水工隧洞

第八章水工隧洞（12学时）8.1概述8.2水工隧洞的布置8.3水工隧洞进口段8.4水工隧洞洞身段8.5水工隧洞出口段及消能设施8.6高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀8.7水工地下洞室的围岩稳定性8.8水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合8.9水工隧洞的衬砌计算与支护设计本章主要内容（1）按功用分类泄洪洞引水发电和尾水洞灌溉和供水洞放空和排沙洞施工导流洞一洞多用原则：应根据枢纽任务，尽量设计为多用途隧洞，以降低工程造价。2.类型①有压隧洞：按管流计算。②无压隧洞：按明渠流计算。引水发电隧洞一般是有压洞；灌溉输水隧洞常为无压洞；同一条隧洞可以设计成前段有压、后段无压。在同一洞段，应避免时而有压时而无压的明满流交替流态，其危害：a）易引起振动、空蚀；b）影响泄流能力。究竟选用有压或是无压隧洞，应根据工程任务、地形地质及水头等条件，通过技术经济比较选定。（2）按流态分类二、水工地下洞室的工作特点⑴泄水隧洞大多数是深式进口，Q∝H1/2，超泄能力不如表孔；但进口位置低，可以提前预泄。⑵承受水头H高，P较大，闸门需启闭力大，止水要求严格。⑶流速v较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起闸门振动。⑷出口单宽流量q较大，需采取适当的消能防冲设施。1.水力特点（进口位于水下）隧洞为地下结构，洞室开挖引起应力重分布，可能导致围岩变形甚至崩塌，为此，常需设置临时支护和永久性衬砌，以承受围岩压力。隧洞可能承受较大的内水压力和外水压力，要求有足够的围岩厚度和必要的衬砌。须做好地质勘探工作，尽量避开不利的工程地质、水文地质地段。2.结构特点（洞身处于地下）隧洞一般断面小，洞线长，施工工序多，干扰大，施工条件差，工期长。例：冯家山12.6km；引黄南线7＃洞长42.9km；昆明掌鸠河洞长＞100km。施工导流隧洞或兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制整个工程的工期。采用先进施工方法，改善施工条件，加快施工进度，提高施工质量是隧洞建设中值得研究的重要课题。3.施工特点水工隧洞的组成（图8-2）(1)进口段：控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段等。(2)洞身段：输送水流。一般需进行衬砌。(3)出口段：连接消能设施。无压隧洞的出口一般仅设门框；有压隧洞的出口一般设渐变段和工作闸门室。三、水工隧洞的组成水工隧洞的建设和研究现状水工隧洞的建设规模不断加大。近年来在设计理论、施工方法和建筑结构等各方面有了新的发展，但因水工隧洞属地下结构，影响其工作状态的因素多而复杂，一些作用力的计算和设计理论还存在与实际不太相符的假定，有待完善和提高。水工隧洞虽然任务不同，工作条件不同，但设计方法基本相同。为此，本章重点讲述泄水隧洞的布置、结构型式、构造和衬砌计算方法等。一、隧洞布置1.总体布置(1)应根据枢纽任务、泄洪流量、地形、地质、施工、运行等条件，对泄水建筑物进行总体规划和综合研究，并经技术经济比较后确定。当同时采用溢洪道和泄水隧洞时，宜分别布置于两岸，以便于施工和运行。(2)在合理选定隧洞路线（洞线）基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及其结构形成，确定闸门在隧洞中的位置。8.2水工隧洞的布置(3)确定洞身纵坡i、横断面形状及尺寸。(4)根据地形、地质、尾水位等条件确定出口位置，底板高程及消能方式。(5)还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。2.洞线选择洞线选择十分关键，关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等。应在地质勘测基础上，拟定不同洞线方案，经技术、经济比选后确定。洞线选择的原则和要求（1）洞线应尽量避开不利的地质构造、不稳定围岩及地下水位高、渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。洞线要与岩层层面、构造破碎带和节理面有较大的交角（不小于30~45°）。在高地应力地区，应使洞线与最大水平地应力方向有较小交角，以减小隧洞的侧向围岩压力。隧洞进、出口应选在覆盖层、风化层浅，岩石比较坚固完整的地段，避开有严重的顺坡卸荷裂隙、滑坡或危岩地带。转弯要求:弯道两端的直线段长度S≥5B（5D）。无压隧洞：低流速v＜20m/s时，转弯半径R≮5B（5D），转角＜60o；高流速时，转弯半径及转角最好通过试验确定。有压隧洞：低流速v＜20m/s时，R≮3B（3D），转角＜60o；高流速时，水流流态特别不利，应力求采取直线布置。进、出口要求:进口要力求水流顺畅，否则会减小泄流能力，引起不利的流态或间歇性漩涡。出口水流应能与下游河道平顺衔接，并与其它建筑物保持一定距离，以防冲刷和影响枢纽正常运行。（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可减小工程费用，方便施工，且有良好的水流条件。若因地形、地质、枢纽布置等原因必须转弯时，应以曲线相连。有压隧洞洞身段：围岩厚度＞3D。最小围岩厚度应满足不发生渗流失稳和水力劈裂的要求。工程经验：对于坚硬完整岩体，加衬砌隧洞的最小围岩厚度T≮0.4H（H为内水压力水头）；如不加衬砌或采用锚喷衬砌时，T≮1.0H。进、出口段：一般顶部岩体厚度≮1B（1D）。（3）隧洞应有一定的埋藏深度和围岩厚度（包括洞顶覆盖厚度和傍山隧洞靠边坡一侧的岩体厚度）。它涉及成洞条件，围岩稳定性，结构计算边界条件和工程造价等。最小围岩厚度要求：（4）隧洞的纵坡，应根据用途、运行要求、上下游衔接、施工、检修等因素综合比较分析后确定。无压隧洞：i＞ik。（ik—临界坡降，确保不雍水）有压隧洞：i取决于进、出口高程，要求在最不利条件下全线洞顶保持不小于2m的压力水头。不宜采用平坡或反坡，以利于检修排水。施工及检修排水：有轨运输i=3‰~5‰，但i≯10‰；无轨运输i=3‰~15‰。纵坡比降要求：（5）对于长隧洞，应利用地形地质条件，布置一些施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。工程实例：引滦入津隧洞工程：在9.68km长的引水隧洞中，布置了15个斜支洞、4个竖井。平均间隔9680/20=484m。二、闸门在隧洞中的布置一般布置两道门：工作闸门（调节流量和封闭孔口，能在动水中启、闭），检修闸门（事故检修门）。1.检修门（事故检修门）一般设在进口，用来挡水，以便检修工作闸门或隧洞。如：刘家峡泄洪洞，图8-2(a)。大中型隧洞的深式进水口常要求检修闸门能在动水中关闭、静水中开启，以满足发生事故时的需要，所以也称事故检修门。2.工作门：可布置在进口、出口或隧洞中某一适宜位置。（1）工作门设在进口：一般为无压隧洞。优点：检修门和工作门都在首部，运行管理方便；易于检查和维修；工作门后的洞内无压，有利于山体稳定。缺点:如体形设计不当或施工质量不佳，流速大的部位可能发生空蚀破坏。按照无压隧洞进口与水面的相对位置，可分为两种：表孔溢流式进口、深式进口。表孔溢流式进口：进口布置与岸边溢洪道相似，只是用隧洞代替了泄槽（图8–1）。其超泄能力较大，但泄流能力受到隧洞断面的限制。此种隧洞一般属龙抬头布置型式，常与施工导流隧洞相结合，以达到一洞多用的目的。深式进口：为保证洞内为无压流态，工作门后洞顶应高出洞内水面一定高度，并需向闸门后通气，图8–2（a）。（2）工作门布置在出口：有压隧洞，图8–2（b）。优点：洞内流态平稳；门后通气条件好，便于部分开启；工作闸门的控制结构也较简单，管理方便；隧洞线路布置适应性强。缺点：洞内承受较大的内水压力，一旦衬砌漏水，对岩体及大坝等建筑物的稳定将产生不利影响。实际工程中，常在进口设事故检修门，平时也可用于挡水。（3）工作门布置在洞身某一位置：门前为有压洞段，门后为无压洞段。采用这种布置的主要原因是：①由于地形、地质、枢纽布置和施工等原因，隧洞线路需要转弯，为了满足水流条件的要求，将工作闸门设在弯道后的直线段上。弯道为有压，闸门后的直线段为无压。②洞内某处的地质条件较出口处好，工作闸门布置在洞中，可以利用较强的岩体承受闸门传输的水动力。近年来不少泄洪洞采用这种布置，如：三门峡泄洪洞[图8–3(a)]、碧口左岸泄洪洞[图8–3(b)]等.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的隧洞布置，不仅可以解决枢纽中单项工程过多而带来的布置困难，还可以减小工程量，降低造价。但一洞多用隧洞必须妥善解决由于不同任务结合所带来的一些矛盾问题。封堵导流洞而改建的泄洪洞，可为无压洞或有压洞。由于导流洞高程较低，泄洪洞进口可以较高，因此常在导流洞上方另设泄洪洞进口，将其布置成“龙抬头”形式；其进口之后用抛物线段、斜坡段、反弧段与较低的洞身相连接。当两洞进口之间岩体厚度较薄或岩石较差时，应尽量将泄洪洞（永久建筑物）布置成直线，而将导流洞（临时建筑物）进口段偏转一个角度，如：刘家峡导流洞进口段偏转32°，碧口偏转14°。如果导流洞宽度较大，则需设扩散段以解决其与泄洪洞的衔接。扩散段应设在水流比较均匀平稳的部位，以防流态恶化。“龙抬头”泄洪洞，一般水头高、流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，因此应做好体形设计，控制施工质量，设置适当的掺气减蚀措施。1.导流洞与泄洪洞合一布置优点：工程量小，工程进度快，布置紧凑，管理集中。注意：应保证各自的运行要求和较好的水力条件，安全宣泄泄洪流量，保证发电隧洞的压力状态及发电最小水头，并采取适当的措施，防止机组振动和分岔附近空蚀破坏。两种布置型式：⑴主洞（直洞）泄洪、支洞（岔洞）发电。洞内流态较好，岔尖附近的负压相对较小，发电支洞回流强度弱，范围也小。但泄洪时，由于洞内流速加大，有效水头降低，出力相应减小。2.泄洪洞与发电洞合一布置⑵主洞（直洞）发电、支洞（岔洞）泄洪。存在问题：1）岔尖处流态复杂，容易产生负压和空蚀。2）泄洪时对发电不利。分岔角一般在30~60°之间。收缩泄洪洞出口面积或减小其闸门开度，是提高洞内及岔尖部位压力、减免空蚀的有效措施；但泄洪能力会因出口断面面积缩小而降低。为防止岔尖发生空蚀，当主洞泄洪时孔口收缩比η≤0.85，支洞泄洪时η≤0.7。孔口收缩比η是指用于泄洪的主洞或支洞，其出口面积与其洞身断面积之比。3．其它任务隧洞的合一布置灌溉与发电隧洞合一布置。发电后的尾水用于灌溉。其主要问题是用水上的矛盾。泄洪与排沙隧洞合一。排沙洞进口高程往往较低，施工期还可结合导流，导流完成后改建成泄洪排沙洞。但对于高水头情况，在设计中需要认真研究高速含沙水流的冲蚀、磨损及消能问题。8-3水工隧洞进口段一、进水口的型式和计算要点深式泄水隧洞的进水口，按其后接隧洞内的水流流态可分为：有压隧洞进水口、无压隧洞进水口。无压隧洞进水口的压力段长度（进口至工作门处洞长）小于3倍孔口高度时，称为短管型进水口[图8–2(a)]。按进水口的布置及结构型式，可分为竖井式、塔式、岸塔式及斜坡式等。竖井式进水口——是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁衬砌，闸门设在井的底部，井的顶部布置启闭机械及操纵室，图8-4。优点：结构简单、不受风浪和冰的影响，抗震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小，造价较低。缺点：竖井开挖比较困难，竖井前的一段隧洞检修不便。适用：地质条件较好、岩体较完整的情况。1.竖井式干井：设弧型工作门的竖井，井后为无压段，井内不充水。湿井：设平板检修门的有压竖井，井后为压力洞，仅检修时井内无水。作用荷载：井内无水时，衬砌上的作用力有外水压力、侧向围岩压力、温度荷载、地震作用等；井内有水时，还作用有内水压力。结构计算要点：可根据受力条件和地质条件，沿井的不同高程截取断面，按单位高度的封闭式框架进行计算。塔式进水口——是独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔[图8–2(a)]或框架式塔，塔底装设闸门。一般在塔顶设操纵平台和启闭机室，也有工程在塔内设油压启闭机。优点：开挖量小，可在不同高程设置取水口，取用上层温度较高的清水。缺点：受风、浪、冰、地震的影响大，稳定性相对较差，需要较长的工作桥与库岸或坝顶相连。适用：岸坡岩石较差，覆盖层厚，不宜采用靠岸进水口时。2.塔式图8–2（a）塔式进水口封闭式塔身：大中型泄水隧洞常采用，塔身断面一般为矩形，也有工程采用圆形、多边形。框架式