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1、第七节 水工隧洞,一、水工隧洞的类型 水工隧洞是在山体中开凿的一种泄水、放水建筑物，其主要作用是渲泄洪水、引水发电或灌溉、供水、航运输水、放空水库、排放水库泥沙以及水利枢纽施工期导流。,水工隧洞按其担负的任务可分为： 泄洪隧洞和放水隧洞。 按其工作时洞内的水流状态可分为： 有压隧洞和无压隧洞。 一般从水库引水发电的水工隧洞是有压的，而为泄洪、供水、排沙、导流等目的而设置的隧洞，可以是有压的，也可以是无压的。有压隧洞运行时，其内壁承受一定的内水压力。无压洞内水流具有自由水面，水面与洞顶保持一定的净空。,水工隧洞可以设计成有压的，也可以设计成无压的。即使是在同一条隧洞中，以主闸门为界，闸门前有压，
2、闸门后为无压的。但是在隧洞的同一段内，除了流速低的导流隧洞外，应严禁出现时而有压，时而无压的明满交替的流态，以免造成因此引起的震动与空蚀。,二、 水工隧洞的工作特点 1深式过水建筑物的特点 （1）泄水隧洞出口流速高，单宽流量大，能量集中，消能防冲措施要求较高。 （2）进口处于水下较深处，闸门承受的水压力大，要求闸门刚度大，启闭机容量大。 （3)高水头无压泄水隧洞，容易在高速水流的作用下引起的振动及洞身空蚀破坏。 （4)有压隧洞往往承受较大的内水压力，要求有一定厚度的围岩和足够强的衬砌。,2.地下建筑的特点 （1)水工隧洞是一种地下结构。隧洞开挖后，改变了岩体原来的平衡状态，引起孔洞附近应力重分
3、布，岩体产生变形，严重的甚至发生崩塌。因此，隧洞中常需设置临时性（施工期）支护和永久性衬砌，以确保隧洞施工期和运行期的安全。 （2）与地面建筑物相比较，隧洞的断面尺寸小，施工场地狭窄，施工干扰较大； （3)外水压力是水工隧洞设计的主要荷载之一。,三、水工隧洞的线路选择和工程布置 1水工隧洞的线路选择 在洞线选择时，应结合隧洞的用途，根据当地实际情况，综合考虑，地质、地形、水力学、施工、运行、枢纽总布置及对周围环境影响等因素，通过技术经济比较选定。并通过多方案进行经济技术比较而加以确定。,（1）地质条件 1）隧洞线路选择原则上应使洞线布置于地质构造简单、岩体完整坚硬稳定，水文地质条件有利及施工方
4、便的地区。尽量避开向斜、断层、软弱地层、滑坡等不利地质构造。同时尽量避开涌水量大、地下水位高、岩溶发育、承压水区以及高地应力区，以减少隧洞衬砌荷载及便于施工。,2)若洞线与岩层、构造破碎带及主要节理面相交时，应尽量使洞线具有较大夹角。在整体块状结构的岩体中，其夹角应不小于30，在层状岩体中，其夹角不宜小于45。 3)隧洞洞线穿过高地应力区时，原则上应使洞线与最大水平地应力方向一致。 4)当隧洞沿水平或倾斜岩层走向布置时，应使洞身位于坚硬均质不透水的岩层中。当洞身穿切不同岩体的岩层时，应使其洞顶置于较坚硬的岩层中。,（2）地形条件 1）隧洞的线路在平面上应力求短、直，以降低工程造价和减小水头损失
5、，并保持良好的水流条件。若受限制而不能保持直线时，隧洞应以曲线连接，其曲率半径不小于5倍的隧洞洞径（或洞宽），且转角不宜大于60。弯道的两端应设直线连接，其长度不宜小于5倍的洞径（或洞宽）。 2）洞线穿过沟谷时，应根据地形、地质、水文及施工条件进行经济技术比较而定其线路。 3）隧洞的出口与下游河道的连接，应尽可能的使其衔接畅顺，减少对河岸的冲刷。,（3）施工条件 隧洞施工工作面小，干扰多。因此，隧洞的线路选择应认真考虑施工出渣通道和施工场地布置等条件。对于洞线较长的隧洞，应考虑有适合的地点可以设置竖井、斜井或平洞，以便进料、出渣和通风，增加工作面，提高施工进度。此外，应尽量少破坏自然环境，并使
6、其较易恢复，环境投资最小。,（4）运行管理条件 洞线选择应考虑工程的运行管理条件，应满足枢纽总体布置和运行的要求，应尽量避免其在施工和运行中与枢纽中其它建筑物的相互干扰，如土石坝结合泄洪洞时，在隧洞线路选择时，其进出口应尽可能的离坝体一定距离，以免影响大坝正常工作。,2隧洞的工程布置 隧洞的工程布置其主要内容包括：进出口的布置、纵剖面的布置以及闸门的布置。隧洞布置的总体要求是必须满足过水、水流状态和运行的要求 ，并尽可能的降低工程造价。 在修建水工隧洞时，应根据实际情况，尽可能的考虑“一洞多用”，以降低工程造价，如采用灌溉与发电相结合的布置方式。,（1）隧洞进出口位置应依据的总体规划，结合地形
7、、地质条件，使水流顺畅，进流均匀，出流平稳，满足使用功能和运行安全等方面的要求。进出口宜选在地质构造简单、岩体完整，风化层较浅的地区，避开不良地质构造和易崩塌、危崖、滑地地区。,隧洞的进口高程应根据隧洞的用途，结合实际运用要求加以确定。如发电隧洞，其进口顶部的高程应在水库最低工作水位以下0.51.0m；底部最小高程应高出水库淤沙高程1.0m以上，以防止粗颗粒泥沙进入洞中。在不影响隧洞正常使用的前提下，尽量提高隧洞的进口高程，以缩短洞长，减小主闸门的作用水头和洞身的内力压力，降低造价。,（2）纵剖面的布置 隧洞的纵剖面布置主要是其纵坡的确定，有压隧洞的纵坡主要从施工排水和放空隧洞及检修的角度考虑
8、，一般取i=1/2001/1000。当洞身较短时，也可以做成水平，但不应做成倒坡。无压隧洞的纵坡应满足水流条件，多采用陡坡。隧洞纵坡不宜变化太多，而变坡应尽量选在水流比较均匀稳定的部位。,（3）闸门在隧洞中的位置 泄水隧洞中通常设置两道闸门。一道工作闸门，用来调节流量或封闭孔口，要求能在动水中启闭。一道为检修闸门，当工作闸门或隧洞发生事故时用来挡水，检修闸门要求能在动水中关闭，静水中开启。,工作闸门可以布置在隧洞的进口，出口或隧洞中的某一适宜位置。 工作闸门布置在进口的隧洞，一般为无压。为了保证洞内为稳定的无压流态，门后洞顶应距离自由水面一定净空，并向门后不断充分通气。这种布置的优点是工作闸门
9、，检修闸门都布置于首部，便于运行管理。,工作闸门布置在出口的隧洞，一般为有压。这种布置洞内水流条件好，但工作闸门与检修闸门分置于出、进口，不便于运行管理。 工作闸门设置于洞内时，门前为有压段，门后为无压段。这种布置往往是受某些条件限制所致。如地形、施工和枢纽布置上的原因。,四、洞身断面形式及尺寸 影响洞身断面形式及尺寸的因素很多，如水流条件，地质条件，地应力情况，施工及运用要求条件，因此，其断面形式及尺寸应通过技术经济分析来确定。 1.无压隧洞洞身的断面型式 （1）圆拱直墙式。由于其顶部为圆形，适宜于承受垂直围岩压，且便于开挖和衬砌。圆拱中心角一般为9001800之间。一般情况下较大跨度泄洪隧
10、洞的中心角常采用1200左右。,（2）马蹄形:当岩石比较软弱破碎，洞壁崩塌严重，铅直围岩压力及侧向围岩压力较大，而且底部也存在围岩压力时，可采用马蹄形的断面形式。这种型式的最大特点是受力条件好，但施工复杂。 （3）圆形: 当地址条件较差，同时又有较大的外水压力时，可以考虑采用圆形断面。当采用掘进机开挖施工时，也可采用圆形断面。,马蹄形隧洞,圆形隧洞,圆拱直墙式隧洞,2.无压隧洞的断面尺寸 无压隧洞的断面尺寸应根据隧洞通过的流量，作用水头及纵剖面布置，通过水力计算确定，其断面尺寸同时还应满足施工和维修的要求。 无压隧洞的泄流能力取决于进口压力段，其泄流能力按管流计算： (7-3) 式中 流量系数
11、（考虑进口段局部水头损失情况下而定）； 闸门处孔的面积； 作用水头。,在工作闸门之后的陡坡段,可用能量方程分别求出其水面曲线。为保证洞内为明流状态，洞内必须留有一定的净空。当流速较低，通气很好时，要求净空面积不小于断面面积的15%，且净空高度不小于40cm。当流速较大时，还因考虑掺气的影响，在掺气水面以上的净空约为洞身断面积的1520%；对圆拱直墙式断面，水流波峰应限制在直墙范围以内。 无压隧洞断面的高宽比一般为1.01.5，一般非圆形断面的尺寸（宽高）不小于1.51.8m；圆形断面的内径不小于1.8m。,3有压隧洞的洞身断面型式及尺寸 有压隧洞的洞身型式一般均采用圆形断面。若洞径较小，外水压
12、力又不大，为了施工方便，也可采用无压隧洞常用的断面型式。 有压隧洞的断面尺寸可按有压管流公式进行计算。为了保证洞内水流处于有压流态，一般要求洞顶应有2m以上的压力余幅。流速越大，压力余幅也应加大。,二、洞身衬砌的类型和构造 衬砌是指在开挖后的洞壁做一层人工护壁。 衬砌的作用主要包括：阻止洞周围岩体的变形发展，保证围岩的稳定；承受围岩压力，内水压力和其他荷载；防止水流，空气，温度和干湿变化等对围岩的冲蚀破坏。,1衬砌的型式 隧洞洞身衬砌按其作用可分为平整衬砌和受力衬砌两大类。 （1）平整衬砌 平整衬砌也称抹面衬砌，其主要作用是使隧洞围岩面光滑平整，减小糙率，防止渗漏和岩面不受风化。衬砌不承受荷载
13、。因此，衬砌常用混凝土、喷浆及浆砌石等材料做成。这种衬砌适用于围岩较好，水头较小的隧洞。,（2）受力衬砌 受力衬砌按其结构又可分为单层衬砌、组合衬砌、预应力衬砌和喷锚衬砌等四种。 1）单层衬砌 单层衬砌是指由混凝土、钢筋混凝土、喷混凝土及浆砌石等做成的衬砌。适用于中等地质条件、高水头、高流速、大跨度的情况。衬砌的厚度应根据受力、抗渗、结构和施工要求分析确定。一般约为洞径和跨度的1/81/12。单层整体混凝土衬砌，其厚度不宜小于20cm；单层钢筋混凝土衬砌不宜小于25cm；双层钢筋的不宜小于30cm。,2)组合衬砌 它是由两种或以上的衬砌型式组合而成。 如内层为钢板、外层为混凝土或钢筋混凝土；顶
14、拱为砂浆或混凝土，边墙为混凝土或浆砌石；顶拱为喷锚衬砌，边墙和底板为混凝土或钢筋混凝土衬砌。,3）预应力衬砌 预应力衬砌多用于高水头的圆形有压隧洞。由于衬砌预加了压应力，可以抵消运行时产生的拉应力，因此，可使隧洞衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量。预加应力的方法，以压浆式最为简单。压浆是用高压将水泥砂浆或水泥浆灌注到衬砌外层的预留孔隙中，使衬砌承受预加的压应力。,2洞身构造 （1）衬砌的分缝与止水 洞身衬砌的分缝按其方向可分为纵缝和横缝；按其作用可分为临时施工缝和永久的伸缩变形缝。 纵缝平行于洞线，纵缝的位置应根据隧洞施工的浇筑能力和隧洞衬砌的结构型式确定。 一般设在顶拱，边墙及底板分界处或是内力
15、较小的部位。对于这些纵向施工缝，都需进行凿毛或插筋处理，以加强其整体性，缝内可设键槽，必要时还应加设止水片。 横缝是沿洞身断面轴线布置。横缝的主要作用是满足隧洞混凝土浇筑能力；防止混凝土因干缩和温度变化产生裂缝；防止因围岩变形产生洞身断裂。,一般洞身横向施工缝常与其横向变形伸缩缝相结合，形成永久性横缝。因此，横缝的间距一般可采用612m。当隧洞通过断层破碎带或软弱带时，除适当加厚隧洞衬砌外，还应设置沉陷横缝。 （2）灌浆 1)固结灌浆 固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，减小地下水对衬砌的压力和渗漏。固结灌浆的参数，应根据围岩的地质条件、衬砌结构型式、围岩的防渗和加固要
16、求等确定。一般灌孔深入围岩的深度为一倍的洞径。灌浆孔常呈梅花形布置。灌浆孔排距一般为24m，每排不少于6孔，对称布置。灌浆压力为1.52.0倍的内水压力。,2)回填灌浆 回填灌浆的目的在于填充衬砌与围岩之间的空隙，保证衬砌与围岩紧密结合，改善传力条件及减少渗漏。回填灌浆多在顶拱中心角以内布置。孔距和排距一般为26m，灌浆压力常采用0.20.3Mpa，孔深应深入围岩5cm以上。 3.防渗与排水 在外水压力控制衬砌设计的有压隧洞中，除应加强围岩的固结灌浆外，还应采用相应的排水措施。通常可在隧洞底部设置纵向排水管，间距为410m横向排水槽，槽内填放卵石，构成纵、横向排水系统。,五、隧洞的喷锚支护 喷
17、锚衬砌，它是喷混凝土衬砌，喷混凝土与锚杆组合式衬砌，喷混凝土，锚杆与钢筋网组合式衬砌等几种衬砌形式的统称，如图7-26所示。 1、喷锚衬砌的工作原理 隧洞开挖前，岩体是保持平衡的，隧洞开挖后，原来岩层的平衡状态即遭到破坏，洞室附近的应力重新分配，造成环向集中应力，并使岩体向临空面产生位移。当围岩应力小于其弹性极限强度时，岩体处于稳定状态；当洞壁一定范围内围岩应力超过极限强度时，该范围内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区或松弛区，在此区范围之外，围岩仍为弹性体。由于塑性的影响，在洞壁处应力减小，而在深处应力增大。,因此，可以认为塑性区形成了一个承重圈，以承受周围岩体的压力。如果岩层压力过大，使承重圈
18、内的应力超过破坏强度或产生过大的变形，岩体将产生裂缝、滑移、掉块以至大面积坍塌，从而失去稳定。 在岩体变形过程中，喷锚衬砌能及时将围岩予以封闭加固，给予其一定的反力，阻止其变形的发展，可以发挥围岩的自承能力，保持围岩的稳定。喷锚衬砌与围岩紧密联合，它具有一定的柔性，能与岩体共同变形，衬砌所承受的载荷仅为抑制围岩继续变形所产生的压力，这种变形压力与松散压力相比较要小得多。,2、喷锚衬砌设计要点及特点 （1）喷混凝土衬砌 喷混凝土衬砌是通过喷射机械，在洞室开挖后将掺有速凝剂和按一定比例配合的混凝土干拌混合物送至喷头与水混合后，以高速喷射到岩面，凝结硬化而成的一种衬砌。这种衬砌具有以下特点：,1)不
19、需要立模，衬砌随隧洞掘进而进行，既可减少施工工序，又能提高施工效率。 2)在高压喷射作用下，衬砌能与围岩紧密粘结并共同作用，改善衬砌受力条件。 3)在喷射压力作用下，混凝土不仅可填充洞壁坑洼，同时砂浆能渗入节理，裂缝中，胶结松动的岩块，加固围岩。 4)能使围岩迅速与大气隔离，避免或者缓和围岩风化、潮解而引起的岩体松动和剥落，并同时堵塞渗漏通道。 5)喷混凝土衬砌能够分别与锚杆或钢筋网结合使用，并可以任意调整掌握其厚度。 喷混凝土衬砌的厚度与隧洞围岩的地质条件、隧洞的运行条件有关。,2）喷混凝土与锚杆组合式衬砌 它是按一定的距离、方向和深度打孔插入锚杆，注入砂浆固定，或以机械加载锚固，再喷混凝土面而形成的组合衬砌。它一般适用于地质条件较差的围岩。为了及时进行喷锚，除一般情况下可先锚后喷外，当地质条件不良时，宜采用喷锚喷的施工程序。如遇有局部不稳定岩块，可采用悬吊式的砂浆锚杆加固。 锚杆应垂直岩面布置，锚入稳定围岩的长度一般为4050倍锚杆直径，通常采用锚杆长度为1.52.9m ，最小长度不宜小于1.0m 。锚杆间距不宜大于其长度的1/2，一般为0.5m1.0m。锚杆直径按GB50086-2001的规定计算，但不宜小于16mm。,