水工隧洞概述（67页清楚明了）

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第八章,水工隧洞,1,概 述,一、水工隧洞的类型 二、水工隧洞的工作特点 三、水工隧洞的组成,一、水工隧洞的类型：,分类方法：按功用分、按受力状态分。,（一）按功用分：,泄洪,引水：发电、灌溉、供水；航运输水。,排沙,放空水库,施工导流,（二）按受压状态分：,（,1,）有压：,水力计算 、管流计算,在工程布置上受力情况差别较大,（,2,）无压：,明渠流计算,运行条件上（同一条洞前段有压，后段无压）,禁忌：明满流交替,危害：（,1,）易引起振动、空蚀。,（,2,）影响泄流能力。,具体到一个工程，究竟采用有压或无压，应,通过技术、经济比较后确定。,二、水工隧洞的工作特点,（,1,）水力特点：,深式泄水孔：,A,泄水能力与,H1/2,成正比。,B,进口位置低，能预泄。,C,承受得水头较高，易引起空化、空蚀。,D,水流脉动会引起闸门等振动。,E,出口单宽流量大，能量集中会造成下游,冲刷。,（,2,）结构特点：,A,洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常布置临时支护和永久性衬砌。,B,承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和必要的衬砌。,（,3,）施工特点：,隧洞一般断面小，洞线长，工序多，,干扰大，施工条件差，工期较长。,三、水工隧洞的组成,进口段 洞身段 出口段,2,水工隧洞的布置 及线路选择,一、总体布置及线路选择二、闸门在隧洞中的布置三、多用途隧洞的布置,一、总体布置及线路选择,（,1,）应根据枢纽,的,任务，对泄水建筑物进行总体,规划。,（,2,）在合理选定洞线,的,基础上，根据地形、地质、,水流条件，选定进口,的,位置及进口结构形成，,确定闸门在洞口中,的,位置。,（,3,）确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。,（,4,）根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间,的,相互关系，选定出口,的,位置，底,板,高程及,消能方式。,选线,是,设计中一个至关重要,的,问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。,选洞线的一般原则和要求为：,（,1,）隧洞,的,线路应尽量避开不利,的,地质构造,、,围岩可能,不,稳定及地下水位高,、,渗流量丰富,的,地段,.,在高地应力区,洞线与最大水平地应力方向一致或有较小的交角。,（,2,）洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，减少水头损失，便于施工。必须转弯时，其直线半径不宜小于,5,倍洞径或洞宽，转角不宜大于,60,o,，,弯道两端,的,直线段不宜小于,5,倍洞径（或洞宽）。,（,3,）隧洞应有一定,的,埋藏深度。,围岩厚度,3D(D,为洞径,),围岩厚度,0.4H(H,为压力水头,),进出口顶部岩体厚度,0.1H,（,4,）隧洞的纵坡，应根据水利条件运用要求、,用途、上下游衔接、施工和检修等因素,综合分析比较后确定。,（,5,）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、,地质条件、布置一些施工支洞、斜井、竖井，,以增加工作面，加快施工进度。,（,6,）要考虑进出口,与,其它建筑物的关系：,如果水库所建的坝,是,土石坝，则进口应距离,坝坡,50M,以上，出口应距离坝坡,100M,以上，以免,水流冲刷坝坡。,排沙洞,：,为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故,排沙洞进口布置在靠近电站进口的上游侧，高程,比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗,范围内。,泄水隧洞,：,出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边的冲刷。,每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示。,平面图表示出：,地形、隧洞和其它建筑物的关系，,进口位置、闸门位置、施工旁洞、,竖井、堆渣地点等。,纵剖面图表示出：,地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，,进出口及闸门位置,、,底坡的坡率、洞底高程。,二、闸门在隧洞中的布置,泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门）,可以布置在进口、出口或隧洞中某一 适宜位置。,（,1,）布置在进口：,一般为无压洞,也可以是有压洞。（平时利用闸门挡水，,保持洞内无水）,（,2,）布置在出口：,有压洞。,（,3,）布置在洞身某一位置,A,由于地形、地质、施工和枢纽布置上的,原因，隧洞线路需要转弯，闸门室易布置在转弯段后的直线段上。,B,洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水推力,.,三、多用途隧洞的布置：,一洞多用，或临时任务与永久任务相结合,。,这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽,中单项工程过多造成布置上的困难。,（一）泄洪洞与导流洞合一布置,常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、反弧段与较低的洞身相连接。,“龙抬头”式泄洪洞，一般水头高，流速大，反弧段及下游易遭空蚀破坏。为了避免空蚀，应做好体形设计，控制施工质量。并选用适当的掺气减蚀措施。,（二）泄洪洞与发电洞合一布置,布置型式：,存在问题：,1,、岔尖处的水流流态复杂，容易产生,不利负压和空蚀。,2,、泄洪时对发电不利。,泄洪,发电,泄洪（支洞）,发电,(,主洞,),岔尖,（三）泄洪洞与排沙洞合一布置,排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。,1,、闸门水压力大，启闭困难。,（洪水期开启，水头高。）,2,、,泥沙堆积，闸门不易开启。,3,进 口 段,一、形式及计算要点 二、进口段的组成部分,（一）进水喇叭口 （二）通气孔 （三）拦污栅 （四）渐变段、闸门室及平压管,一、形式及计算要点,按布置与结构形式分为：,竖井式、塔式、岸塔式、斜式。,适用条件,优缺点,计算要点,竖井式：,地质条件好,地形适宜,干井,弧门,湿井,平门,优：,结构简单、不受风浪、水的影响，抗震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小。,缺：,竖井前的一段隧洞检修不便,.,沿井的不同高度，截取断面，按单位高度的封闭或框架进行分析。,适用条件,优缺点,计算要点,塔式：,岸坡低缓，岩石破碎或覆盖层较厚。,优：,对于取水用的封闭塔，可在不同高程设置取水口，取用上层温度较高的清水。,缺：,受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需要工作桥与库岸相连。,塔身是直立的悬臂结构，需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。按封闭框架计算单位的高度的横断面的水平应力，按悬臂结构计算铅直应力（将立体框架简化成平面问题计算）,适用条件,优缺点,计算要点,岸塔式：,岸坡较陡，岩,石比较坚固稳定。,优：,稳定性比塔式好，,施工、安装比较方,便，无须接岸桥梁,.,缺：,受风浪、冰、地震,有一定影响。,基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。,斜坡式：完整的岩坡，地形适宜，闸门及拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。,优：,结构简单，施工、,安装方便，稳定性,好，工程量小。,缺：,闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降,.,二、进口段的组成部分,进口段包括：,进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段。,（一）进水喇叭口,位置：,在隧洞的首部,要求：,其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺,通过，而不致脱壁。,避免产生不利的负压和空蚀破坏。,减少局部水头损失，以提高泄流能力。,体型：,常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩,平底矩形断面。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：,式中：,a,长半轴 顶板约等于闸门处的孔口高度（,H,）,边墙约等于闸门处的孔口宽度（,B,）,b,短半轴 顶板：,H/3,边墙：（,1/3,1/5,）,B,对于重要的工程，进口曲线应通过水工模型试验确定。,无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常,是,一段倾斜的椭圆曲线，以便与检修闸门和工作门之间的顶板衔接，此顶板以,1,：,4,1,：,6,的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。,检修门槽前的入口段长度可控制在（,0.8,1.0,）倍工作闸门处的孔口高度范围内。检修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段（目的：收缩断面进一步改善进口的压力分布和水流流态）。,（二）通气孔,位置：,设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。,设在检修门和工作门之间。,作用：,工作闸门在各级开度情况下,补气,检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平,压，此时排气。,布置上注意点：,通气孔的进口必须与闸门启闭机室分开，因为进口处气流速度大，以免在补气、排气时，影响工作人员的安全。,允许风速,V,a,40,45m/s,孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。,通气量的计算及通气孔设计：,通气孔应按正常的泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。,通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。,目前多采用一些经验公式或半经验公式。,对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔的通气量：,对于高水头大型工程中重要闸门后的通气孔（无压隧洞或管道）,计算时先假定通气孔的断面积,a,，,求得,Q,a,后，再以 验算,V,a,，,确定其是否超过允许风速（,Va,Va, =40,45m/s,）。,否则，重复上述计算，直到满足为止。,检修门后的通气孔面积，一般以大于或等于充水平压阀的面积为宜。,（三）拦污栅,（四）渐变段、闸门室及平压管,4,洞 身 段,一、洞身断面形式 二、洞身断面尺寸 三、洞身衬砌,一、洞身断面形式,洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压），施工条件，地质条件及适用要求。,（一）无压隧洞的断面形式,1,、城门洞形（圆拱直墙形）,优点：,施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的隧洞，其进出口与渠道连接也简单。,适用：,垂直山岩压力较大，而无侧向山岩压力或侧向山岩压力很小的情况。为减小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的。,2,、马蹄形：,适用：,岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大的情况。,3,、圆形,适用：,围岩条件较差，且内水压力较大，掘进机施工。,（二）有压隧洞的断面型式,断面一般采用圆形，其原因：,水流条件和受力条件均有利。,在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。,在围岩较好，内水压力不大时，为了施工 方便，也可采 用无压隧洞常用的断面形式。,二、洞身断面尺寸,洞身断面尺寸，可根据给定的泄流量，作用水头,及纵断面布置，通过必要的水力计算及水工模型实验确定。,导流洞尺寸与围堰高度有关，涉及到经济因素。,水力计算内容：,1,、有压隧洞,任务：,核算泄流能力及沿程压坡线,泄水能力按管流计算,:,式中：,考虑沿程和局部阻力的系数。,出,隧洞出口断面面积（约为洞身面积,8090%,）。,H,作用水头,m,。,为了保证洞内水流处于有压状态，一般要求洞顶应有,2M,以上的压力余幅，流速高的隧洞,压力余幅可达,10M,左右。,采用缩小出口断面面积增大压力，减免负压和空蚀。,2,、无压隧洞,计算泄水能力，,表孔式进口，按堰流计算。,深式短管式进口，泄水能力决定于进口压力段，仍用有压管流计算，但系数,随进口段局部水头损失而定。（一般在,0.9,左右，不考虑沿程损失，因为距离短），,为工作闸门处的孔口面积。,工作闸门之后的陡坡段，可用能量方程分段求出其水面线，为了保证洞内为明流（稳定的）状态，水面线上应有一定净空。,流速低，通气良好：,净空面积不小于隧洞断面面积的,15%,，高度,40cm,。,流速高：,要考虑掺气和冲击波的影响，在掺气水面以上的净空约为洞身面积的,1525%,。,对于城门洞形断面，冲击波峰还应限制在直墙范围内。,3,、还应考虑到施工和检查维修等方面的需要,非圆形不小于,1.5m1.8m,（,高）,圆形内径不小于,1.8m,三、洞身衬砌,（一）功用,1,、阻止围岩变形的发展，,保证,围岩,稳定,。,2,、,承受,山岩压力、内水压力及其它,荷载,。,3,、防止渗漏。,4,、保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用。,（,防止岩石分化,）,5,、,减小,隧洞的表面,糙率,等。,（二）类型,1,、护面：平整（或抹平）衬砌,采用砼、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。,作用：减小糙率、,防止岩石分化、,防止漏水。,适用：岩石较好，水头较低的情况。,优点：造价低，施工方便。,2,、单层衬砌,适用：,中等地质条件，断面较大，水头较高，流速,较大的情况。,采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。,3,、,组合衬砌,内层为：钢板、钢丝网喷浆,外层为：混凝土、钢筋混凝土,顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（围岩好,边墙护面）,顶拱喷锚支护，边墙底板为混凝土或钢,筋混凝土（无压洞）,先喷锚支护，再做混凝土或钢筋混凝土,衬砌。,适用,:,水头大,、,软弱破碎的岩体,.,4,、预应力衬砌（以隔河岩为例子发电引水洞）,适用：高水头有压隧洞,.,衬砌型式的选择，应根据隧洞能担负的任务，地质条件，,断面尺寸，受力状态，施工条件等因素，通过综合比较,后确定。,（三）衬砌分缝,分缝原因：混凝土或钢筋混凝土衬砌在施工和运用期,1,、由于混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝,2,、当隧洞穿过地质条件变化显著地区（通过断层、破碎带及其它软弱地带）可能由于不均匀沉降而产生裂缝。,3,、施工只能是分块分段浇筑。,施工缝（临时）,横向（垂直轴线）：间距由浇筑能力定（一般与伸缩缝、沉降缝合在一起）,纵向（平行轴线）：根据浇筑能力，缝设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力较小部位。,施工缝需进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性。,沉降缝（永久）,设置部位：,1,、通过断层破碎带或软弱带：衬砌加厚，厚度,突变处。,2,、洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位,移的地段。,缝中设止水，填沥青油毡或其他填料。,伸缩缝,(,永久,),防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝。,缝的间距约为,6,12m,，,缝中设止水。,实际施工中：横向施工缝、沉降缝、伸缩缝，尽量结合在一起。,（四）灌浆（回填、固结）,1,、回填灌浆,目的：为了充填衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏。,做法：在顶拱部位预留灌浆管，在衬砌完成后，通过预埋管进行灌浆。,灌浆范围：一般在顶拱中心角,90,0,120,0,以内。,压力：砼,衬砌可采用,0,.2,0.3MPa,钢筋砼衬砌可采用,0.3,0.5MPa.,孔距、排距：一般为,2,6cm.(,深入围岩,5cm,以上,),2,、固结灌浆,目的：在于加固围岩，提高围岩的整体性，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。,范围：整个断面。,压力：为,1.5,2.0,倍内水压力。（,4,10 kg/cm,2,）,一般深入围岩,2,5m,，,对于围岩条件差的地段或直径较大的隧洞达,6,10m,。,排距：,2,4m,，,每排不宜少于,6,孔，作对称布置。,灌浆时应加强观测，防止洞壁产生变形或破坏。,当地质条件良好，围岩单位吸水率,0.01,L,/min.m,，,可不进行灌浆。,回填灌浆孔、固节灌浆孔通常分排间隔排列。,（五）排水,作用：降低作用在衬砌上的外水压力。,1,、有压洞：外水压力一般不控制衬砌设计,加强固结灌浆（防渗）,必须时在底部的衬砌下面设纵向排水。,2,、无压洞：,外水压力较大时，设置排水（径向、纵向）,径向：在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔,排水孔距、排距一般为,24m,深入岩体,24m,，,将地下水引入洞内。,在洞内水面下也有设置排水孔，（如刘家峡电站导流洞），因为隧洞放空后，底板及侧墙难以满足抗浮稳定。,纵向排水设在衬砌底部。,总之，一般说来，有压洞的外水压力能抵消一部分内水压力，除外水压力起控制作用的特殊情况外，不需设排水，特别是有压洞覆盖层厚的进口附近，地质较差的地段，特别是围岩内存在易溶填充物，不宜设排水，,而是加强固节灌浆。,5,出口段及消能设施,一、出口段的结构布置 二、消能方式,一、出口段的结构布置,无压洞：,出口仅设有门框（以防洞脸及上部岩石崩塌）。,有压洞：,出口常设工作闸门，启闭机室。,闸门前有渐变段（洞圆门方），出门之后为,消能设施，为避免负压，常采用断面收缩的法。,二、消能方式,常用：挑流、底流、洞内突扩消能。,特点：隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，,所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。,挑流消能（常用扩散式）,适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地质,条件允许时。,优点：经济合理。,注意：尽量不要冲刷对岸。,形式：斜切式挑流鼻坎（洞轴线与河道交角小）、,横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。,底流消能,优点：消能比较充分平稳。,缺点：开挖量大，施工时间长，造价高。,洞中突扩消能（孔板消能）,举例：小浪底工程冲沙洞（泄洪洞）,7,洞室开挖时的围岩稳定性,一、岩体初始应力（地应力） 二、围岩的应力集中 三、围岩稳定分析,一、岩体初始应力（地应力）,定义：,岩体处于天然产状所具有的内应力叫做岩体的初始 应力,(,天然岩体内应力,),，在地学领域中，通常叫地应力。,岩石有 构造应力（地应力）,自重应力,形成岩体初始应力的因素：,上覆岩体的重力,地壳构造运动,成岩过程中的物理、温度作用、,地形影响,地下水及地震作用,由于。,如何测得地应力,?,目前常用的方法：应力解除法、应力恢复法,应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得,岩石的应变以推求其初始应力。,应力恢复法：,岩体中的应力解除后，不是通过岩体的变形特性来推求岩体中的应力值，而是通过施加压力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前的应力值。,以上测得的是岩体中一点的应力，至于整个岩体中初始应力的分布情况，目前还不能根据有限的测点的结果来加以确定。,对岩体初始应力的初步认识,上覆岩石的重量是形成岩体初始应力的基本原因之一，岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且借助“泊松效应”和流变效应而产生水平应力。,初始应力的形成，取决于地形及地壳结构运动，这通常有是高的水平应力产生的主要原因。,许多地区岩体初始应力实测结果表明：水平应力大大超过上覆岩体的重量算得的结果，这是由于构造动力学方面的原因，或地质剥蚀的原因。,天然岩体中的断层，对初始应力起着解除或部分解除的作用。,坚硬完整的岩石，在一定地质条件下，可以聚集大量的能量，从而形成高的天然内应力，在开挖过程中，产生“岩爆”。,二、围岩的应力集中,应力重分布：,当在岩体中开挖洞室时，洞室围岩的初始应力状态发生变化，这种现象叫应力重分布。,围岩：,产生应力重分布的这部分岩体叫围岩。,在洞室周边某些部位（形状突变、薄弱区）出现应力集中，对围岩稳定不利。,应力重分布在洞室周边最为显著，远离洞壁，影响减小；应力重分布与初始应力状态，洞室的断面形状和尺寸，岩体的结构和性质有关。,围岩应力计算方法：,弹性理论，有限元，（参看,岩石力学,）,三、围岩稳定分析,目的：,预估可能出现的破坏形态、部位、范围及其发生和发展过程，选择适宜的支护方案，保证安全施工，改进设计。,分析方法：,主要凭经验和现场量测作出判断（影响因素多，而且错综复杂，到目前为止，还不能完全依靠理论计算）,分析内容：,对初选隧洞断面，结合地质条件及其力学性质，初始应力，施工方法等，采用弹性理论公式或有限元计算围岩压力。,如围岩压力超过岩体的弹性极限，可按弹塑性理论计算塑性区的应力，确定塑性区的范围。,对洞室周边可能出露的危石，按块体平衡法进行分析。,现场量测，主要测量一些选定点的位移，和点与点之间的相对位移，画出位移,时间关系曲线，如位移超过“允许位移量”或位移曲线突然变陡，表明围岩将要失稳，椐此采用支护措施。,