1、第一節(jié) 水工隧洞的類型、特點及組成水工隧洞在水利樞紐中為滿足泄洪、灌溉、發(fā)電等各項任務在巖層中開鑿而成的建筑物。一、水工隧洞的類型1.按用途分類泄洪洞：配合溢洪道宣泄洪水，保證安全。引水洞：引水發(fā)電、灌溉或供水。排沙洞：排放水庫泥沙，延長水庫的使用年限，有利于水電站的正常運行。 放空洞：在必要的情況下放空水庫。導流洞：在水利樞紐的施工期用來施工導流。在設計水工隧洞時，應根據樞紐的規(guī)劃任務，盡量考慮一洞多用，以降低工程造價。如施工導流洞與永久隧洞相結合，樞紐中的泄洪、排沙、放空隧洞的結合等。/ 2.按洞內水流狀態(tài)分類（1）有壓洞：工作閘門布置在隧洞出口，洞身全斷面被水流充滿，隧洞內壁承受較大的內

2、水壓力。（2）無壓洞：工作閘門布置在隧洞的進口，水流沒有充滿全斷面，有自由水面。一般說來，隧洞可以設計成有壓的，也可設計成無壓的，也可設計成前段是有壓的而后段是無壓的。但應注意的是，在同一洞段內，應避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替現(xiàn)象，以防止引起振動、空蝕等不利流態(tài)。二、水工隧洞的特點（一）力學特點在巖層中開挖隧洞后，引起洞孔附近應力重新分布，巖體產生新的變形，嚴重的會導致巖石崩塌。圍巖除了產生作用在襯砌上的圍巖壓力以外，同時又具有承載能力，可以與襯砌共同承受內水壓力等荷載。無縫鋼管圍巖壓力與巖體承載能力的大小，主要取決于地質條件。因此，應使隧洞盡量避開軟弱巖層和不利的地質構造。（二）施工

3、特點隧洞洞身斷面小，施工場地狹窄，洞線長，施工作業(yè)工序多，干擾大，工期一般較長。尤其是兼有導流任務的隧洞，其施工進度往往控制著整個工程的工期。因此，加快施工進度是隧洞工程建設中需要引起足夠的重視。（三）水流特點樞紐中的泄水隧洞，其進口深式泄水洞。由于作用在隧洞上的水頭較高，流速較大，如果隧洞在彎道、漸變段等處的體型不合適或襯砌表面不平整，都可能出現(xiàn)氣蝕而引起破壞，所以要求隧洞體型設計得當、施工質量良好。泄水隧洞的水流流速高、單寬流量大、能量集中，在出口處有較強的沖刷能力，必須采取有效的消能防沖措施。三、水工隧洞的組成（1）進口建筑物。位于隧洞進口，其作用有：控制流量；保證進流順暢，減小水頭損失

4、；攔污。（2）洞身。位于隧洞中部，為水流通道。（3）出口建筑物。位于隧洞出口，主要作用是保證過洞水流與下游平水建筑物銜接。第二節(jié) 水工隧洞的線路選擇及工程布置一、水工隧洞的線路選擇隧洞的路線選擇關系到工程造價、施工難易、工程進度、運行可靠性等方面。影響隧洞線路選擇的因素很多，如地質、地形、施工條件等。隧洞的線路選擇主要考慮以下幾個方面的因素：1、地質條件2、地形條件3、水流條件4、施工條件二、水工隧洞的工程布置1、隧洞進、出口的布置布置主要包括：進、出口和洞身及閘門的布置。（1）隧洞的進口高程應根據隧洞的用途及實際運用要求來加以確定。（2）隧洞的出口布置應保證水流下泄安全，出流平穩(wěn)。2、隧洞的

5、縱坡選擇有壓洞的縱坡主要取決于進出口高程，要求全線洞頂保持不小于2m的壓力水頭。有壓洞的底坡不宜采取平坡或反坡，因其會出現(xiàn)壓力余幅不足且不利于檢修排水。有壓洞的縱坡一般取為310。無壓隧洞的縱坡應根據水力計算加以確定，一般要求在任何運用情況下，縱坡均應大于臨界坡度。3、閘門位置布置檢修閘門設置在隧洞進口，一般要求在靜水中啟閉。工作閘門用來調節(jié)流量和封閉孔口，要求能在動水中啟閉。無壓洞的工作閘門布置在進口。為保證門后洞內無壓流的流態(tài)，門后洞頂應高出洞內水面一定高度，并向門后通氣。有壓洞的工作閘門布置在出口。洞內始終為有壓流，水流流態(tài)穩(wěn)定。 深水式進水口布置圖4、多用途隧洞的布置為了減小工程量，降

6、低工程造價，往往考慮一洞多用或臨時任務與永久任務相結合的布置方式。（1）泄洪洞與導流洞合一布置，在已建工程中較常采用。（2）泄洪洞與發(fā)電洞合一布置（3） 發(fā)電與灌溉隧洞的合一布置第三節(jié) 水工隧洞的構造一、進口建筑物1、進口建筑物的形式（1） 豎井式豎井式進口是進口附近的巖體中開鑿豎井。優(yōu)點是結構比較簡單，不需要工作橋，不受風浪和冰的影響，抗震性及穩(wěn)定性好。 （2）塔式塔式進口建筑物是獨立于隧洞的進口處而不依靠山坡的塔，用工作橋與岸坡相連。其缺點是，受風浪、冰、地震的影響大，穩(wěn)定性相對較差，需要較長的工作橋。常用于岸坡巖石較差，覆蓋層較薄，不宜修建靠岸進口建筑物的情況。 （3）岸塔式此種進口是靠

7、在開挖后洞臉巖坡上的進水塔。塔身可以是直立的或傾斜的。岸塔式的穩(wěn)定性較塔式的好，不需工作橋。適用于岸坡較陡，巖體比較堅固穩(wěn)定的情況。 (4)斜坡式斜坡式進水口是在較完整的巖坡上進行平整、開挖、護砌而修建的一種進水。優(yōu)點是，結構簡單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，工程量小。缺點是，由于閘門傾斜，閘門不易依靠自重下降。斜坡式進口一般只用于中、小型工程。（5）組合式2進口段的組成及構造進口段的組成包括：進水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管和漸變段等。進水喇叭口隧洞進口為頂板和邊墻順水流方向三向逐漸收縮的平底矩形斷面，形成喇叭口。收縮曲線常采用1/4橢圓曲線。通氣孔設在泄水隧洞進口或中部的閘門之后應設通氣孔

8、，其作用是：在工作閘門各級開度下承擔補氣任務；檢修時，在下放檢修閘門后，放空洞內水流時補氣；檢修完成后，向檢修閘門和工作閘門之間充水時，通氣孔用以排氣。通氣孔的上部進口必須與閘門啟閉機室分開設置。通氣孔風速應保持在20 m/s左右為好。平壓管為了減小啟門力，往往要求檢修門在靜水中開啟。為此，常設置繞過檢修門槽的平壓管。平壓管的尺寸根據所需的灌水時間（約8小時左右）。 （4）攔污柵進口處的攔污柵是為了防止水庫中的漂浮物進入隧洞。（5）閘室段閘室段包括閘門、門槽、啟閉設備等。閘門分為工作閘門與檢修閘門。工作閘門要求動水中啟閉，檢修閘門要求靜水中啟閉。二、出口段及消能設施有壓隧洞的出口常設有工作閘門

9、及啟閉機室，閘門前有漸變段，出口之后即為消能設施。無壓隧洞出口僅設有門框，其作用是防止洞臉及其以上巖石崩塌，并與擴散消能設施的兩側邊墻相銜接。泄水隧洞出口水流的特點是隧洞出口寬度小，單寬流量大，能量集中，所以常在出口處設置擴散段，使水流擴散，減小單寬流量，然后再以適當形式消能。 1挑流消能當隧洞出口高程高于或接近下游水位，且地形地質條件允許時，采用擴散式挑流消能比較經濟合理，因為它結構簡單，施工方便，國內外泄洪、排沙隧洞廣泛采用這種消能方式。2底流消能當隧洞出口高程接近下游水位時，也可采用擴散式底流水躍消能。底流消能具有工作可靠、消能比較充分、對下游水面波動影響范圍小的優(yōu)點，但缺點是開挖量大、

10、施工復雜、材料用量多、造價高。3窄縫式挑坎消能窄縫式挑坎消能為挑坎處采用收縮成窄縫的布置形式。窄縫式挑坎與等寬挑坎不同之處在于，它的挑角很小，一般取0，順水流方向，兩側邊墻向中心的顯著收縮使出水口處水流迅速加深，水舌的出射角在底部和表層差別很大，底部約0，表層可達45左右，因此水舌下緣挑距縮短，上緣挑距加大，水流挑射高度增加，使水流縱向擴散加大，減小了對河床單位面積上的沖擊動能，同時水舌在空中擴散時及入水時大量摻氣，在水舌進入水墊后氣泡上升，大大減輕了對下游河床的沖刷。4洞中突擴消能洞中突擴消能也稱為孔板消能，它是在有壓隧洞中設置過流斷面較小的孔板，利用水流流經孔板時突縮和突擴造成的漩滾，在水

11、流內部產生摩擦和碰撞，消減大量能量。黃河小浪底水利樞紐中將導流洞改建為壓力泄洪洞，就采用了多級孔板消能方案，在直徑為D=14.5m的洞中布置了三道孔板，孔板間距為3D=43.5m，由導流洞改建的泄洪洞，經過三級孔板消能，可將140m水頭消煞去60m水頭，洞內平均流速僅10m/s。第四節(jié) 隧洞洞身的型式及構造一、洞身斷面型式及尺寸1、無壓隧洞的斷面形式及尺寸無壓隧洞多采用圓拱直墻形（城門洞）斷面。如圍巖條件較差還可以采用馬蹄形斷面。無壓隧洞的斷面尺寸主要根據其泄流能力要求及洞內水面線來確定。流速較低、通氣良好的隧洞，要求水面以上凈空不小于洞身斷面面積的15%25%，沖擊波波峰高不應超過城門洞形斷

12、面的直墻范圍。在確定隧洞斷面尺寸時，還應考慮到洞內施工和檢查維修等對最小尺寸的要求。2、有壓隧洞的斷面形式及尺寸有壓隧洞由于內水壓力較大，一般均采用圓形斷面。有壓隧洞的斷面尺寸應根據泄流能力要求以及沿程壓坡線情況來確定。二、洞身襯砌的類型及構造襯砌是指沿開挖洞壁而做的人工護壁，主要作用是：阻止圍巖變形的發(fā)展，保證圍巖的穩(wěn)定；承受圍巖壓力、內水壓力和其它荷載；防止?jié)B漏；保護圍巖免受水流、空氣、溫度、干濕變化等的沖蝕破壞作用；平整圍巖，減小表面糙率。1、襯砌的類型：平整襯砌（也稱護面）、單層襯砌 、噴錨襯砌 、組合式襯砌 、預應力襯砌 2、襯砌的分縫與止水在混凝土及鋼筋混凝土襯砌中，一般設有施工縫

13、和永久性的橫向變形縫。隧洞在穿過斷層、軟弱破碎帶以及和豎井交接處，襯砌需要加厚，應設置橫向變形縫。圍巖地質條件比較均一的洞身段只設施工縫。一般分段長度為612m，底拱和邊拱、頂拱的環(huán)向縫不得錯開?？v向施工縫應設置在襯砌結構拉應力及剪應力較小的部位。3、灌漿回填灌漿 回填灌漿是為了填充襯砌與圍巖之間的空隙，使之結合緊密，以改善傳力條件和減少滲漏。固結灌漿 固結灌漿是為了加固圍巖，提高圍巖的整體性，減小圍巖壓力，保證巖石的彈性抗力，減小地下水對襯砌的壓力和減少滲漏。4、排水設置排水是為了降低作用在襯砌外壁上的外水壓力。對于無壓隧洞襯砌，當地下水位較高時，外水壓力成為襯砌的主要荷載?？稍诙吹自O縱向排

14、水管通向下游，或在洞內水面線以上，通過襯砌設置排水孔，將地下水直接引入洞內，排水孔間距、排距以及孔深一般為24m。 對于有壓圓形隧洞，可不設置排水設備。當外水位很高，外水壓力很大，對襯砌設計起控制作用時，可在襯砌底部外側設縱向排水管，通至下游，必要時，為提高排水效果，可沿洞軸線每隔68m，設一道環(huán)向排水槽，環(huán)向排水槽可用礫石鋪筑，將搜集滲水匯入縱向排水管。 第五節(jié) 隧洞襯砌的荷載及結構計算一、荷載的種類及其計算 作用在隧洞襯砌上的荷載，分為基本荷載和特殊荷載兩類?；竞奢d，長期或經常作用在襯砌上的荷載。包括襯砌自重、圍巖壓力、設計條件下的內水壓力、穩(wěn)定滲流情況下的外水壓力、預應力等。特殊荷載，

15、即出現(xiàn)機遇較少的、不經常作用在襯砌上的荷載。包括校核洪水位時的內水壓力和相應的外水壓力、地震荷載、施工荷載、灌漿壓力、溫度荷載等。荷載計算的對象是單位洞長。1、圍巖壓力在巖體中開挖隧洞，破壞了巖體的平衡狀態(tài)，引起圍巖的應力重新分布，圍巖發(fā)生變形，甚至塌落，襯砌承受的這些可能崩塌圍巖的壓力稱為圍巖壓力，也稱為山巖壓力。圍巖壓力按作用的方向可分為垂直圍巖壓力和側向圍巖壓力。對于不同的圍巖類別，用不同的方法來估算圍巖壓力對于類圍巖，可不計圍巖壓力。對于、類圍巖，可用經驗估算法來估算圍巖壓力，在隧洞開挖后，應根據補充的地質資料和實際情況，進行必要的修正。對于、類圍巖，可按松散介質平衡理論，采用塌落拱法

16、估算圍巖壓力。塊狀、中厚層或厚層狀結構的圍巖，可根據圍巖中不穩(wěn)定塊體的重量來確定圍巖壓力。對于不能形成穩(wěn)定塌落拱的淺埋隧洞，圍巖壓力可按隧洞拱頂上復巖體的重量來估算。采用噴錨支護或鋼支撐等圍巖加固措施，已使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，可少計或不計圍巖壓力。 2、彈性抗力當襯砌承受荷載后，向圍巖方向變形時，會受到圍巖的抵抗，這個抵抗力稱為彈性抗力。彈性抗力是當襯砌受力后向圍巖變形，圍巖反作用于襯砌，而使襯砌受到的被動抗力。彈性抗力的存在，對于襯砌是有利的。影響彈性抗力的因素主要是，圍巖的巖性、構造、強度及厚度，同時還必須保證襯砌與圍巖緊密結合。為有效地利用彈性抗力，常對圍巖進行灌漿加固并填實襯砌與圍巖間的

17、空隙。由于彈性抗力對于襯砌是有利的，對彈性抗力的估算不能過高。彈性抗力的存在要求圍巖有足夠的厚度，對于有壓洞，只有在圍巖厚度大于倍開挖洞徑時，才可考慮彈性抗力。對于無壓洞，如果兩側有足夠的厚度且無不利的滑動面時，可以考慮彈性抗力。3、內水壓力內水壓力是指作用在襯砌內壁上的水壓力。它是有壓隧洞的主要荷載。內水壓力可分解為兩部分：即均勻內水壓力和非均勻內水壓力（無水頭洞內滿水壓力）。均勻內水壓力是 由洞頂內壁以上的水頭產生的 。非均勻內水壓力是指洞內充滿水，洞頂處水壓力為零，洞底處的水壓力為i時的水壓力。 非均勻內水壓力的合力，方向向下，數值等于單位洞長內的總水重。內水壓力為以上兩者的疊加。 4、

18、外水壓力外水壓力是指作用在襯砌外壁上的地下水壓力，其值取決于水庫蓄水后的地下水位線的高低，難以準確計算。對于無壓隧洞，一般采用在襯砌外壁布置排水措施來消除外水壓力。對于有壓隧洞，外水壓力有抵消內水壓力的作用，需要慎重考慮。工程中常將地下水位線至隧洞襯砌外壁的作用水頭乘上一個折減系數e后，作為地下水位線的計算值。e可參考書上表選用。5、襯砌自重襯砌自重是指沿隧洞軸1米長襯砌的重量。襯砌單位面積上的自重強度g為： g=h式中： h襯砌材料的重度，kN/m3，混凝土h24 kN/m3，鋼筋混凝土h=25 kN/m3. 襯砌厚度，應考慮超挖回填的影響，m。6、其它荷載灌漿壓力、溫度荷載、地震荷載等一些

19、其它荷載，或為施工期臨時作用或對襯砌影響較小或出現(xiàn)機率很小，在設計中較少考慮。二、荷載組合設計中常考慮的荷載組合有：正常運用情況：圍巖壓力襯砌自重宣泄設計洪水時內水壓力外水壓力。施工、檢修情況：圍巖壓力襯砌自重可能出現(xiàn)的最大外水壓力。非常運用情況：圍巖壓力襯砌自重宣泄校核洪水時內水壓力外水壓力。正常運用情況屬于基本組合，在襯砌設計時往往以正常運用情況來確定襯砌的厚度、材料強度等級和配筋量，用其它情況來作校核。三、襯砌結構計算1、襯砌結構計算的目的是確定襯砌厚度、材料強度等級以及配筋量。2、襯砌結構計算的對象根據隧洞沿線荷載、斷面形狀與尺寸的不同將其分為若干段，每段選取一代表性的單位洞長作為計算

20、對象。3、襯砌結構計算的步驟（1）選擇襯砌型式并初步擬定其厚度（2）分別計算單位洞長上各種荷載產生的內力，并按不同荷載組合疊加。（3）進行強度校核、確定配筋量，判定初擬襯砌厚度是否合理并進行修改。4、襯砌結構計算的方法當前有兩種：一種是以襯砌為計算對象的結構力學法；另一種是以隧洞整體為計算對象的彈性力學法。第六節(jié) 新奧法與噴錨支護一、新奧法簡介新奧法是新奧地利隧道工程法的簡稱。1、新奧法的基本內容圍巖有自承應力。隧洞開挖應采用控制爆破及其他對圍巖損傷較小的掘進方法。適時柔性支護?，F(xiàn)場測量。2、新奧法的優(yōu)點（1）超挖少、支護層薄、工序少，工程建設能做到快速、經濟。（2）適應強、安全。（3）地表沉

21、陷小。二、隧洞的噴錨支護1、噴錨支護的類型及適用條件 定義：噴錨支護是噴混凝土、設置錨桿式聯(lián)合使用噴混凝土 與錨桿支護的總稱。有時還加鋼筋網。（根據工程情況、地質條件選用） 優(yōu)點：節(jié)省三材，降低造價，減輕勞動強度，縮短工期，與常用襯砌比較：支護快、頂部緊帖、柔性大、糙率大。 在水利水電工程中的應用： 施工期臨時支護及導流隧洞等臨時工程 永久性：無壓隧洞的頂部部分 有壓隧洞的低水頭、低流速 類型：噴錨支護 噴錨支護與圍巖共同工作，改善支護工作條件，也加固了圍巖。噴了混凝土，隔絕圍巖與大氣的接觸，堵塞滲水通道，給圍巖的自身穩(wěn)定性創(chuàng)造了有利的條件。錨桿支護（節(jié)理發(fā)育的圍巖常采用） 利用錨桿將松動巖體

22、或較軟弱巖體聯(lián)結在穩(wěn)定的巖體上。噴混凝土+錨桿支護：用于強度不高或完整性很差的巖層。噴混凝土+錨桿+鋼筋網支護 對于軟弱的不良地質巖層的噴錨支護中，一般加設鋼筋網以承受拉應力，提高噴混凝土層的強度，并減少溫度裂縫。 二、噴錨支護的工作原理及計算方法 1、原理：巖體中開挖洞室后，破壞了原有巖層的平衡狀態(tài)，洞室附近應力分配，并有、向臨空面產生位移。當圍巖應力不超過彈性極限時巖體是穩(wěn)定的；當圍巖應力超過此極限強度時，這個區(qū)域內的巖體將呈塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)（日松弛區(qū)）。由于塑性影響，在洞壁處應力減小而在深處應力增大，并認為在該塑性區(qū)內形成一個承重圈，有一定承受周圍巖石的能力（即自承作用），如能及時進

23、行支護，給巖體以反力，阻止其變形的發(fā)展，防止坍塌，保持圍巖穩(wěn)定。要求：噴錨支護與圍巖緊密貼接； 既有一定剛度，又有一定柔性。2、計算方法：（1） 危石理論的計算方法節(jié)理、裂隙、裂縫切割圍巖的塊體。塊體間相互咬合主動力：為巖體重量；阻“掉”力：為咬合力1按“沖切”破壞（噴錨情況）按粘結破壞（撕開）（噴混凝土情況）懸吊理論（錨桿不拉斷）（噴錨聯(lián)合）可能墜落的巖體重量=錨桿承受的拉力缺點：1、未反映支護的整體作用。、未反映應力場的調整。、分析危石困難。（2）組合拱理論的計算方法：認為襯砌與圍巖共同承受山巖壓力，根據不同巖層決定山巖壓力，按組合拱計算M、Q、T缺點：不是M、Q、T作用的內力破壞，與實際

24、有差異。剪切破壞理論： 奧地利-賴伯塞佳“剪切破壞理論”認為剪切破壞是唯一的形式，地層壓力采用彈塑性理論計算。以上理論，尚處于探索、研究階段，計算方法不盡完全合理，工程設計中大都采用類比法和進行某些粗略計算。三、噴錨支護設計（一）確定支護參數圍巖分五類：穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性差、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定。國內： 噴錨厚度520cm（二）選定適宜的支護時間四、水工隧洞中噴錨支護的幾個問題 1、錨噴襯砌的承載能力 25mm錨噴襯砌的厚度一般只有模澆襯砌的1/31/4。在隧洞進、出口等薄弱部位，擔心開裂，內水外滲而造成失穩(wěn)。規(guī)范規(guī)定，這些部位仍用模澆混凝土。、糙率系數問題 錨噴糙率系數比模澆混凝土大的多引水發(fā)電洞 水頭損失（電能損失） 只作施工穩(wěn)定圍巖用，泄水隧洞 易出現(xiàn)空蝕破壞 另外加模澆混凝土。、抗沖刷能力問題 錨噴襯砌的厚度較薄、且表面粗糙，但規(guī)范仍規(guī)定v8m/s、施工技術方法重視開挖：光面爆破或預裂爆破避免過大地對圍巖的擾動。最大限度保持圍巖的穩(wěn)定性，減小洞壁表面的起伏差，在此基礎上噴錨支護，大大降低糙率（n）。第七節(jié) 壩下涵管壩下涵管主要用于土石壩水庫樞紐中，起引水、泄洪、沖沙、防空等作用。由于結構簡單、施工方便、工期較短、造價低，因此在中小型工程中應用較多。一、涵管的類型和工作