西安理工大學水利水電學院(xuéyuàn)2014.5水工隧洞(suìdònɡ)與壩下涵管主講人：田嘉寧第一頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)一、水工隧洞的作用(zuòyòng)和類型1.作用（1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石頭河水利樞紐；也可作為主要泄洪建筑物，例石砭峪水利樞紐、黑河水利樞紐。（2）引水興利：發(fā)電、灌溉、供水、生態(tài)輸水等。（3）排沙：延長水庫使用年限，有利于水電站的正常運行。例三門峽左岸(zuǒàn)排沙洞、二龍山右岸排沙洞。（4）放空水庫：滿足人防和檢修。（5）施工導流。如龍羊峽：15×16m2；二灘：20.5×25.5m2；黑河金盆水庫：10×13m2。第二頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)一、水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的作用和類型石頭河水利樞紐(shuǐlìshūniǔ)第三頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)一、水工隧洞的作用(zuòyòng)和類型三門峽水利樞紐(shuǐlìshūniǔ)第四頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)一、水工隧洞(suìdònɡ)的作用和類型二龍山水庫(shuǐkù)第五頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)一、水工隧洞的作用(zuòyòng)和類型①、②運行條件(tiáojiàn)上差別較大，應(yīng)避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替流態(tài)。危害：（a）易引起振動、空蝕。（b）影響泄流能力。2.類型按功用分：可分為泄洪洞、引水發(fā)電和尾水洞、灌溉和供水洞、放空和排沙洞、施工導流洞等。按流態(tài)分：①有壓：水力計算時按管流計算。②無壓：明渠流計算。凈空面積不小于隧洞斷面積的15％第六頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)二、工作(gōngzuò)特點Q∝H1/2，比表孔超泄能力低，但進口位置低，可以提前預(yù)泄。H較高，P較大，啟閉力也就要大，止水要求嚴格，承受的水頭較高。V較大，易引起空化、空蝕，脈動會引起閘門振動。q出口較大，能量(néngliàng)集中，需采取適當?shù)姆罌_設(shè)施。1.水力特點（進口位于水下）2.結(jié)構(gòu)特點（洞身處于地下）洞室開挖后，引起應(yīng)力重分布，導致圍巖變形甚至崩塌，為此常

布置臨時支護和永久性襯砌。在運行期，承受較大內(nèi)水壓力的隧洞，要求圍巖具有足夠的厚度和必要的襯砌。第七頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)二、工作(gōngzuò)特點隧洞(suìdònɡ)一般斷面小，洞線長，工序多，干擾大，施工條件差，工期較長。3.施工特點第八頁，共50頁。第一節(jié)概述(ɡàishù)三、水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的組成進口段：控制(kòngzhì)水流。包括攔污柵、進水喇叭口、閘門室及漸變段等。洞身段：輸送水流。一般都需進行襯砌。出口段：連接消能設(shè)施。無壓泄水隧洞的出口僅設(shè)有門框，壓力泄水隧洞的出口一般設(shè)有漸變段及工作閘門室。第九頁，共50頁。第二節(jié)水工隧洞(suìdònɡ)的布置一、水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置（1）應(yīng)根據(jù)(gēnjù)樞紐承擔的任務(wù)，對泄水建筑物進行總體規(guī)劃，確定洞線位置。（2）在選定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)(gēnjù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進口位置及型式，確定閘門在洞中的位置。（3）確定縱坡i、橫斷面形狀及尺寸。（4）根據(jù)(gēnjù)地形、地質(zhì)、尾水位以及與其它建筑物間的相互關(guān)系等條件確定出口位置、底板高程及消能方式。（5）還應(yīng)考慮臨時占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運行期地下水位變化等對環(huán)境的影響和水土保持的要求。1.總體布置第十頁，共50頁。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置一、水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置（1）隧洞的線路應(yīng)盡量避開不利的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖可能不穩(wěn)定及地下水位高、滲流量豐富的地段，以減少作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。（2）在平面上應(yīng)力求短、直，這樣可以減少工程費用，方便施工、減少水頭損失。另外(lìnɡwài)，進出口應(yīng)使水流盡量平順，且對其他建筑物無影響。2.線路選擇泄水隧洞的線路選擇是設(shè)計中的關(guān)鍵，關(guān)系到工程造價、施工難易、工期長短和運行可靠性等方面。對于無壓隧洞，轉(zhuǎn)彎時：當V≥20m/s，R≮5B（5D）；

當V＜20m/s，R≮3B（3D）。

轉(zhuǎn)角＜60°。

彎道兩端的直線段S≥5B（5D）。第十一頁，共50頁。（3）隧洞應(yīng)有一定的埋藏深度進、出口：頂部巖體厚度≮1B（1D）。有壓隧洞洞身，圍巖厚度＞3D，或根據(jù)工程經(jīng)驗：有襯砌時圍巖厚度T≮0.4H（H為內(nèi)水壓力水頭）；不襯砌或錨噴襯砌：圍巖厚度T≮1.0H。還應(yīng)滿足不發(fā)生滲流(shènliú)失穩(wěn)和水力劈裂要求。（4）縱坡：應(yīng)根據(jù)運用要求、用途、上下游銜接、施工和檢修等因素綜合分析比較(bǐjiào)后確定。無壓洞：i＞ik；有壓洞：取決于進口高程和出口高程，要求保持不小于2m的壓力水頭。不宜采用平坡或反坡，因其不利于檢修排水。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置一、水工隧洞的布置2.線路選擇第十二頁，共50頁。（5）對于長隧洞(suìdònɡ)，應(yīng)利用地形、地質(zhì)條件、布置一些施工支（平）洞、斜井、豎井，以增加工作面，加快施工進度。例引灤入津工程在9.68km的引水隧洞(suìdònɡ)中布置了15個斜支洞、4個豎井，將整個隧洞(suìdònɡ)分成20份，9680/20=484m。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置一、水工隧洞(suìdònɡ)的布置2.線路選擇第十三頁，共50頁。第十四頁，共50頁。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置二、閘門(zhámén)在隧洞中的布置一般布置工作閘門、檢修(jiǎnxiū)閘門兩道門（或事故閘門）。（1）檢修閘門：一般設(shè)在進口，要求能在短期內(nèi)擋水，在靜水中啟閉，所有隧洞都應(yīng)設(shè)檢修閘門。（2）事故閘門：位于檢修門上游，用以在發(fā)生事故時快速關(guān)閉（快速閘門）。要求在動水中關(guān)閉，靜水中開啟，一般大型工程中采用。（3）事故檢修門：具備檢修閘門和事故閘門的特點，因此可在動水中關(guān)閉，靜水中開啟。第十五頁，共50頁。（4）工作閘門：工作閘門設(shè)在進口——一般為無壓洞優(yōu)點：①工作門和檢修門都設(shè)在進口，工作門后為無壓洞，洞內(nèi)不受內(nèi)水壓力作用，有利于邊坡穩(wěn)定；②檢修門和工作門都在首部，運行管理方便； ③易于(yìyú)檢修和維修。缺點：①對工作門后隧洞布置要求較高，如若設(shè)置彎道，其流態(tài)差，易產(chǎn)生折沖水流；②對工作門后隧洞內(nèi)流速有一定要求，若流速高則易發(fā)生空蝕破壞。如李家峽導流洞：V=14.5m/s左右，邊壁發(fā)生嚴重破壞。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置二、閘門(zhámén)在隧洞中的布置第十六頁，共50頁。工作閘門設(shè)在出口——多為有壓洞優(yōu)點(yōudiǎn)：①運行時洞內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)； ②隧洞洞線布置適應(yīng)性強（可設(shè)彎道）；③閘門控制結(jié)構(gòu)簡單，管理方便；缺點：①由于檢修閘門和工作閘門分別在進口和出口，故運行管理不便；②洞內(nèi)為有壓流，一旦襯砌漏水對巖坡和土壩建筑物將造成危害。第二節(jié)水工隧洞(suìdònɡ)的布置二、閘門在隧洞(suìdònɡ)中的布置第十七頁，共50頁。第十八頁，共50頁。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置二、閘門(zhámén)在隧洞中的布置布置在洞身某一位置（門前有壓，門后無壓）①由于隧洞線路平面上需要轉(zhuǎn)彎，工作閘門室設(shè)在轉(zhuǎn)彎后，彎道為有壓，直線段為無壓。例三門峽排沙、泄洪洞；東江(dōnɡjiānɡ)右岸泄洪洞；碧口左岸泄洪洞。②洞內(nèi)某處較出口處的地質(zhì)條件好，工作閘門布置在洞中，可以利用巖體承受閘門傳輸?shù)乃屏ΑＨT峽1#泄洪排沙洞第十九頁，共50頁。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置三、多用途隧洞(suìdònɡ)的布置前期為導流洞，后期為泄洪洞。常作成“龍?zhí)ь^”式，在進口之后用拋物線段、斜坡段及反弧段與較低的洞身相連接?！褒?zhí)ь^”式泄洪洞，一般是水頭高，流速大，反弧及下游易遭空蝕破壞(pòhuài)，為了避免空蝕，應(yīng)做好體形設(shè)計，控制施工質(zhì)量，限制不平整度，并選用適當?shù)膿綒鉁p蝕措施。采用“龍?zhí)ь^”形式的如：劉家峽、碧口、石頭河、毛家村等工程。

1.導流洞與泄洪洞合一布置第二十頁，共50頁。第二節(jié)水工(shuǐɡōnɡ)隧洞的布置三、多用途隧洞(suìdònɡ)的布置（1）主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞發(fā)電（岔洞發(fā)電），如碧口水電站。洞內(nèi)流態(tài)較好，岔尖附近的負壓相對較小，發(fā)電支洞回流強度弱，范圍(fànwéi)也小。但泄洪時，由于洞內(nèi)流速加大，有效水頭降低，出力相應(yīng)減小。（2）主洞發(fā)電、支洞泄洪。2.泄洪洞與發(fā)電洞合一布置存在問題：（1）岔尖處的水流流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生不利負壓和空蝕。（2）泄洪時對發(fā)電不利。分岔角一般在30°～60°之間。第二十一頁，共50頁。第二節(jié)水工隧洞(suìdònɡ)的布置三、多用途隧洞(suìdònɡ)的布置發(fā)電與灌溉洞合一。發(fā)電后的尾水用于灌溉。由于發(fā)電要求經(jīng)常供水，而灌溉用水是季節(jié)性的，因此這種布置的主要問題是用水上的矛盾。泄洪與排沙隧洞合一。由于排沙洞的進口高程較低，施工期還可結(jié)合導流，導流完成后改建為泄洪排沙洞。但對于高水頭情況，在設(shè)計中需要認真研究高流速(liúsù)含沙水流的沖蝕、磨損及消能問題。3.其他任務(wù)隧洞的合一布置第二十二頁，共50頁。第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口建筑物的主要形式有三種(sānzhǒnɡ)：豎井式、塔式和岸塔式。豎井式進水口是在隧洞進口附近的巖體中開挖豎井，井壁襯砌，閘門設(shè)在井的底部，井的頂部布置啟閉機械及操縱室。1.豎井式第二十三頁，共50頁。第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口建筑物的主要形式(xíngshì)有三種：豎井式、塔式和岸塔式。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不受風浪、水的影響，抗震及穩(wěn)定好，地形條件適宜時，工程量較小。缺點：豎井開挖較困難，豎井前的一段隧洞檢修不便。適用：地質(zhì)條件較好、巖體比較完整的情況。1.豎井式第二十四頁，共50頁。獨立于隧洞首部而不依靠巖坡的封閉式塔或框架式塔，塔底裝設(shè)閘門(zhámén)。封閉式塔斷面：大、中型工程多采用矩形，也有圓形和多邊形。2.塔式第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式。第二十五頁，共50頁。2.塔式第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口建筑物的主要形式有三種(sānzhǒnɡ)：豎井式、塔式和岸塔式。優(yōu)點：開挖量小，可在不同高程設(shè)取水口。缺點：受風浪、地震、冰的影響大，穩(wěn)定性相對較差，需要工作橋與庫岸相連，施工安裝不方便。適用：岸坡地形較低緩，巖石較差，覆蓋層較厚。第二十六頁，共50頁?？吭陂_挖后洞臉巖坡上直立的或傾斜的進水塔。優(yōu)點：穩(wěn)定性比塔式好；無須接岸橋梁，施工(shīgōng)、安裝比較方便。缺點：受風浪、冰、地震有一定影響。適用：岸坡較陡，巖體比較堅固穩(wěn)定的情況。3.岸塔式第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式。第二十七頁，共50頁。4.斜坡(xiépō)式第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式。

在較為完整的巖坡上進行平整開挖、護砌而成的一種進水口。例：響洪甸、磨子潭泄洪洞。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，工程量小。缺點：閘門面積加大，關(guān)門時不易靠自重下降。適用：中、小型工程，或只用于安設(shè)檢修閘門的進水口。第二十八頁，共50頁。5.組合式第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物一、進口(jìnkǒu)建筑物進口(jìnkǒu)建筑物的主要形式有三種：豎井式、塔式和岸塔式。三門峽1#泄洪排沙洞第二十九頁，共50頁。第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物二、進口(jìnkǒu)段的組成位置：在隧洞的首部。要求：①其體形與孔口水流的形態(tài)相適應(yīng)，使水流平順通過，而不致脫壁；②避免產(chǎn)生不利的負壓和空蝕破壞；③減少局部水頭損失，以提高泄流能力。體型：常采用矩形斷面，頂板和邊墻(biānqiánɡ)順水流方向三面收縮，平底。喇叭口的頂板和邊墻(biānqiánɡ)常采用橢圓曲線，其方程為：進口段包括：進水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管、漸變段等幾個部分組成。1.進水喇叭口第三十頁，共50頁。第三節(jié)隧洞(suìdònɡ)的進出、口建筑物二、進口(jìnkǒu)段的組成2.通氣孔（1）位置：①設(shè)在泄水隧洞進口(jìnkǒu)或中部的工作閘門之后。②設(shè)在檢修門和工作門之間。（2）作用：①工作閘門在各級開度情況下：補氣②檢修時：補氣。③檢修完畢，工作閘門和檢修門之間充水平壓，此時排氣。（3）布置上注意點：①通氣孔的進口必須與閘門啟閉機室分開，因為進口處氣流速度大，以免在補氣、排氣時，影響工作人員的安全。[Va]≤40～45m/s②通氣孔應(yīng)力求減少轉(zhuǎn)彎，突變，以減少阻力。第三十一頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段一、洞身斷面(duànmiàn)形式1.無壓洞（1）城門洞形（圓拱直墻形）優(yōu)點：施工（開挖、立模、襯砌）簡單，為渠道上的隧洞其進出口與渠道連接也簡單。頂拱中心角：φ＝90°～180°。適用：垂直山巖壓力較大，而無側(cè)向山巖壓力或側(cè)向山巖壓力很小的情況。為減小或消除側(cè)向山巖壓力，可把邊墻作成(zuòchéng)傾斜的。第三十二頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段一、洞身斷面(duànmiàn)形式1.無壓洞（2）馬蹄形（由三個不同半徑的圓弧組成）適用：巖石比較軟弱破碎，垂直(chuízhí)山巖壓力和側(cè)向山巖壓力均較大情況。（3）圓形適用：圍巖條件較差，且外水壓力較大，掘進機施工。（4）蛋形第三十三頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段一、洞身斷面(duànmiàn)形式2.有壓洞（1）圓形：水流條件和受力條件均有利；在面積一定的條件下，圓形過流能力(nénglì)最大。（2）也可以采用無壓洞的斷面形式——在圍巖較好，內(nèi)水壓力不大時，為了施工方便。洞身斷面尺寸，可根據(jù)給定的泄流量，作用水頭及縱斷面布置，通過必要的水力計算及水工模型試驗確定。另外，在確定隧洞斷面尺寸時，還應(yīng)考慮到洞內(nèi)施工和檢查維修等方面的需要，圓形斷面的內(nèi)徑不小于1.8m，非圓形洞的斷面不小于1.5m×1.8m。第三十四頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌1.襯砌的作用(zuòyòng)（1）阻止圍巖變形的發(fā)展，保證圍巖穩(wěn)定；（2）承受山巖壓力、內(nèi)水壓力及其它荷載；（3）防滲漏；（4）保護巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化(biànhuà)等的沖蝕破壞作用；（5）減小隧洞的表面糙率等。按襯砌目的分：平整襯砌、受力襯砌按材料分：砼襯砌、鋼筋砼襯砌、漿砌石襯砌2.襯砌類型2、3類圍巖采用素混凝土襯砌，4、5類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌第三十五頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌3.襯砌分縫分縫原因：混凝土或鋼筋混凝土襯砌在施工和運用期：①由于混凝土的干縮和溫度應(yīng)力可能產(chǎn)生裂縫；②當隧洞穿過地質(zhì)條件變化顯著(xiǎnzhù)地區(qū)（通過斷層、破碎帶及其它軟弱地帶）可能由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫；③施工只能是分塊分段澆筑。（1）施工縫（臨時）橫向（垂直軸線）：間距由澆筑(jiāozhù)能力定；縱向（平行軸線）：根據(jù)澆筑(jiāozhù)能力，縫設(shè)在頂拱、邊墻及底板分界處或是內(nèi)力較小部位；施工縫：需進行鑿毛處理或設(shè)插筋以加強其整體性。第三十六頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌3.襯砌分縫（2）伸縮縫（永久）：防止混凝土干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。間距：6～12m，縫中設(shè)止水。（3）沉降縫（永久）：設(shè)置部位：①通過斷層破碎帶或軟弱帶：襯砌加厚，厚度突變處；②洞身與進口漸變段等接頭處，可能產(chǎn)生較大位移的地段?？p中設(shè)止水，填瀝青油氈或其他填料(tiánliào)。實際工程中：橫向施工縫、沉降縫、伸縮縫，盡量結(jié)合在一起。第三十七頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌4.灌漿(guàng〃jiāng)目的：為了充填襯砌與圍巖之間的空隙，使之緊密結(jié)合，共同工作，改善傳力條件和減少滲漏。做法：在頂拱部位預(yù)留灌漿管，在襯砌完成后，通過(tōngguò)預(yù)埋管進行灌漿。范圍：一般在頂拱中心角90°～120°以內(nèi)?？拙?、排距：一般為2～6m（深入巖體＞5cm）。灌漿壓力：混凝土襯砌0.2～0.3MPa；鋼筋混凝土襯砌0.3～0.5MPa。（過高會破壞襯砌結(jié)構(gòu)）。（1）回填灌漿第三十八頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌4.灌漿(guàng〃jiāng)（2）固結(jié)(ɡùjié)灌漿目的：在于加固圍巖，提高圍巖的整體性和承載能力，減小滲漏。范圍：整個斷面?？咨睿喝霂r2～5m，對于圍巖條件差的地段或直徑較大的隧洞達6～10m。排距：2～4m，每排不宜少于6孔，作對稱布置。灌漿壓力：一般采用0.4～1.0MPa或更大，對于有壓隧洞可用1.5～2.0H(H為內(nèi)水壓力)。第三十九頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌4.灌漿(guàng〃jiāng)第四十頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌5.排水作用：降低作用在襯砌上的外水壓力。（1）有壓洞：外水壓力一般不控制襯砌設(shè)計，僅在外水壓力較大(jiàodà)時設(shè)置排水。（2）無壓洞：外水壓力較大(jiàodà)時，設(shè)置排水（徑向、縱向）徑向：在洞內(nèi)水面線上通過襯砌設(shè)置排水孔排水孔距、排距一般為2～4m深入巖體2～4m，將地下水引入洞內(nèi)。在洞內(nèi)水面下也有設(shè)置排水孔（如劉家峽電站導流洞），因為隧洞放空后，底板及側(cè)墻難以滿足抗浮穩(wěn)定。第四十一頁，共50頁。第四節(jié)隧洞(suìdònɡ)洞身段二、洞身襯砌5.排水總之，有壓洞的外水壓力能抵消一部分內(nèi)水壓力，除外水壓力起控制作用的特殊情況外，一般不需設(shè)排水，特別(tèbié)是有壓洞覆蓋層厚的進口附近，地質(zhì)較差的地段，圍巖內(nèi)存在易溶填充物，不宜設(shè)排水，而應(yīng)加強固結(jié)灌漿。第四十二頁，共50頁。第五節(jié)隧洞(suìdònɡ)出口段及消能設(shè)施一、出口(chūkǒu)段的布置1.無壓洞：出口僅設(shè)有門框（以防洞臉及上部巖石崩塌），并與消能設(shè)施的兩側(cè)邊墻銜接。2.有壓洞出口常設(shè)工作閘門、啟閉機室。閘門前有漸變段（洞圓門方），出門之后為消能設(shè)施，為避免負壓，常采用斷面收縮(shōusuō)的方法。