总世纪末，我国已建成水工隧洞的总长超过长超过500km，其中，其中5km以上的有以上的有41条。较典条。较典型的有四川太平驿水电站的有压引水隧洞，长型的有四川太平驿水电站的有压引水隧洞，长10.6km，直径，直径9m（开挖直径（开挖直径10m），于），于90年代年代初兴建。此外还有贵州南盘江上兴建的天生桥初兴建。此外还有贵州南盘江上兴建的天生桥二级水电站的三条引水洞，总长二级水电站的三条引水洞，总长30km，直径，直径8.79.8m（开挖直径（开挖直径10.8m），并在国内首次使），并在国内首次使用全断面掘进机开挖（美国引进）。用全断面掘进机开挖（美国引进）。进入进入2121世纪以来，我国的水工隧洞有了更世纪以来，我国的水工隧洞有了更快的发展，在建最长的水工隧洞为引黄入晋工快的发展，在建最长的水工隧洞为引黄入晋工程的南干线程的南干线7 7号洞，洞长号洞，洞长42.9km42.9km。在南水北调工。在南水北调工程中尚有待建的长程中尚有待建的长73km73km的隧洞（西线一期）。的隧洞（西线一期）。以上两工程的隧洞总长将超过以上两工程的隧洞总长将超过400km400km。我国已建断面积最大的水工隧洞为龙滩右我国已建断面积最大的水工隧洞为龙滩右岸导流洞，其最大开挖断面面积达岸导流洞，其最大开挖断面面积达596596平方米平方米（24.8826.15)24.8826.15)，号称亚洲第一。，号称亚洲第一。三峡地下厂房引水洞三峡地下厂房引水洞隔河岩水电站隔河岩水电站 导流洞导流洞 7.1水工隧洞的类型和工作特点水工隧洞的类型和工作特点 7.1.1 7.1.1 水工隧洞的类型水工隧洞的类型水工隧洞的类型水工隧洞的类型 引水洞引水洞引水发电引水发电 泄洪洞泄洪洞宣泄洪水宣泄洪水 导流洞导流洞施工期导流施工期导流 输水洞输水洞输送生活、生产用水输送生活、生产用水 其他：排砂洞等其他：排砂洞等 按工作时水力条件分：按工作时水力条件分：有压隧洞、无压隧洞有压隧洞、无压隧洞 在水工隧洞设计时，为节省工程投资，可在水工隧洞设计时，为节省工程投资，可采用采用“临时变永久临时变永久”或或“二洞合一二洞合一”等型式。等型式。临临时时改改永永久久布布置置二二洞洞合合一一布布置置 7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 水工隧洞的特点水工隧洞的特点水工隧洞的特点水工隧洞的特点 （1 1）水流特点：高速水流的隧洞，设）水流特点：高速水流的隧洞，设计时如考虑不周，极易产生空蚀破坏。计时如考虑不周，极易产生空蚀破坏。（2 2）结构特点：隧洞开挖改变了围岩）结构特点：隧洞开挖改变了围岩的应力平衡状态，常需设置临时支护和永久的应力平衡状态，常需设置临时支护和永久衬砌。衬砌。（3 3）施工特点：开挖、衬砌的工作面）施工特点：开挖、衬砌的工作面小，洞线长、工序多、干扰大，工期长。小，洞线长、工序多、干扰大，工期长。7.2 7.2 水工隧洞的选线与总体布置水工隧洞的选线与总体布置 7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 隧洞选线隧洞选线隧洞选线隧洞选线 一般原则：一般原则：（1 1）尽量避开地质条件不良地段。）尽量避开地质条件不良地段。（2 2）力求洞线短、水流平顺。）力求洞线短、水流平顺。（3 3）进出口位置合适。）进出口位置合适。（4 4）洞顶以上和傍山隧洞岸边一侧的岩体）洞顶以上和傍山隧洞岸边一侧的岩体应有足够的围岩厚度，以保证围岩稳定。应有足够的围岩厚度，以保证围岩稳定。（5 5）应兼顾施工方便。）应兼顾施工方便。7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 水工隧洞的布置水工隧洞的布置水工隧洞的布置水工隧洞的布置 一、总体布置一、总体布置 （1 1）拟定进口的位置、高程；）拟定进口的位置、高程；（2 2）确定闸门在隧洞中的布置；）确定闸门在隧洞中的布置；（3 3）确定洞身的纵向底坡和横断面的形状）确定洞身的纵向底坡和横断面的形状及尺寸；及尺寸；（4 4）确定出口位置和底板高程，选用合理）确定出口位置和底板高程，选用合理的消能方式。的消能方式。二、闸门在隧洞中的位置二、闸门在隧洞中的位置 工作闸门工作闸门应能在动水中启闭，可设在应能在动水中启闭，可设在进口、出口或任一适宜位置。进口、出口或任一适宜位置。检修闸门检修闸门应能在动水中关闭，静水中应能在动水中关闭，静水中开启，设在隧洞进口。开启，设在隧洞进口。事故闸门事故闸门同检修闸门。同检修闸门。无压隧洞一般将闸门设置在隧洞进口处，无压隧洞一般将闸门设置在隧洞进口处，进水口分为表孔溢流式、和深孔式。进水口分为表孔溢流式、和深孔式。（1 1）表孔溢流式多属于龙抬头的布置形式）表孔溢流式多属于龙抬头的布置形式（2 2）深孔式进水口也可采用无压泄水隧洞）深孔式进水口也可采用无压泄水隧洞 有压隧洞一般将工作闸门设置在出口处，有压隧洞一般将工作闸门设置在出口处，有些隧洞将工作闸门布置在洞内，工作闸门前有些隧洞将工作闸门布置在洞内，工作闸门前为有压洞段，工作闸门后为无压洞段。为有压洞段，工作闸门后为无压洞段。7.3 7.3 水工隧洞各组成部分的形式及构造水工隧洞各组成部分的形式及构造 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 进水口的形式及构造进水口的形式及构造进水口的形式及构造进水口的形式及构造 一、进水口高程的确定一、进水口高程的确定 主要根据其担负的任务确定，发电有压隧主要根据其担负的任务确定，发电有压隧洞的进水口，应保证在上游最低运行水位以下洞的进水口，应保证在上游最低运行水位以下有足够的淹没深度，以免产生贯通式旋涡，引有足够的淹没深度，以免产生贯通式旋涡，引起振动，降低水轮机出力。起振动，降低水轮机出力。淹没深度经验公式：淹没深度经验公式：S S的最小值不的最小值不得小于得小于1m1m。二、深孔式进水口建筑物的形式二、深孔式进水口建筑物的形式1.1.竖井式进水口竖井式进水口适于岩体完整、稳定、坚固的岸坡。适于岩体完整、稳定、坚固的岸坡。2.2.塔式进水口塔式进水口 适于岸坡较缓或地质情况较差的岸坡。塔适于岸坡较缓或地质情况较差的岸坡。塔的型式有封闭式和框架式。的型式有封闭式和框架式。塔独立塔独立于岸坡用钢于岸坡用钢筋混凝土建筋混凝土建造；通过工造；通过工作桥与岸边作桥与岸边或坝顶相联或坝顶相联系。系。3.3.岸塔式及斜坡式进水口岸塔式及斜坡式进水口 岸塔式就岸塔式就是将控制塔是将控制塔斜靠在洞口斜靠在洞口岩坡上；易岩坡上；易满足稳定要满足稳定要求，对岸坡求，对岸坡也起一定的也起一定的支撑作用。支撑作用。7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 洞身断面型式及构造洞身断面型式及构造洞身断面型式及构造洞身断面型式及构造一、洞身断面形式和尺寸一、洞身断面形式和尺寸1.1.无压隧洞的断面型式和尺寸无压隧洞的断面型式和尺寸 圆拱直墙形适用圆拱直墙形适用于地质条件较好、于地质条件较好、垂直山岩压力较小垂直山岩压力较小而无侧向山岩压力而无侧向山岩压力的情况。的情况。当地质条件较差、当地质条件较差、侧向山岩压力较大侧向山岩压力较大时，宜采用马蹄形时，宜采用马蹄形或蛋形断面。或蛋形断面。当地质条件差或地下水压力很大时，也可当地质条件差或地下水压力很大时，也可采用圆形断面。采用圆形断面。无压隧洞的断面尺寸应根据水力条件（低无压隧洞的断面尺寸应根据水力条件（低速水流或高速水流）确定。考虑施工要求的最速水流或高速水流）确定。考虑施工要求的最小断面尺寸：高度小断面尺寸：高度1.8m1.8m，宽度，宽度1.5m1.5m；圆形；圆形断面内径断面内径1.8m1.8m。2.2.有压隧洞的断面型式和尺寸有压隧洞的断面型式和尺寸 断面型式多为圆形，当围岩坚硬且内水压断面型式多为圆形，当围岩坚硬且内水压力不大时，也可采用更便于施工的非圆形断面。力不大时，也可采用更便于施工的非圆形断面。断面尺寸应根据水力计算确定。断面尺寸应根据水力计算确定。二、隧洞衬砌二、隧洞衬砌 1.1.衬砌的作用衬砌的作用 承受荷载、保护围岩、减小隧洞表面糙率，承受荷载、保护围岩、减小隧洞表面糙率，防止渗漏等。防止渗漏等。英法海底隧道英法海底隧道英法海底隧道英法海底隧道拱楔块衬砌拱楔块衬砌拱楔块衬砌拱楔块衬砌总共用了总共用了总共用了总共用了7272万块万块万块万块 2.2.衬砌的类型衬砌的类型 （1 1）平整衬砌）平整衬砌 当围岩坚固、内水压力不大时，用混凝土、当围岩坚固、内水压力不大时，用混凝土、喷浆、砌石等做成平整的护面。喷浆、砌石等做成平整的护面。（2 2）混凝土、钢筋混凝土衬砌）混凝土、钢筋混凝土衬砌 当承受较大的荷载或围岩条件教差时，采用当承受较大的荷载或围岩条件教差时，采用钢筋混凝土衬砌。钢筋混凝土衬砌。（3 3）预应力衬砌）预应力衬砌 对混凝土或钢筋混凝土衬砌施加预压应力，对混凝土或钢筋混凝土衬砌施加预压应力，以抵消水压力产生的拉应力。以抵消水压力产生的拉应力。（4 4）喷锚支护）喷锚支护 指利用锚杆和喷混凝土进行围岩加固的指利用锚杆和喷混凝土进行围岩加固的总称。锚杆支护的作用：总称。锚杆支护的作用：(a)(a)悬吊作用；悬吊作用；(b)(b)组合作用；组合作用；(c)(c)固结作用固结作用隧洞喷锚支护隧洞喷锚支护 喷混凝土衬砌的主要作用：使围岩结成整喷混凝土衬砌的主要作用：使围岩结成整体，缓和应力集中，保护岩体表面。一般分层体，缓和应力集中，保护岩体表面。一般分层施工，必要时加设钢筋网。施工，必要时加设钢筋网。新奥法基本原理：新奥法基本原理：支护要适时；支护要适时；支护刚度要适中；支护刚度要适中；支护应与围岩紧贴。支护应与围岩紧贴。隧洞钢支撑施工隧洞钢支撑施工三、衬砌的构造三、衬砌的构造1.1.衬砌的分缝和止水衬砌的分缝和止水变形缝是为防止不均匀沉陷而设置。变形缝是为防止不均匀沉陷而设置。其位置其位置应设于荷载应设于荷载大小、断面大小、断面尺寸和地质尺寸和地质条件发生变条件发生变化之处。化之处。施工缝有纵向与横向两种。横向施工缝间施工缝有纵向与横向两种。横向施工缝间距一般为距一般为612m612m；纵向施工缝的位置及数目则；纵向施工缝的位置及数目则应根据结构型式及施工条件确定。应根据结构型式及施工条件确定。2.2.灌浆、防渗与排水灌浆、防渗与排水 回填灌浆：回填灌浆：充填衬砌与围岩之间的缝隙。充填衬砌与围岩之间的缝隙。固结灌浆：固结灌浆：提高围岩的强度和整体性。提高围岩的强度和整体性。衬砌施工时，衬砌施工时，在顶拱及边拱在顶拱及边拱部分预留灌浆部分预留灌浆管，待衬砌完管，待衬砌完成后进行灌浆。成后进行灌浆。无压隧洞可在洞内水面高程以上设置排无压隧洞可在洞内水面高程以上设置排水孔实现排水；有压隧洞一般不设排水。水孔实现排水；有压隧洞一般不设排水。7.3.3 7.3.3 7.3.3 7.3.3 出口段构造出口段构造出口段构造出口段构造 有压隧洞的出口常设工作闸门和启闭机室，有压隧洞的出口常设工作闸门和启闭机室，闸门后设有消能设施。闸门后设有消能设施。为不使洞身出现负压，其出口断面应逐渐为不使洞身出现负压，其出口断面应逐渐收缩，收缩比一般为收缩，收缩比一般为0.80.80.90.9。泄水隧洞常在出口外设置扩散段，使单宽泄水隧洞常在出口外设置扩散段，使单宽流量减小；常用的消能方式有挑流消能和底流消流量减小；常用的消能方式有挑流消能和底流消能。底流式消能具有工作可靠，对下游水面波动能。底流式消能具有工作可靠，对下游水面波动影响范围小的优点。影响范围小的优点。7.4 隧洞衬砌的荷载及结构计算隧洞衬砌的荷载及结构计算 7.4.1 7.4.1 隧洞衬砌的荷载及其组合隧洞衬砌的荷载及其组合隧洞衬砌的荷载及其组合隧洞衬砌的荷载及其组合一、荷载一、荷载作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：自重、围作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：自重、围岩压力、内水压力、外水压力、温度荷载、灌浆岩压力、内水压力、外水压力、温度荷载、灌浆压力，地震荷载等。压力，地震荷载等。当与围岩紧密接触的衬砌受荷载后，有趋向当与围岩紧密接触的衬砌受荷载后，有趋向围岩变形时，围岩可施加反作用于衬砌的荷载，围岩变形时，围岩可施加反作用于衬砌的荷载，即为弹性抗力。即为弹性抗力。1.围岩压力围岩压力 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。护上的压力。按作用的方向有两种：作用于衬砌顶按作用的方向有两种：作用于衬砌顶部的垂直山岩压力和作用于衬砌两侧的侧部的垂直山岩压力和作用于衬砌两侧的侧向山岩压力。向山岩压力。常用的计算方法主要有自然平衡法和常用的计算方法主要有自然平衡法和经验法。经验法。设计规范对围岩压力计算的规定：设计规范对围岩压力计算的规定：（1 1）自稳条件好，可不计围岩压力；）自稳条件好，可不计围岩压力；（2 2）薄层状及碎裂散体结构的围岩：）薄层状及碎裂散体结构的围岩：垂直方向垂直方向水平方向水平方向 （3 3）不能形成稳定拱的浅埋隧洞，宜按）不能形成稳定拱的浅埋隧洞，宜按洞室顶拱的上覆盖层岩体重力作用计算围岩洞室顶拱的上覆盖层岩体重力作用计算围岩压力；压力；（4 4）块状、中厚层至厚层状结构的围）块状、中厚层至厚层状结构的围岩，可根据不稳定块体的作用力计算；岩，可根据不稳定块体的作用力计算；（5 5）采取了支护或加固措施的围岩，）采取了支护或加固措施的围岩，可不计或少计围岩压力；可不计或少计围岩压力；（6 6）采用掘进机开挖的围岩，可适当）采用掘进机开挖的围岩，可适当少计围岩的压力；少计围岩的压力；（7 7）具有流变性质的围岩，要进行专）具有流变性质的围岩，要进行专门研究。门研究。2.弹性抗力弹性抗力 当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系，坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩切的关系，坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。计算时，近似的认为弹性抗力与衬砌的变位计算时，近似的认为弹性抗力与衬砌的变位成正比：成正比：实际常以隧洞半径为实际常以隧洞半径为1m1m时的时的单位弹性抗力系单位弹性抗力系数数k k0 0表示围岩的抗力特性：表示围岩的抗力特性：k=100kk=100k0 0/r/r。3.3.内、外水压力内、外水压力 （1 1）内水压力）内水压力 无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。确定内水压力。有压隧洞：内水压力是有压隧洞中的重要荷有压隧洞：内水压力是有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制作用。载，常对衬砌的计算起控制作用。为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：均匀内水压力解为两部分：均匀内水压力+非均匀内水压力。非均匀内水压力。均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位先之间水头引起的，其值为先之间水头引起的，其值为hh。非均匀内水压力是指洞内刚刚充满水的情况，非均匀内水压力是指洞内刚刚充满水的情况，洞顶压力为洞顶压力为0 0，洞壁各点的压强值，洞壁各点的压强值d(1-cos)/2 d(1-cos)/2 。有压引水发电隧洞：内水压力有压引水发电隧洞：内水压力=全水全水头头+水击引起的压力增值。水击引起的压力增值。（2 2）外水压力（地下水压力）外水压力（地下水压力）外水压力是地下水头引起的，规范规定：外外水压力是地下水头引起的，规范规定：外水压力是作用在水压力是作用在衬砌外表衬砌外表的边界力。的边界力。地下渗流的情况十分复杂，影响因素也多，地下渗流的情况十分复杂，影响因素也多，准确值无法确定，常用的方法：准确值无法确定，常用的方法：规范：将地下水面以上的水柱高乘以折减系规范：将地下水面以上的水柱高乘以折减系数数作为外水压力值。作为外水压力值。值值 视地质、水文地质及防渗、排水等视地质、水文地质及防渗、排水等情况而言。情况而言。4.4.衬砌自重衬砌自重 衬砌自重是指沿隧洞轴线衬砌自重是指沿隧洞轴线1m1m长的衬砌的自重，长的衬砌的自重，均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应考虑平均超挖回填部分考虑平均超挖回填部分。单位面积上的自重强度单位面积上的自重强度g g为：为：温度荷载、灌浆压力，地震荷载等由于对衬砌温度荷载、灌浆压力，地震荷载等由于对衬砌影响较小影响较小,荷载组合时均不考虑。荷载组合时均不考虑。二、荷载组合二、荷载组合 （1 1）正常运用情况）正常运用情况 山岩压力山岩压力+衬砌自重衬砌自重+宣泄设计洪水时的宣泄设计洪水时的内水压力内水压力+外水压力外水压力 （2 2）施工检修情况）施工检修情况 山岩压力山岩压力+衬砌自重衬砌自重+可能出现的最大外可能出现的最大外水压力水压力 （3 3）非常运用情况）非常运用情况 山岩压力山岩压力+衬砌自重衬砌自重+宣泄校核洪水时的宣泄校核洪水时的内水压力内水压力+外水压力外水压力 7.4.2 7.4.2 7.4.2 7.4.2 衬砌结构计算衬砌结构计算衬砌结构计算衬砌结构计算 目的：确定衬砌厚度、材料强度等级及目的：确定衬砌厚度、材料强度等级及配筋量。配筋量。1.1.结构力学法结构力学法 将衬砌与围岩相互分开将衬砌与围岩相互分开,以衬砌本身为以衬砌本身为研究工作对象。研究工作对象。2.2.弹性力学法弹性力学法 将围岩与衬砌视为整体，两者共同承受将围岩与衬砌视为整体，两者共同承受荷载。荷载。7.5 7.5 坝下涵管坝下涵管 当土石坝枢纽两岸地质条件或其他原因不当土石坝枢纽两岸地质条件或其他原因不宜开挖隧洞时宜开挖隧洞时,可采用坝下设涵管的方法满足泄、可采用坝下设涵管的方法满足泄、放水要求。放水要求。优点：优点：结构简单、施工方便、造价较低。结构简单、施工方便、造价较低。缺点：缺点：如设计施工不良或运用管理不当，如设计施工不良或运用管理不当，极易影响土石坝的安全。极易影响土石坝的安全。一般在软基上不得采用；对于高坝和多地一般在软基上不得采用；对于高坝和多地震区的坝，在岩基上也应尽量避免采用坝下涵震区的坝，在岩基上也应尽量避免采用坝下涵管。管。7.5.1 7.5.1 7.5.1 7.5.1涵管的类型和位置选择涵管的类型和位置选择涵管的类型和位置选择涵管的类型和位置选择 1.1.坝下涵管的类型坝下涵管的类型 按过流形态分：按过流形态分：无压涵管、有压无压涵管、有压涵管、半有压涵涵管、半有压涵管。管。按断面型式分：按断面型式分：圆形、圆拱直墙圆形、圆拱直墙形、箱形。形、箱形。2.2.涵管的位置选择涵管的位置选择（1 1）地质条件）地质条件应尽可能将涵管设在岩基上。应尽可能将涵管设在岩基上。（2 2）地形条件）地形条件涵管应选在与进口高程相适应的位置。涵管应选在与进口高程相适应的位置。（3 3）运用要求）运用要求引水灌溉的涵管，应布置与灌区同岸。引水灌溉的涵管，应布置与灌区同岸。（4 4）管线宜直）管线宜直涵管的轴线应为直线并与坝轴线垂直。涵管的轴线应为直线并与坝轴线垂直。7.5.2 7.5.2 7.5.2 7.5.2 涵管的布置与构造涵管的布置与构造涵管的布置与构造涵管的布置与构造1.1.涵管的进口型式涵管的进口型式（1 1）分级斜卧管式）分级斜卧管式 （2 2）斜拉闸门式）斜拉闸门式（3 3）塔式和井式进水口）塔式和井式进水口 2.2.管身布置与构造管身布置与构造 （1 1）管座）管座 是防止管身断裂的主要结构措施之一。是防止管身断裂的主要结构措施之一。（2 2）伸缩缝）伸缩缝 一般将伸缩缝与沉陷缝统一考虑。一般将伸缩缝与沉陷缝统一考虑。（3 3）截渗环）截渗环 每隔每隔202030m30m设置一道。设置一道。3.3.涵管出口布置涵管出口布置END