1、FJD34090 FJD水利水電工程 技術(shù)設計階段發(fā)電或引水有壓隧洞設計大綱范本水利水電勘測設計標準化信息網(wǎng) 1997年11月 水電站技術(shù)設計階段發(fā)電或引水有壓隧洞設 計 大 綱 主 編 單 位: 主編單位總工程師: 參 編 單 位: 主 要 編 寫 人 員: 軟 件 開 發(fā) 單 位: 軟 件 編 寫 人 員: 勘測設計研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 設計依據(jù)文件和規(guī)范 43. 設計基本資料 54. 隧洞布置與洞徑復核與優(yōu)化125. 隧洞水力設計186. 隧洞結(jié)構(gòu)設計207. 隧洞圍巖穩(wěn)定分析及一次性支護設計308. 不襯砌與錨噴襯砌設計349. 預應力混凝土襯砌及其它襯砌型式設計3

2、610. 降低外水壓力的措施3611. 不良地質(zhì)洞段處理3712. 回填灌漿及固結(jié)灌漿處理3813. 隧洞原型觀測、檢修及運行4014. 專題研究4115. 工程量計算4116. 應提供的設計成果421 引 言1.1 工程概況本工程為 水電站(水利)樞紐，位于 ，本樞紐是以 為主，兼有 等綜合利用的水利水電樞紐工程。樞紐采用 條有壓引水隧洞，作為 引水建筑物。引水隧洞單條長分別為 、 m，直徑 m，引用流量 m3/s。電站裝機 臺 MW的 式機組，總裝機容量 MW。1.2 設計范圍本大綱為發(fā)電(引水)有壓隧洞技術(shù)設計大綱。設計范圍，包含從隧洞掛口開始到發(fā)電(引水)有壓隧洞同引水系統(tǒng)中另一建筑物

3、(指調(diào)壓井、鋼管或明渠等)連接處止。設計內(nèi)容，包含設計參數(shù)選擇、隧洞總體設計、水力設計、一次及二次支護設計、不良地質(zhì)洞段處理、細部設計、專題研究(含試驗)、施工期監(jiān)測及運行期觀測設計、施工技術(shù)要求、工程量計算及其他輔助設施設計。1.3 設計主要思想及考慮的因素設定本引水隧洞埋深較大，所經(jīng)過的大部分地段圍巖地質(zhì)條件較好。但因隧洞穿越地層多，沿線工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件復雜，且不易搞清。目前地下結(jié)構(gòu)設計理論尚不完善，要用多種理論和方法進行分析計算。充分考慮隧洞沿線的復雜地質(zhì)條件，特別是不良地質(zhì)洞段，針對不同地質(zhì)條件，作出合理的設計。設計中應詳細地對各種條件下的圍巖穩(wěn)定進行分析，注重圍巖的加固，采

4、用新奧法(NATM法)施工，充分發(fā)揮圍巖的承載能力，做到簡化襯砌結(jié)構(gòu)，加快施工進度，縮短工期，降低工程造價。2 設計依據(jù)文件和規(guī)范2.1 本工程的依據(jù)文件(1) 工程可行性研究報告;(2) 工程可行性研究報告審批文件；(3) 工程地質(zhì)報告；(4) 工程專題研究(試驗)報告；(5) 工程有關(guān)文件。2.2 主要設計規(guī)范(1) SDJ 12-78 水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準和補充規(guī)定(山區(qū)、丘陵區(qū)部分)(試行)；(2) SDJ 217-87 水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準(平原、濱海部分)(試行)；(3) SD 134-84 水工隧洞設計規(guī)范(試行)；(4) SDJ 207-82 水工混

5、凝土施工規(guī)范；(5) SL 62-94 水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范；(6) SDJ 10-78 水工建筑物抗震設計規(guī)范(試行)；(7) SDJ 20-78 水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(試行)；(8) SDJ 57-85 水利水電地下工程錨噴支護施工技術(shù)規(guī)范；(9) SDJ 212-83 水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范；(10) SL 47-94 水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術(shù)規(guī)范；(11) SD 303-88 水電站進口設計規(guī)范(試行)；(12) SD 144-85 水電站壓力鋼管設計規(guī)范(試行)；(13) DL/T 5058-1996 水電站調(diào)壓室設計規(guī)范；(14) GB 502

6、40-92 鋼筋混凝土工程施工及驗收規(guī)范；(15) GBJ 86-85 錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范；(16) GBJ 7-89 建筑地基基礎設計規(guī)范；(17) GBJ 10-89 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范及局部修改條文；(18) GBJ 17-85 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范。2.3 主要參考資料(1) 水力計算手冊(武漢水利電力學院編)；(2) 水力學上、下冊(成都科技大學編)；(3) 水力學上、下冊(清華大學編)；(4) 灌區(qū)水工建筑物叢書涵洞、隧洞；(5) 水工設計手冊；(6) 地下建筑物設計手冊(1993版)；(7) 鐵路工程設計技術(shù)手冊；(8) 噴射混凝土程良奎編(1990版)；(9) 鐵路隧道新奧法

7、指南(1988版)；(10) 水工隧洞設計潘家錚編；(11) 水力學設計(美國陸軍工程兵團)。3 設計基本資料3.1 工程等別與建筑物級別根據(jù)本工程規(guī)模，按照水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準和補充規(guī)定(山區(qū)、丘陵區(qū)部分)(SDJ12-78)(試行)及其補充規(guī)定，本工程屬 等工程，發(fā)電(或引水)隧洞為本工程之 建筑，應按 級建筑物設計。3.2 氣象資料氣溫本隧洞區(qū)多年平均氣溫 ，極端最高氣溫 ，極端最低氣溫 。各月氣溫如表1：表1 各 月 氣 溫 表 單位： 月 份123456789101112多年平均氣溫極端最高氣溫極端最低氣溫水溫本庫區(qū)多年平均水溫 ，極端最高水溫 ，極端最低水溫 。各月水

8、溫如表2：表2 各 月 水 溫 表 單位：月 份123456789101112多年平均水溫極端最高水溫極端最低水溫3.3 設計洪水標準(1) 設計情況洪水重現(xiàn)期，TS= a；(2) 校核情況洪水重現(xiàn)期，TX= a；3.4 水的重度(1) 清水重度： kg/cm3；(2) 渾水重度： kg/cm3。3.5 水位及引用流量(1) 水庫水位水庫正常蓄水位： m；水庫設計洪水位： m；水庫校核洪水位： m；水庫死水位(最低)： m；水庫防洪限制水位： m；(2) 調(diào)壓井水位(或隧洞出口水位)調(diào)壓井最高涌浪水位： m；調(diào)壓井最低涌浪水位： m；調(diào)壓井正常運行水位： m；(3) 引用流量本引水系統(tǒng)引用流量

9、 m3/s，單條隧洞最大引用流量： m3/s。(4) 隧洞允許最大水頭損失隧洞允許最大水頭損失： m。3.6 地震烈度(1) 基本地震烈度： 度；(2) 設計地震烈度： 度。提示: 線路較長時，可分洞段列出不同的地震烈度。3.7 水庫淤積和泥沙(1) 進水口推移質(zhì)粒徑： mm；(2) 進水口推移質(zhì)含量： kg/m3；(3) 進水口懸移質(zhì)粒徑： mm；(4) 進水口懸移質(zhì)含量： kg/m3；(5) 年推移質(zhì)總量： t；(6) 年輸沙量： t。3.8 污物情況(1) 污物來源： ；(2) 污物種類： ；(3) 污物數(shù)量： ；(4) 漂浮規(guī)律： 。3.9 地質(zhì)資料區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料提示: 本

10、節(jié)由地質(zhì)專業(yè)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件提供，供隧洞布置使用。(1) 簡述地形地貌、地層巖土性質(zhì)地質(zhì)、構(gòu)造產(chǎn)狀、有無有害氣體等；(2) 簡述含水層的類型、地下水的化學性質(zhì)、地下水的補給與排泄、沿線地表水與地下水動態(tài)等；(3) 提供地下水的排堵措施，供設計參考。隧洞沿線圍巖工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料隧洞沿線圍巖分類及穩(wěn)定評價、巖性、圍巖物理力學指標、地應力、水文工程地質(zhì)條件及一次支護的措施等匯總見表3。表3 隧洞圍巖地質(zhì)、水文地質(zhì)條件匯總表代表性剖面樁號分段長度圍巖地質(zhì)特征及段號最大隧洞埋深最大洞上地下水頭單位彈性抗力系數(shù)K0堅固系數(shù)f結(jié)構(gòu)面對圍巖的影響程 度地應力及洞軸線與地應力主應力方向 夾角巖體狀態(tài)RQD

11、巖體彈性模量E巖體變形模量E0巖體抗拉強度及允許值mmmkN/m3(°)%MPaMPaMPa12345678910111213巖體抗壓強度巖體泊松比m巖體內(nèi)摩擦角j巖體抗剪(斷)強 度C巖體重度g巖體完整性能I巖石質(zhì)量S巖體工程質(zhì)量M水文地質(zhì)條件滲透系數(shù)圍巖分類建議施工支護措施類別名稱MPa(°)MPakN/m3m/d14151617181920212223242526提示: 如遇圍巖為溶洞、軟基等不良地質(zhì)段，上述地質(zhì)參數(shù)中還應包括基礎沉陷量，各段地基的承載力、軟基與混凝土間摩擦系數(shù)，以及關(guān)鍵復雜部位節(jié)理、裂隙面抗剪強度等。隧洞沿線地應力資料提示: 由地質(zhì)專業(yè)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和

12、實測地應力資料，按隧洞樁號提供地應力值及方向。樞紐平面地質(zhì)圖及洞線地質(zhì)剖面圖隧洞沿線地溫及巖石熱常數(shù)(1) 地溫梯度： 度。(2) 巖石熱常數(shù)，見表4。表4 巖 石 熱 常 數(shù) 表巖石名稱導熱系數(shù)cJ/(M×h×)比熱系數(shù)bJ/(kg×)線脹系數(shù)a-1(3) 隧洞沿線地溫。提示: 按樁號和埋深提供地溫(列成表)。3.10 材料特性及安全系數(shù)鋼筋(1) 鋼筋設計強度及彈性模量，見表5。表5 鋼筋設計強度及彈性模量表 單位：MPa鋼筋種類符號鋼筋受拉設計強度Rg鋼筋受壓設計強度Rg彈性模量EI級鋼筋(3號鋼)2402402.1×105II級鋼筋(16Mn)直

13、徑³28mm3203202.0×105直徑<28mm3403402.0×105III級鋼筋(25Mn)3803802.0×1055號鋼筋2802802.0×105(2) 鋼筋泊松比：m=0.30。鋼材(1) 鋼材為 鋼；鋼板為 鋼。(2) 鋼材設計強度及彈模，見表6。表6 鋼材設計強度及彈性模量表 單位：MPa鋼材號符號鋼材受拉設計強度Rg鋼材受壓設計強度Rg彈性模量EI級鋼材(3號鋼)A32402402.1×105II級鋼材板厚大于 mm16Mn3203202.0×105板厚小于、等于 mm16Mn3403402.0

14、×105III級鋼材25Mn3803802.0×1055號鋼材A52802802.0×105(3) 鋼材泊桑比：m=0.30。(4) 鋼板強度指標及彈模，見表7。表7 鋼板強度指標及彈性模量表 單位：MPa鋼材號鋼板厚度，mm鋼板屈服強度Rg鋼板極限強度Rg彈性模量E(5) 鋼板允許應力，見表8。表8 鋼 板 允 許 應 力 表 單位：MPa鋼板鋼號鋼板厚mm荷載組合埋 管明 管直管彎、錐管按明管校核直管彎、錐管基本特殊基本特殊(6) 焊縫系數(shù)： 。(7) 鋼板泊桑比：m=0.30。(8) 線膨脹系數(shù)： 。(9) 鋼板抗外壓失穩(wěn)安全系數(shù) 。混凝土和鋼筋混凝土(1)

15、 混凝土的標號： 。(2) 混凝土重度：g=24kN/m3。(3) 鋼筋混凝土重度：g=25kN/m3。(4) 混凝土泊松比：m=1/6。(5) 混凝土設計強度及彈性模量，見表9。表9 混凝土設計強度及彈性模量表 單位：MPa 項 目符號混 凝 土 標 號混凝土標號CC15C20C25C30軸心抗壓Ra彎曲抗壓RW抗 拉R1抗 裂Rf彈性模量E(6) 強度安全系數(shù)，見表10。表10 強 度 安 全 系 數(shù) 表結(jié) 構(gòu)受 力 特 征荷載組合基本特殊混凝土按抗壓強度計算的受壓構(gòu)件、局部承壓按抗拉強度計算的受壓、受彎、受拉構(gòu)件鋼筋混凝土軸心受壓、偏心受壓、局部承壓、斜截面受剪、受扭構(gòu)件軸心受拉、受彎、

16、偏心受拉構(gòu)件(7) 鋼筋混凝土軸心受拉、小偏心受拉構(gòu)件抗裂安全系數(shù)： 。(8) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許最大裂縫寬度： mm。(9) 混凝土抗?jié)B標號： 。(10) 混凝土與圍巖粘結(jié)強度不得小于 MPa；(11) 混凝土的熱學常數(shù)：導熱系數(shù)c= J/(m×h×)；比熱系數(shù)b= J/(kg×)；線脹系數(shù)a= -1。噴混凝土設計指標(1) 噴混凝土標號： ；(2) 噴混凝土重度： kN/m3。(3) 噴混凝土泊松比： ；(4) 噴混凝土強度及彈性模量，見表11。表11 噴混凝土設計強度及彈性模量表 單位：MPa項 目符號噴 混 凝 土 標 號噴混凝土標號CC15C20C2

17、5C30軸心抗壓Ra彎曲抗壓RW抗 拉R1抗 裂Rf彈性模量E(5) 強度及抗裂安全系數(shù) ；(6) 噴混凝土抗?jié)B標號 。鋼纖維噴射混凝土設計指標(1) 普通炭素鋼纖維抗拉強度不低于 MPa ；(2) 鋼纖維直徑為 mm；(3) 鋼纖維長度為 mm；(4) 鋼纖維的參量為混合料重的 %；(5) 鋼纖維噴射混凝土重度 kN/m3。3.11 襯砌糙率(1) 鋼模混凝土襯砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(2) 木?；炷烈r砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(3) 噴混凝土襯砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(4) 漿砌石襯砌：n= ；nmax= ；nmin= ；(5) 鋼板襯砌：n

18、= ；nmax= ；nmin= ；(6) 不襯砌：n= ；nmax= ；nmin= 。3.12 隧洞開挖、襯砌施工方法(1) 隧洞開挖采用 開挖；開挖起伏差控制為 mm；(2) 隧洞襯砌采用 模及 模進行混凝土襯砌施工，澆筑塊長度為 模 m； 模 m。提示: (1) 說明開挖，是采用手風鉆，還是多臂鉆或掘進機。 (2) 說明澆筑是鋼模還是木模，支護是噴混凝土還是預制混凝土構(gòu)件襯砌。 (3) 根據(jù)采用的澆筑模板不同，說明襯砌分縫、分塊、分期澆筑情況。3.13 初設階段設計、研究報告及隧洞布置圖提示: 著重敘述上階段的成果、方案和需要研究的問題。4 隧洞布置與洞徑復核與優(yōu)化4.1 隧洞軸線及進出口

19、布置隧洞軸線及進口布置提示: (1) 洞線布置系在批準的初設方案上，根據(jù)隧洞的開挖機械和方法，考慮隧洞掛口地質(zhì)條件及進水口布置條件，進一步結(jié)合地形、地質(zhì)、防沙等條件，進行局部的洞線修正。(2) 原則上應復核選擇作為隧洞掛口處的地質(zhì)條件及進水口布置。本引水隧洞末端與調(diào)壓井等連接，為改善調(diào)壓井和壓力管道連接處的水流條件，隧洞進入調(diào)壓井的軸線應在壓力管道上水平段的對稱軸上。(3) 進行洞線修正時，應考慮下列條件：1) 隧洞選線時應當研究滿足水力樞紐總布置的要求；2) 應考慮隧洞沿線的巖性、產(chǎn)狀、斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)特征、地下水分布規(guī)律等因素，應盡可能避開對隧洞不利的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的區(qū)段(如地質(zhì)構(gòu)

20、造有很大破壞、逸出氣體、地下水滲流、坍塌和喀斯特等)，避開具有不利衛(wèi)生環(huán)境條件的區(qū)段(如墳墓、垃圾廠以及滲濾場地等)；3) 洞線的長度對工程造價、施工工期及施工的難易程度，有著直接的關(guān)系。洞線修改時，平面布置應力求直線型，使洞線為最短，工程量最小，對洞內(nèi)水流條件有利，且施工方便，便于機械化施工；對彎道彎曲的幾何尺寸，要求彎道的轉(zhuǎn)角不大于60°，彎曲半徑不小于5倍洞徑或洞寬。與上列數(shù)值相比，增大轉(zhuǎn)折角度、減少彎曲半徑以及提高水流速度時，它們的允許值，必須經(jīng)試驗驗證論證后采用。為了使水流順暢，在彎道的首尾尚應設置一定長度的直線段，其長度不宜小于5倍洞徑(或洞寬)。4) 在滿足上列要求的條

21、件下，洞線宜選在沿線地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、巖石堅硬、上覆厚度大、水文地質(zhì)條件有利、以及施工方便的區(qū)段。地質(zhì)條件的好壞，影響隧洞設計、施工和運行的安全，但更為突出的是直接關(guān)系到隧洞開挖的成敗。隧洞的破壞大部分發(fā)生在施工開挖階段。不良地質(zhì)條件的存在。將降低圍巖的承載能力，增加加固設施。為了充分發(fā)揮隧洞圍巖自身的潛力，保證施工安全，簡化加固結(jié)構(gòu)和降低工程造價，在洞線選擇時，應盡量把隧洞設置于堅硬、完整、穩(wěn)定的山體中，避開大范圍的斷層破碎帶，嚴重風化區(qū)，遇水易泥化、崩解、膨脹和溶蝕的巖體，以及地下水過多、地應力過大的地段。5) 對兩條或兩條以上隧洞軸線布置時，其軸線中心距應根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、開挖

22、施工機械和方法對圍巖擾動的影響，原則上要求隧洞間巖柱厚度應大于23倍隧洞開挖直徑。如巖柱厚度小于2倍隧洞開挖直徑，應作專門論證。6) 若洞線遇到溝谷時，應根據(jù)地形、地質(zhì)、溝谷中的水文情況及施工條件等，進行繞溝或跨溝方案的技術(shù)經(jīng)濟比較。當采用跨溝方案時，應合理選擇跨溝位置，對跨溝處建筑物的地基、隧洞的連線部位及其洞臉山坡，應加強工程措施。7) 隧洞圍巖的覆蓋厚度，涉及到圍巖的穩(wěn)定性、圍巖抗力及圍巖的防滲能力等。為了維護圍巖的穩(wěn)定，使其具有一定的防滲能力，并考慮一定安全系數(shù)后的厚度，對最小覆蓋厚度的取值，應結(jié)合具體情況，綜合分析研究確定。漸變段布置提示: (1) 隧洞可能有多種斷面形狀，不同斷面之

23、間應設置漸變段。為了保證洞內(nèi)水流平順，漸變段采用平緩過渡。為簡便起見，一般采用直線規(guī)律變化的漸變段，其長度取1.52.0倍洞徑。圓形斷面與圓形斷面銜接，擴散角一般為4°8°，收縮角一般為7°11°。(2) 漸變段布置中，漸變段兩端面積及形狀不同時，要注意過渡斷面面積的變化情況，盡量避免出現(xiàn)鼓肚情況，防止面積變化的不規(guī)律。岔洞布置提示: (1) 為了減少工程項目，降低造價，工程采用發(fā)電引水隧洞與 隧洞合用一條主洞，而在 處分岔過水的布置。(2) 采用這種布置需要解決水力學方面的問題，主要是如何防止岔洞附近的空蝕和減少對發(fā)電的影響。(3) 布置形式有兩種，一

24、種為主洞發(fā)電，支洞泄洪；另一種為主洞泄洪，支洞發(fā)電或由一條主洞分為兩條支洞等。岔洞下游主洞和支洞的夾角一般為30°60°。隧洞出口布置提示: (1) 出口是有壓隧洞的關(guān)鍵部位，它控制著洞內(nèi)的壓力分布狀況，關(guān)系著整個隧洞的安全運行問題。因此，選擇論證經(jīng)濟合理的出口布置，是有壓隧洞的一項任務。(2) 有壓隧洞的出口的體形設計，大致有三個內(nèi)容：1) 選擇合理的出口收縮比，即出口面積與洞身斷面積之比；2) 選擇合理的出口收縮漸變段體型；3) 選擇合理的出口下游(調(diào)壓井)連接布置形式。4.2 隧洞圍巖的覆蓋厚度及間壁厚度隧洞圍巖的最小覆蓋厚度抗抬理論規(guī)定，不襯砌有壓隧洞的最小覆蓋厚度

25、，一般按洞內(nèi)靜水壓力小于洞頂以上圍巖重量的要求確定(圖1)。即D³K×P/r(1)式中：r 巖體的重度；K 安全系數(shù)；P 內(nèi)水壓力；D 圍巖覆蓋厚度。考慮到山谷邊坡的影響，宜采用下式計算不襯砌有壓隧洞的覆蓋厚度；(圖2)。D=PK/(gcosb)(2)式中：b 山邊坡角；g 巖體的重度；K 安全系數(shù)；P 內(nèi)水壓力；D 圍巖覆蓋厚度。(D為鉛直或垂直邊坡，見圖1、圖2)。隧洞圍巖的間壁厚度平行的兩條或數(shù)條隧洞，其間的凈間距稱為間壁厚度。水工隧洞的間壁厚度，應根據(jù)工程布置、地質(zhì)條件、開挖方式、運行條件等因素綜合考慮確定。在設計中通?？紤]的有：(1) 間壁厚度盡可能不小于(23)

26、倍的開挖洞徑(或洞寬)。(2) 以相鄰兩隧洞的破壞拱互不重疊為條件，見圖3。C0³a1+a2+a式中：a1=B1/2+H1tg(45°j/2)a2=B2/2+H2tg(45°j/2)a 兩個破壞拱之間保留的安全距離，對于巖石，取a=3m6m；j 巖石的內(nèi)摩擦角。(3) 以間壁巖柱應力不超過該處巖石的允許應力為條件。其應力，可用彈塑性理論分析，用有限單元法計算，或作若干假設以經(jīng)驗對比估計。(4) 運行中，可能有一條隧洞放空，而鄰洞有最大的內(nèi)水壓力，此時應充分估計巖壁的穩(wěn)定性和滲水對抗力有所降低的影響。提示: 洞線方位與地質(zhì)條件的關(guān)系是個重要的問題，選線時應注意以下幾

27、點(1) 洞線方位與地質(zhì)構(gòu)造面的交角：洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要的軟弱帶應盡量具有較大的夾角。在整體塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中，洞軸線與地質(zhì)構(gòu)造面的夾角，一般不宜小于30°。這樣布置，巖體發(fā)生塌方的機率較小。層狀巖體是典型的正交異性巖體，我國在層狀巖體中建造了不少水工隧洞，從實踐經(jīng)驗得知：1) 巖層堅硬完整，層間聯(lián)結(jié)緊密，洞線與巖層交角對圍巖穩(wěn)定無影響，即使兩者交角很小，甚至近于平行，圍巖仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；2) 巖層雖堅硬，但斷裂發(fā)育，結(jié)構(gòu)面相互切割，圍巖穩(wěn)定狀況主要受臨空面切割體控制，與塊體結(jié)構(gòu)中的隧洞類同，即其交角不宜小于30°；3) 巖層層面聯(lián)結(jié)疏松，圍巖穩(wěn)定性主要取決于洞線與

28、巖層交角的大小。洞線與巖層的交角越小，圍巖穩(wěn)定狀態(tài)越差：當洞線平行巖層走向時，洞壁穩(wěn)定狀況最差。(2) 在層狀巖層(特別是在結(jié)合疏松的巖層)中布設隧洞，要求洞線與巖層的交角大于45°，這種布置需要注意的是，洞線與巖層交角較大，進、出口洞臉有沿層面滑動的可能，應注意采取防護措施。(3) 在緩傾角的巖層中，洞線垂直于巖層走向時，倒壁穩(wěn)定有保證，而洞頂可能發(fā)生楔形掉塊；若洞線平行于巖層走向時，特別是在平臥的巖層中，洞頂巖層易變形松馳破壞。(4) 在高地應力地區(qū)，若地質(zhì)構(gòu)造復雜，則應綜合考慮后，確定洞線方向。(5) 盡管抗抬理論用于確定圍巖覆蓋厚度存在著不少問題，但它卻能給出一個比較完整的具

29、體指標，在隧洞設計使用中較為方便。目前，國內(nèi)外仍在引用該理論確定圍巖厚度。若取r為25000N/m3，則有D³K(0.4P)的關(guān)系。一般取K=12，這樣當 K=1.0時， D³0.4P K=1.25時， D³0.5P K=1.50時， D³0.6P按最小覆蓋厚度的要求，主要矛盾在洞口段、故涉及到明挖量大小、進洞工期和高邊坡開挖。洞口段主要以成洞條件考慮，承受荷載和防滲主要靠加強支護或灌漿措施。按成洞條件進洞，可采用較小的巖體覆蓋厚度，大大減少明挖量，提前進洞，避免高邊坡開挖，具有顯著的經(jīng)濟意義。4.3 隧洞斷面尺寸選擇形狀與尺寸選擇原則提示: 隧洞斷面形

30、狀選擇應考慮的主要因素有：隧洞流態(tài)、流速、地質(zhì)條件、地應力情況、圍巖加固形式及施工方法等。應綜合考慮，并通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。(1) 本隧洞為有壓隧洞，承擔內(nèi)水壓力。流速大小對斷面形態(tài)有重要影響，流速控制流速水頭損失，一般采用3m/s5m/s的流速。(2) 地質(zhì)和地應力條件，主要涉及圍巖穩(wěn)定問題。地質(zhì)條件差時，選用大斷面，圍巖穩(wěn)定可能無保障，這時需要選用兩條或兩條以上小斷面隧洞代替。在高地應力地區(qū)的隧洞，斷面高寬比，應與地應力條件相適應。若水平地應力大于垂直地應力時，可采用高度小而寬度較大的斷面；若垂直地應力大于水平地應力時，可采用高度大而寬度小的斷面。(3) 從圍巖受力條件考慮，曲線形邊界受

31、力條件較好，直墻式受力條件較差。對施工而言，直墻、平底有利于開挖出渣和襯砌。應根據(jù)實際情況選擇。橫斷面選擇提示: 隧洞橫斷面形狀宜選用圓形或馬蹄形，在地質(zhì)條件差時，更是如此。進出口和漸變段等洞段可采用方形或矩形。(1) 圓形斷面多用于有壓隧洞。它便于采用鉆巖機開挖，加快施工進度；水力特性好，同樣的斷面，具有最大的過水能力；有內(nèi)外壓力作用下，受力條件最佳。其缺點是，弧形底板在鉆爆法開挖中，交通運輸不便；若保留底拱，以后進行二期開挖，則將延長工期；若先成型為平底，后改為圓形，則將增加開挖石方并加大回填混凝土。(2) 馬蹄型斷面適用于地質(zhì)條件較差，且側(cè)向壓力較大的洞段，水力條件僅次于圓形斷面。(3)

32、 圍巖的穩(wěn)定，是圍巖應力重分布與圍巖強度之間對比關(guān)系的反映，當圍巖應力大于圍巖的極限強度時，圍巖就要破壞。為了保證圍巖的穩(wěn)定性，必須調(diào)整和控制圍巖應力重分布與圍巖強度之間的關(guān)系。但圍巖的強度性能是客觀存在的，難于對比調(diào)整，只能調(diào)整圍巖的應力。而圍巖應力主要取決于巖體地應力狀態(tài)、隧洞的斷面形狀和尺寸，其中地應力又是客觀存在的。因此，唯一可以調(diào)整的只是隧洞的斷面形狀和幾何尺寸。故在特定的地應力場中，選擇一個合理的斷面型式，對于降低圍巖應力集中，改變圍巖受力條件，保證圍巖穩(wěn)定，具有重要的意義。這就是說，可以通過調(diào)整隧洞橫斷面的高寬比和型式來改善圍巖的受力條件。如果用sH/sV=l(sH 水平地應力；

33、sV 垂直地應力)表示巖體中地應力比值系數(shù)，并根據(jù)l值的大小把地應力場劃分為l=0、0<l<1和l>1三種類型。當隧洞軸線平行于兩水平地應力軸線之一時，由理論計算、模型試驗得知，如在l>1的地應力場中，即水平地應力大的地應力場中，各種形狀斷面的寬度可以選得大一些，而高度可以低一些。反之，在l=0的地應力場中，即垂直地應力大的地應力場中，寬度要盡量小一些，而高度要大一些。因此，在選擇斷面形狀時，應注意與地應力場相適應的關(guān)系。隧洞橫斷面尺寸的經(jīng)濟比較隧洞橫斷面尺寸的確定，關(guān)系到隧洞的造價和工程效益，特別是長的水工隧洞，其投資往往占整個工程投資的比重很大。因此，對水工隧洞斷面

34、的正確確定，具有很大的經(jīng)濟意義，必需進行動能經(jīng)濟分析來確定。根據(jù)工程的特點，要求用以下方法進行分析，然后確定：(1) 公式計算法包括經(jīng)驗公式、理論公式和經(jīng)濟流速計算法。提示: 理論公式在理論上比經(jīng)驗公式嚴密，考慮的因素多一些，一些中小型隧洞的斷面采用理論公式計算。經(jīng)驗公式及經(jīng)濟流速法，主要用來估算隧洞斷面尺寸的大致范圍，以供擬定方案進行經(jīng)濟比較之用。但也有一部份隧洞，直接用公式確定斷面。(2) 經(jīng)濟比較法計算途徑主要有抵償年限法、計算支出法，也可采用造價回收年限法。提示: 一些大型隧洞采用了此法。(3) 綜合分析法主要根據(jù)各隧洞斷面尺寸方案的經(jīng)濟、技術(shù)指標的優(yōu)劣程度，進行綜合分析而確定方案。具

35、體作法是由動能經(jīng)濟計算確定隧洞斷面尺寸，在隧洞結(jié)構(gòu)設計時，作為已知數(shù)。所用公式如下：1) 彭德舒公式(4)式中：D 隧洞直徑；QM 隧洞最大引用流量；H 水電站設計水頭。2) 經(jīng)驗公式(5)或D=Q0.38(6)式中：D 隧洞直徑；QM 隧洞最大引用流量；H 水電站設計水頭；Q 水電站設計流量。3) 理論計算公式(7)式中：D 隧洞直徑；QM 隧洞最大引用流量；L 隧洞長度；n 隧洞糙率。4) 古賓公式(8)(9)式中：QM 隧洞最大引用流量；TYCK 利用小時數(shù)；a 電度電價或成本；n 隧洞糙率；a2P 巖石開挖單價；aobc 襯砌單價。4.4 隧洞縱坡設計隧洞縱坡設計中主要考慮以下因素：(

36、1) 隧洞進出口滿足進出口水力學要求；(2) 隧洞縱坡應滿足施工要求，底坡控制在 %以內(nèi)，便于施工期和檢修期排水及施工機械運行；(3) 隧洞縱坡不宜在隧洞中部向上凸，以免中部壓坡線不滿足要求；(4) 隧洞進口高程 m，出口(末端)高程 m。5 隧洞水力設計5.1 水力學計算原則及計算提示: 參見水利水電工程技術(shù)設計階段引水式水電站水道水力學計算大綱范本。5.2 隧洞壓坡線計算有壓隧洞應繪制最高和最低壓坡線，供確定隧洞各段的最大設計水壓力和檢驗隧洞是否出現(xiàn)負壓。提示: (1) 以隧洞進口上游最低運行水位算出之壓坡線，若出現(xiàn)低于隧洞洞頂高程者，說明該段洞身將發(fā)生負壓。通常不允許隧洞在負壓下運行。為

37、安全計，規(guī)定最低壓坡線應高于洞頂2m。通過計算，若最低壓坡線低于規(guī)定時，可降低隧洞高程，或加大洞徑，或收縮隧洞出口，或綜合采取這些措施進行調(diào)整。需要指出的是，在長隧洞設計中，若水頭損失計算參數(shù)取值不準，對壓坡線計算影響較大，應予以注意。(2) 繪制壓坡線時，選逐項求出局部水頭損失hj，并逐段算出沿程水頭損失hf值；然后以出口斷面或調(diào)壓井底部為基準面，從進口斷面水流具有的總水頭T0開始，由上游至下游逐項逐段將各損失水頭累減，便得出各斷面處的總水頭；再用直線將各斷面處的總水頭相連，便得出總水頭線；繼而用各斷面處的總水頭減去該斷面處的流速水頭，便得出各斷面處的測壓管水頭(z+p/r)；用直線將各斷面

38、上的測壓管水頭連起來，便得出壓坡線。5.3 隧洞的通氣設計提示: 通氣和通氣設施是隧洞中不可缺少的重要組成部分。壓力隧洞中，排水時需要補氣，充水時需要排氣。這里所談的通氣問題與摻氣減蝕所談的通氣問題不同。目前，還無法對通氣作出數(shù)字分析，只能根據(jù)試驗和原形觀測資料，由經(jīng)驗判斷決定。一般常用的方法有：(1) 最大需氣量計算 1) 我國一些明流隧洞的觀測資料經(jīng)驗公式：Qa=(10%20%)Qw式中:Qa 隧洞中需要的氣流量； QW 相應的需水流量。 2) 原水電部十一工程局推薦的公式：Qa=0.015(VwA)1.2式中：VW 最大工作水頭下閘門全開時閘門孔口的平均流速； A 明流泄水隧洞的斷面面積

39、。 3) DL/T 5039-95推薦公式：Qa=0.09VWA式中符號意義同前。(2) 建議的需氣系數(shù) 1) 美國陸軍工程師兵團建議數(shù)據(jù)：b=Qa/Qw=0.03(F-1)1.06式中：b 最大需氣系數(shù)；F 佛勞德數(shù)，；V 閘門流速，V=2gH；h 閘門全開時其后的收縮斷面水深；H 閘門孔口頂點至庫水位的高差；g 重力加速度。2) 羅馬尼亞韋斯乃爾(Wisner)建議的數(shù)據(jù)：b=0.024(F1)1.4式中符號意義同前。3) 韋斯乃爾對于閘門小開度時建議的公式：b=0.033(F1)1.6(3) 通氣孔的風速在一般情況下，風速最好保持在20m/s40m/s左右，最大不宜超過60m/s(與溢洪

40、道規(guī)范一致)。另外，為了避免發(fā)生空蝕或振動，閘門后的壓降不宜超過1.5m2.0m，或負壓不低于1.5m2.0m。1) 前蘇聯(lián)規(guī)范規(guī)定風速不宜超過50m/s；2) 美國規(guī)定風速不超過45m/s；3) 我國一些工程的實測風速為10m/s30m/s，最大達80m/s。6 隧洞結(jié)構(gòu)設計6.1 設計原則及假定提示: 隧洞的開挖，使得原始應力場重新分布，在孔口周邊產(chǎn)生了應力集中。若圍巖的強度足以承受集中后的應力，即使沒有采取任何加固措施，開挖后的圍巖也是穩(wěn)定的；若圍巖強度較低，就需要采取加固措施。對圍巖的加固，一般應遵循下列原則和基本假定：(1) 一切加固圍巖的工程措施，都是為了加固不良圍巖、維持圍巖穩(wěn)定

41、；(2) 應當把所采取的工程措施(如支護、襯砌等)與圍巖視為統(tǒng)一的復合體，即考慮支護和襯砌與圍巖的共同作用；(3) 在支護、襯砌與圍巖的復合體中，圍巖應當是承受荷載(如內(nèi)、外水壓力等)的主體，因此，應最大限度的利用圍巖，充分發(fā)揮圍巖的作用；提示: 也有將圍巖作為荷載，所有荷載全由襯砌承擔；或?qū)⑺泻奢d由襯砌與圍巖共同承擔。(4) 為了節(jié)約投資，加快水工隧洞的建設速度，應當盡量地把加固圍巖所采取的措施壓縮到最小的限度以內(nèi)，并充分發(fā)揮其作用；(5) 以充分考慮圍巖承載能力的基礎上，應因地制宜地采用相應的加固措施，以維持圍巖的穩(wěn)定性；(6) 考慮到水工隧洞的特點，加固措施還應滿足水流摩阻小、水量滲漏

42、損失少的原則；襯砌采用混凝土或鋼筋混凝土襯砌時，按限裂寬度為0.2mm進行限制；提示: 襯砌可考慮抗裂、限裂和允許開裂幾種限制。(7) 內(nèi)水外滲將危及圍巖、山坡及臨近建筑物的安全時，應結(jié)合巖體覆蓋厚度、圍巖條件，綜合分析選用堵(如襯砌、灌漿)、截(如設置防滲帷幕)、排(如排水孔、排水廊道)等措施，以改善加固結(jié)構(gòu)與圍巖的工作條件；(8) 對于水工隧洞的設計，應當做到勘測、設計、施工及監(jiān)測緊密結(jié)合。以上幾點是相互聯(lián)系、相互制約的，設計時要統(tǒng)一考慮，綜合分析。6.2 加固及襯砌形式選擇提示: 水工隧洞設計規(guī)范(SD13484)及有關(guān)地下工程的規(guī)范規(guī)定，將圍巖分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性差、不穩(wěn)定和極不

43、穩(wěn)定五類。在各類圍巖中詳細地描述了該類圍巖的巖體特征、結(jié)構(gòu)面及其組合狀態(tài)、地下水狀態(tài)及毛洞自穩(wěn)能力等。不論哪種分類，所依據(jù)的都是圍巖的自然特征。一般，圍巖的自然特征劃分為整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)及散體結(jié)構(gòu)。根據(jù)圍巖的特征及其隧洞的作用選用加固形式：(1) I、II類圍巖提示: 圍巖堅硬、完整、裂隙滲性小，洞內(nèi)水流不致沖刷破壞巖石，內(nèi)水壓力小于圍巖最小主應力，且內(nèi)水外滲不致影響相鄰建筑物的安全、圍巖和山坡的穩(wěn)定時，在滿足運用要求和水力學條件下，通過技術(shù)、經(jīng)濟分析，可采用不襯砌隧洞。若遇局部不穩(wěn)定巖體，則可針對局部采用噴錨混凝土加固當圍巖由巨型塊狀組成，或為厚層狀結(jié)構(gòu)，表面抗風化能力、抗沖

44、刷能力較差，但在內(nèi)水外滲時不致惡化巖石，在滿足運用要求和水力學條件下通過技術(shù)、經(jīng)濟分析，可采用噴混凝土支護。對于局部不穩(wěn)定巖塊，應采用錨桿加固對這類圍巖，主要是滿足水力學要求減少糙率，防止巖石風蝕剝落。其厚度一般不需要計算，而是根據(jù)開挖后圍巖的表面情況確定。(2) III類圍巖提示: 對于整體性較差的圍巖或洞段，宜采用系統(tǒng)錨桿加固。若表面裂隙發(fā)育，或具有碎塊巖石，可采用掛鋼絲網(wǎng)噴混凝土作一次支護，一般要再作二次支護。這類圍巖穩(wěn)定較差，其襯砌厚度均需經(jīng)過計算確定。(3) IV、V類圍巖提示: 這類圍巖中微裂隙特多，地下水作用顯著，而且地下水可能促使裂隙面所夾物質(zhì)軟化、泥化、崩解等，視其嚴重程度，

45、可分別在作好一次支護的情況下，再采用混凝土或鋼筋混凝土襯砌作二次支護，必要時可采用復合式襯砌作二次支護。這種襯砌，當用薄鋼板在洞內(nèi)焊接時，外圍混凝土的厚度至少為20cm30cm；當用厚鋼板需要兩面焊接時，外圍混凝土至少厚40cm50cm。(4) 不良地質(zhì)段提示: (1) 根據(jù)工程不良地質(zhì)情況，考慮施工設備、手段，可采用預應力襯砌作為二次支護，必要時輔以一些特殊處理措施，如圍巖加固措施。(2) 預應力方式：可采用純混凝土的壓漿式預應力襯砌，也可采用鋼筋混凝土的拉筋式和鋼式預應力襯砌。不論采用何種預應力方式，都是預先使襯砌產(chǎn)生環(huán)向壓應力，以抵消大部分或一部分由內(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉應力。如主要為解決外荷

46、載，則應以加固圍巖為主。6.3 設計荷載確定及荷載組合設計荷載確定圍巖壓力在水工隧洞設計中有考慮兩種情況，即：把圍巖作為主要承載結(jié)構(gòu)和將圍巖當做荷載。(1) 對I、II、III類圍巖，考慮把巖體作為主要承載結(jié)構(gòu)，對開挖后的孔口周邊應力進行分析，必要時進行加固處理，即： 對I、II類圍巖，只考慮對局部圍巖進行錨噴支護，可不計圍巖的松動壓力，但應注意研究圍巖的地應力、巖爆等對二次支護的影響。 對II、III類圍巖，未支護前，可按下式估算垂直圍巖壓力：q=(0.10.2)gB(10)式中：g 巖石重度，kN/m3；B 隧洞開挖寬度，m；q 垂直圍巖松動壓力，kN/m2。提示: 一般不計水平圍巖壓力。

47、如加強一次錨噴支護，也可少計或不計垂直圍巖壓力。(2) 對IV、V類圍巖，則將圍巖當做荷載，把支護或襯砌當做承載結(jié)構(gòu)，可按松散介質(zhì)平衡理論估算圍巖松動壓力，選擇最不利荷載組合情況，并按下面公式進行綜合分析計算，作為二次支護襯砌厚度決定和配筋的依據(jù)。 普氏理論法塌落拱高度：(11)頂拱為圓弧時的圍巖垂直荷載：q=0.7×g×H(12)側(cè)向圍巖水平荷載：式中：H 圍巖可能的塌落高度，m；B 洞室開挖寬度，m；h 洞室開挖高度，m；e1 洞頂部側(cè)向圍巖水平荷載，kN/m2；e2 洞底部側(cè)向圍巖水平荷載，kN/m2；f 圍巖堅固系數(shù)；q 圍巖垂直荷載，kN/m2；g 圍巖重度，kN

48、/m3；fK 換算摩擦角(°)； 圍巖壓力系數(shù)法q=Sy×g×B(15)e=SX×g×h(16)式中：Sy 垂直向圍巖壓力系數(shù)；Sx 水平向圍巖壓力系數(shù)；h 洞室開挖高度，m；e 側(cè)向圍巖水平荷載，kN/m2；q 圍巖垂直荷載，kN/m2；g 圍巖重度，kN/m3；提示: 一般松散體的垂直向圍巖壓力系數(shù)Sy=0.30.5，水平向圍巖壓力系數(shù)Sx=0.05。 經(jīng)驗公式 太沙基巖石分類計算 彈性理論方法 按構(gòu)造體實際形狀計算提示: 圍巖壓力，可根據(jù)工程實際情況，選擇計算方法。內(nèi)水壓力提示: (1) 水荷載是水工隧洞的主要荷載。對有壓隧洞、內(nèi)水壓力等于水庫水位