水工地下洞室课件

第第5章章水工隧洞水工隧洞1 1第5章水工隧洞1第一节第一节概述概述一、水工隧洞概念一、水工隧洞概念一、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第一节概述一、水工隧洞概念2三、类型三、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(25cm。单层：单层：用砼、钢筋混凝土或浆砌石做成。组合式：组合式：根据衬砌的不同受力特点和运用要求，用不同材料组成的双层、多层衬砌。预应力：预应力：在施工中预施环向压应力，运行时衬砌可承受由巨大内水压力引起的环向拉应力。适用于高水头圆洞。喷锚支护:新奥法(NATM)的表现形式.喷混凝土支护和锚杆支护.（三）衬砌构造沿开挖洞壁做成的人工护壁。1、衬砌的作用（1）阻止围岩变形发展，保证其稳定；（2）加固围岩承受围岩压力、内水压力和其他荷载；（3）防止渗漏；（4）保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等侵蚀破坏；（5）平整围岩，减小表面糙率。302、型式按设置目的分为抹平衬砌和受力衬砌两类。（三）衬砌构隧洞断面形式及衬隧洞断面形式及衬砌类型砌类型(单位：单位：cm)cm)(a)(a)(f)(f)单层衬单层衬砌；砌；(g)(g)(i)(i)组合式组合式衬砌；衬砌；(k)(k)(l)(l)预应力预应力衬砌衬砌31隧洞断面形式及衬砌类型(单位：cm)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323、衬砌的分缝和止水陆浑水库泄洪洞衬砌施工分缝单位：（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：m33（2）永久横向伸缩缝：沉陷变形伸缩缝和温度变形伸缩缝（图）。4、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344、灌浆、防渗和排水灌浆孔布置图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（2)防渗与排水无压隧洞排水布置图35第五节第五节隧洞的出口段隧洞的出口段一、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，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第五节隧洞的出口段一、出口段结构体型36二、消能方式1、挑流消能2、扩散水跃消能3、洞内消能37二、消能方式37第六节第六节隧洞衬砌的结构计算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第六节隧洞衬砌的结构计算一、水工隧洞的荷载组合3二、衬砌上的荷载计算二、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39二、衬砌上的荷载计算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。（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。402、弹性抗力：当衬砌受力变形后，变形方向指向围岩，就产生弹三、三、三、三、隧洞衬砌的结构计算隧洞衬砌的结构计算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。41三、隧洞衬砌的结构计算衬砌的计算包括确定衬砌厚度，一、铅直断面为圆形的洞室衬砌结构计算一、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。42一、铅直断面为圆形的洞室衬砌结构计算42二、无压隧洞的衬砌结构计算二、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；43二、无压隧洞的衬砌结构计算43