水工隧洞简介（80页清楚明了）

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,洞线选择,水工隧洞洞线的选择，是隧洞设计中的重要环节之一；我国已建隧洞工程，由于洞线布置上的不合理和施工方法上的欠妥，而发生的事故不少。其原因：一是地质资料不足；二是水力学因素。,隧洞布置,隧洞布置,1,洞线选择,（）在洞线选择中都非常重视遵循,洞线垂直于地质构造线或与构造线保持有足够角度,的原则。一般与构造线夹角大于,时基本无塌方事故；,时会出现塌方；小于,时大多出现塌方事故。,隧洞布置,1,洞线选择,（）层状岩体是典型的各向异性介质。在,层状岩体中布置隧洞，洞轴线与岩层走向要有较大的夹角，,碧口水电站在陡倾角较疏松的薄层千枚岩中开挖了条隧洞、条压力管道和其他各种洞室。洞轴线与岩层的夹角,时，洞壁发生严重外鼓和倾倒；夹角,时，发生较轻微外鼓和倾倒；夹角大于,时，围岩基本稳定。,隧洞布置,1,洞线选择,（）,洞线布置应考虑地应力方向,，例如，二滩水电站，号、号探洞三维地应力实测资料分析，最大主应力方向为北东,左右，如选取北东,方向为轴，北西,方向为轴，轴铅直向上，根据实测值算出这种位置的各种地应力参数，列于表中。,表可以看出，两个水平应力分量相差很大，如果洞轴线选在轴方向，边墙将受到小的侧向压力，若选在轴上，边墙上将受到大的侧向压力，两者相比，后者边墙上单位面积所受的侧向压力，为前者的倍。据此分析，并结合考虑了地质构造线方向进行了厂区洞群布置。结果开挖施工进行顺利。,隧洞布置,隧洞埋设深度,隧洞埋设深度，即洞顶以上岩体的覆盖厚度和山体岸边一侧的岩体厚度，一般统称为围岩的覆盖厚度。隧洞围岩的覆盖厚度涉及到围岩的稳定性、围岩的抗力及围岩的防渗能力等。,隧洞布置,隧洞埋设深度,2,1,进、出口洞段及无压隧洞,调查了个工程的进出口，其最小覆盖厚度均不足倍的洞径，关键是采取了合理的施工程序和工程措施，其结果是减少了明挖，争取了工期。,隧洞布置 隧洞埋设深度,隧洞布置,隧洞埋设深度,2,2,有压隧洞,隧洞布置,隧洞埋设深度,）雪山准则,（如图所示）：,对于比较陡峭的地形，侧向覆盖常起着控制作用。澳大利亚的雪山准则，。,隧洞布置,隧洞埋设深度,隧洞布置,隧洞埋设深度,）挪威准则,（如图所示）：,早年，在挪威当压力隧洞地表岩体坡度变陡时，设计者只是简单地把所需的围岩覆盖厚度从静水头的倍增加到倍。结果导致一些工程的失败。关于经验系数的取值问题，宜根据围岩情况确定。,隧洞布置 隧洞埋设深度,隧洞布置,隧洞埋设深度,对岩体坡角从,的不同情况使用垂直向准则、雪山准则和挪威准则进行计算比较，雪山准则和挪威准则相当吻合，它随着坡角的增加而覆盖厚度增加，垂直向准则覆盖厚度则随着岩体坡角的增大而减少。显然挪威和雪山准则均更合理。国内工程推荐采用挪威准则。,F=1.101.50,。,隧洞布置,隧洞埋设深度,高压隧洞和岔洞虽满足了覆盖厚度的要求，有时在完好的岩体中仍会发生水力劈裂，所以提出对地应力和渗流稳定的要求。,隧洞布置,工程事例,洞线选择不当,由于洞线选择不当造成重大损失的工程事例，如：,十三陵电站斜管段附近有一条多米宽的大断层，勘探时没发现，斜管段布置在断层处，其走向、倾角几乎与断层重合，开挖导洞时发生严重坍方，延误工期数月；,隧洞布置,工程事例,洞线选择不当,引青济秦引水工程中的某段隧洞长约，有近洞段处于冲沟沟底，开挖过程中出现坍方，几经处理后仍控制不住坍方扩大，造成地面下沉，形成直径约、深的通天坍方漏斗，处理近半年时间，造成巨大损失；,隧洞布置,工程事例,洞线选择不当,电站发电洞布置于大坝左岸，该大坝为定向爆破成坝，爆破烈度达度度，爆破促使坝址区岩体震碎，卸荷裂隙张开。年建成后经多年风化，致使原已张开的裂隙进一步风化、松驰，卸荷带宽达。年开凿的发电引水隧洞出口段位于卸荷带中，年月充水出现多处渗水射流。放空检查发现洞内岩体变形、钢管下移，衬砌混凝土多处拉裂，岔管混凝土开裂，钢筋外露，为此不得不另建一条发电隧洞。,隧洞布置,工程事例,洞线选择不当,碧口水电站泄洪洞方案比选时曾进行过左右岸方案比较，最后因右岸泄洪洞较长而被放弃，结果选定的左岸泄洪洞因地质构造的不利组合造成大坍方，地面坍陷面积达，坍方段长，坍方量约，工程停工处理达数年之久。,隧洞布置,工程事例,覆盖厚度不足,由于最小覆盖厚度不足发生水力劈裂和渗透失稳造成工程事例，如：,江西蔡坊电站发电引水隧洞长,2770m,，内径,2.1m,，设计水头,108m,，衬砌厚,50cm,单筋,5,根,20,，黑云毌花岗岩，上覆厚度,14m,，,1995.11.16,下闸蓄水，,12.15,日充水高压水沿衬砌和围岩裂隙冲出，形成泥石流，冲毁开关站，淹没厂房。,围岩压力,自稳条件好，开挖后变形很快稳定的围岩，可不计围岩压力。,围岩变形（位移）基本稳定的判别标准参见国家标准和,岩土工程监测手册,（中国水利水电出版社年版）。由统计规律看，一般在变形小于,/,时可认为基本稳定。在有长期观测（大于个月）成果时，观测后期全月平均小于,/,时认为是稳定的。,围岩压力,薄层状及碎裂散体结构的围岩,，作用在衬砌上的围岩压力可按式（）、式（）计算：,围岩压力,不能形成稳定拱的浅埋隧洞，宜按洞室顶拱的上覆岩体重力作用计算围岩压力，再根据施工所采取的支护措施予以修正。,围岩压力,块状、中厚层至厚层状结构的围岩，可根据围岩中不稳定块体的作用力来确定围岩压力。,围岩压力,采取了支护或加固措施的围岩，根据其稳定状况，可不计或少计围岩压力。,围岩压力除与地质条件、隧洞开挖尺寸有关外，与施工方法、支护措施、支护时间有很大关系。采用紧跟掌子面的喷射混凝土，或根据变形监测成果采取及时锚喷支护，可控制围岩变形，即使在地质条件较差的围岩中，也可大大减少围岩变形造成的压力，但是，围岩压力究竟减多少，目前还只能靠工程经验和对变形监测的分析采用类比法决定。,围岩压力,采用掘进机开挖、光面爆破、控制爆破可减少对围岩的扰动和破坏，可增加围岩的自承能力，使围岩在衬砌上形成的压力减少；可适当少计围岩压力。,围岩压力,具有流变或膨胀等特殊性质的围岩，可能对衬砌结构产生变形压力时，应对这种作用进行专门研究。,地应力在衬砌上产生的作用应进行专门研究。,外水压力,地下水压力是设计最关注的、也是很难准确确定的。,外水压力,1,外水压力折减系数,1,外水压力折减系数的方法,隧洞的外水压力作用一般根据围岩的渗透系数、岩层结构、地质构造、渗流类型、衬砌型式、补给水源、排水或出水点等条件，通过渗流计算来确定。但是，计算工作量较大，计算参数难确定，不现实。用结构力学法计算衬砌结构时需先确定作用在衬砌面上的外水压力，然后按面力进行计算。鉴于上述原因,水工建筑物荷载设计规范,仍选用外水压力折减系数的方法。,外水压力,外水压力,1,外水压力折减系数,外水压力折减系数存在问题：,在工程的前期阶段，隧洞尚未开挖，无法取得地下水活动状态的资料。外水压力折减系数,e,值在隧洞前期勘察中难以应用。,在隧洞施工阶段，虽然可以根据地下水活动状态判定,e,值，但表 中变化区间大，且上下不同级别的,e,值相互重叠，取值困难，不尽合理。,表中没有阐明外水压力与工程、水文地质条件的关系，特别是与岩体渗透性的关系，从而不利于工程地质勘察的取值。,外水压力,外水压力折减系数修正和补充,隧洞外水压力折减系数工程地质研究,宋岳 贾国臣 滕杰,岩体渗透性与外水压力折减系数关系,地下水溢出状态与外水压力折减系数关系,外水压力,2,排水设施,当为抵御高地下水压力而需要增加衬砌厚度时，我国的经验是在满足有关覆盖厚度规定的条件下，可采用排水措施降低外水压力，但对于不良地质洞段应予以慎重对待。,外水压力,2,排水设施,对设有排水设施的水工隧洞，可根据排水效果和排水设施的可靠性，对作用在衬砌结构上的外水压力作适当折减，其折减值可通过工程类比或渗流计算分析确定。,外水压力,2,排水设施,排水的几种主要类型,（,1,）在衬砌中设置排水孔,(,孔径,4cm20cm),。,（,2,）排水廊道或排水洞，洞径一般,1.5m,到,3m,。,（,3,）排水幕与排水洞联合使用， 排水幕可布置在任意方向。,（,4,）设置辐射状排水孔组成排水带。多用于地下厂房及无压隧洞。,外水压力,2,排水设施,（,5,）设置排水盲沟， 尺寸介于排水孔和排水洞之间，常在隧洞底板下布置排水盲沟。,（,6,） 土工织物排水， 利用土工织物透水性，在隧洞岩壁上铺成条带状然后浇筑衬砌，岩石渗水通过土工织物排水条带排走。,（,7,） 高压钢管贴壁式排水， 用槽钢或角钢或半圆钢管点焊在压力钢管外缘形成排水网络。,外水压力,2,排水设施,应注意的几亇问题,(1),有压隧洞多采用圆形断面，它有较高的抗外压稳定的能力，所以在低压隧洞中，很少在衬砌中设置排水孔。,(2),有压隧洞设置排水孔时应注意内水外渗。,外水压力,2,排水设施,(3),为了阻止围岩中岩屑随水带出，恶化围岩，可在排水孔中设置软式透水管。,(4),当围岩中软弱面充填物有被水溶解和带走的可能时，为保持围岩稳定，则不允许设置排水措施。,外水压力,EM1110-2-2901,规范,没有必要或没有理由为外水压力设计衬砌。,在施工、检修和维修期内，必须进行隧洞排水。如果施工期的地下涌水太大，可采用灌浆减小水流量。,衬砌设计应能承受一定比例的外水压力，因为排水无法将压力减小到零，而且排水管存在被堵塞的可能性。采用适当的排水措施后，设计外水压力可采用低于,25%,的全部压力或相当于三倍洞径的水柱高度。,外水压力,张有天隧洞设计三原则,(1),隧洞的外水荷载是作用于地下水位以下整个空间的渗流场力,(2),应按渗流荷载增量理论分析隧洞应力,(3),衬砌与围岩有条件地联合作用,外水压力,工程事例,1.,由于有强渗透的含水层、裂隙水、强地表水补给，造成围岩稳定条件恶化，引起局部失稳：,电站炭质页岩段隧洞，施工中遇到地下水，岩体软化，围岩失稳，冒顶大坍方。,外水压力,工程事例,2.,因排水失效导致衬砌破坏,美国,TaumSank,压力隧洞，设计水头,263m,，钢衬直径,5.6m,，运行四年后检查发现钢衬压屈，进一步检查发现外排水系统被碳酸盐类物质堵塞，外水压力使钢衬压屈所致。,外水压力,工程事例,3.,因施工质量差在放水时受外水压力作用衬砌破坏,羊卓湖抽水蓄能电站，位于海拔,4000m,以上的青藏高原，引水隧洞长,5889m,，,D=2.5m,，混凝土衬砌,0.30.5m,，深埋（,50450m,）于浅变质岩中，放水速度较快，发现上水平段混凝土衬砌开裂脱落，混凝土蜂窝麻面，内混模板、杂物，钢筋未绑扎，最后将,2.7km,混凝土衬砌段全改为钢衬。,外水压力,工程事例,4.,因内水外渗受外水压力作用衬砌破坏,刘家峡,1#,机组引水发电隧洞， 砼裂缝形成内水外渗，高压水沿着钢管与围岩间的缝隙作用在钢管上，使钢管变形、压屈，形成鼓包，变形失稳。,Bath Countny,抽水蓄能电站，二条平行的混凝土衬砌隧洞和压力钢管，设计水头,395m,，洞径,5m,。,1985,年建成，当,1#,隧洞充水试验时，由于混凝土衬砌开裂，内水外渗，使,2#,压力钢管钢板衬砌压屈。,外水压力,对有地表水强补给的冲沟，一是容易造成围岩失稳，二是施工期外水内渗，工程上处理很困难，运行期的外水压力可能较大。,支护设计,根据防渗要求，隧洞衬砌结构设计可分为抗裂、限裂和不限制裂缝宽度设计。,(,),围岩抗渗能力差，内水外渗造成的危害，应提出严格的防渗要求；,(,),围岩具有抗渗能力，内水外渗可能造成不良地质段的局部失稳，宜提出一般防渗要求；,(,),围岩具有较好的抗渗性，内水外渗不存在渗透失稳和环境破坏问题，可不提出防渗要求。,支护设计,.,不衬砌与锚喷支护,不衬砌与锚喷支护的设计，一般宜按工程类比法，对于直径（跨度）大于的隧洞，尚应辅以理论计算和监控量测。,、,类围岩，隧洞的直径（跨度）不大于时宜不支护，时宜采用喷混凝土支护，大于的隧洞，宜采用锚喷联合支护，遇有局部不稳定块体时，应采用锚杆加固。,、,类围岩可采用锚喷、挂网或钢排架等联合支护，,类围岩必要时应进行衬砌。,不衬砌隧洞，必要时可设置不承载（平整）混凝土衬砌。,支护设计,2.,混凝土和钢筋混凝土衬砌,2.,混凝土和钢筋混凝土衬砌,支护设计,3.,预应力混凝土衬砌,对于防渗要求较高的隧洞，钢筋混凝土衬砌难以满足防渗要求，采用预应力混凝土衬砌。,(1),压浆式预应力混凝土衬砌,用灌浆方法来产生预应力的混凝土衬砌，我国白山工程；,支护设计,3.,预应力混凝土衬砌,(2),环锚式预应力混凝土衬砌,用机械方法产生预应力,环锚式衬砌分有黏结后张预应力和无黏结后张预应力，小浪底工程采用了后张法无黏结预应力混凝土衬砌，清江隔河岩和天生桥采用后张法有黏结预应力衬砌。,有黏结后张预应力,有黏结预应力，必须考虑由于摩擦引起的应力降低，早期的设计，国内外大都采用了有黏结预应力混凝土衬砌，并相继投入运行。,有黏结后张预应力技术，预埋波纹管堵塞现象严重，张拉时断丝和滑丝时有发生，施工程序复杂，结构应力不均匀，易引起混凝土裂缝。,无黏结预应力技术,无黏结预应力技术，钢绞线分别放入充满油脂的套管内，并逐根均匀分布在隧洞衬砌内。,由于摩擦系数的减小，提高了预应力的效率，减少了锚具槽附近的应力集中和节省了工程量。小浪底工程实践，采用无黏结预应力较原有黏结预应力可节省约的锚具和相应的工程量。,无黏结预应力混凝土衬砌具有经济合理、可靠性高，施工简便等特点。,支护设计,4.,组合式支护,组合式支护一般由内、外两层组成。外层为初期支护，宜采用锚喷、挂网、钢排架等。内层为二次支护，可采用混凝土、钢筋混凝土衬砌。,设置初期支护时，其布置、支护强度除满足初期支护的要求外，应与二次支护相结合，按永久支护的全部或一部分考虑。,支护设计,4.,组合式支护,根据监控量测，若初期支护已能满足围岩稳定要求时，二次支护可不计或少计围岩压力。,我国传统的施工方法认为：第一次支护为施工安全支护，第二次支护为永久性支护。根据新奥法的观点，为了节约投资，加快施工进度，考虑一、二次支护相结合，共同承担荷载。,