7 水工隧洞与坝下涵管.docx

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7水工隧洞与坝下涵管

第七章水工隧洞与坝下涵管

第一节水工隧洞概述

●水工隧洞———在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物。

一、水工隧洞的特点

（一）结构特点

在岩层中开挖隧洞后，引起洞孔附近应力重新分布，岩体产生新的变形，严重的会导致岩石崩塌。

围岩除了产生作用在衬砌上的围岩压力以外，同时又具有承载能力，可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。

围岩压力与岩体承载能力的大小，主要取决于地质条件。

因此，应使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。

（二）水流特点

枢纽中的泄水隧洞，其进口深式泄水洞。

由于作用在隧洞上的水头较高，流速较大，如果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整，都可能出现气蚀而引起破坏，所以要求隧洞体型设计得当、施工质量良好。

泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集中，在出口处有较强的冲刷能力，必须采取有效的消能防冲措施。

（三）施工特点

隧洞洞身断面小，施工场地狭窄，洞线长，施工作业工序多，干扰大，工期一般较长。

尤其是兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制着整个工程的工期。

因此，加快施工进度是隧洞工程建设中需要引起足够的重视。

二、水工隧洞的类型

1.按用途分类

（1）泄洪洞：

配合溢洪道宣泄洪水，保证安全。

（2）引水洞：

引水发电、灌溉或供水。

（3）排沙洞：

排放水库泥沙，延长水库的使用年限，有利于水电站的正常运行。

（4）放空洞：

在必要的情况下放空水库。

（5）导流洞：

在水利枢纽的施工期用来施工导流。

在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量考虑一洞多用，以降低工程造价。

如施工导流洞与永久隧洞相结合，枢纽中的泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。

2.按洞内水流状态分类

（1）有压洞：

工作闸门布置在隧洞出口，洞身全断面被水流充满，隧洞内壁承受较大的内水压力。

（2）无压洞：

工作闸门布置在隧洞的进口，水流没有充满全断面，有自由水面。

一般说来，隧洞可以设计成有压的，也可设计成无压的，也可设计成前段是有压的而后段是无压的。

但应注意的是，在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止引起振动、空蚀等不利流态。

第二节水工隧洞的布置和构造

一、水工隧洞的布置

（一）水工隧洞的线路选择

隧洞的路线选择关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等方面。

影响隧洞线路选择的因素很多，如地质、地形、施工条件等。

隧洞的线路选择主要考虑以下几个方面的因素：

1．地质条件

隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地区，尽量避开不利的地质构造，要尽量避开地下水位高、渗水严重的地段。

洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角，对胶结紧密的厚岩层走向，其夹角不宜小于30°，对薄层以及层间连接较弱，其夹角不小于45°。

在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。

隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。

在隧洞的进、出口处，围岩的厚度往往较薄，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽。

2．地形条件

隧洞的路线在平面上应尽量短而直。

如因地形、地质、枢纽布置等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。

高流速的隧洞应避免设置曲线段。

3.水流条件

隧洞的进口应力求水流顺畅，减少水头损失。

水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。

4.施工条件

洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。

对于长隧洞，还应注意利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖井，增加总工作面，加快施工进度。

此外，洞线选择应满足枢纽总体布置和运行要求，避免在隧洞施工和运行中对其它建筑物产生干扰。

（二）水工隧洞的工程布置

1．隧洞进、出口的布置

布置主要包括：

进、出口和洞身及闸门的布置。

（1）隧洞的进口高程应根据隧洞的用途及实际运用要求来加以确定。

发电引水隧洞的进口，顶部高程应在水库最低工作水位以下0.5～1.0m，底部应高出水库淤沙高程最少1.0m以上。

灌溉隧洞的进口高程应保证在水库最低工作水位时，能引入设计流量，应满足引水高程的要求，并应与下游灌区布置在同一侧。

排沙洞应设置在需要排沙的发电、灌溉引水洞进口附近，其高程宜较低。

用于放空水库和施工导流的隧洞进口高程一般都较低。

进口的进水方式有表孔溢流式和深水进口式两种。

前者的进口布置方式与岸边溢洪道相似，只是用隧洞代替了泄槽，泄水时，洞内为无压流。

具体布置见下图

深式进水口的隧洞，可以是无压的或有压的。

这种布置形式与重力坝上的泄水孔布置形式相似。

（2）隧洞的出口布置应保证水流下泄安全，出流平稳。

对于有压隧洞，出口断面面积应小于洞身断面积，以保持洞内有较大的正压。

出口的断面积宜收缩为洞身断面的80%～90%，收缩方式采用洞顶压坡的形式。

隧洞的出口应通过技术经济比较选择消能防冲方式。

对于高流速、高水头、大流量的泄水隧洞，常为挑流消能。

2．隧洞的纵坡选择

有压洞的纵坡主要取决于进出口高程，要求全线洞顶保持不小于2m的压力水头。

有压洞的底坡不宜采取平坡或反坡，因其会出现压力余幅不足且不利于检修排水。

有压洞的纵坡一般取为3‰～10‰。

无压隧洞的纵坡应根据水力计算加以确定，一般要求在任何运用情况下，纵坡均应大于临界坡度。

3.闸门位置布置

检修闸门设置在隧洞进口，一般要求在静水中启闭。

工作闸门用来调节流量和封闭孔口，要求能在动水中启闭。

无压洞的工作闸门布置在进口。

为保证门后洞内无压流的流态，门后洞顶应高出洞内水面一定高度，并向门后通气。

有压洞的工作闸门布置在出口。

洞内始终为有压流，水流流态稳定。

具体布置见下图。

4.多用途隧洞的布置

为了减小工程量，降低工程造价，往往考虑一洞多用或临时任务与永久任务相结合的布置方式。

（1）泄洪洞与导流洞合一布置

在已建工程中较常采用。

导流洞的进口高程较低，而泄洪洞进口高程可以较高，常在施工导流任务完成后，将导流洞前段堵塞，而在原导流洞口的上方另设进口，由上部进口向后，隧洞底坡设计为抛物线形式，然后再接一反弧段与原导流洞相衔接。

这种布置形式在工程上常形象地称为龙抬头形式。

（2）泄洪洞与发电洞合一布置

泄洪洞与发电洞的合一布置是在洞前段共用一洞，在后段分岔为两个洞分别来泄洪与发电。

对于泄洪量大、经常使用的泄洪洞或重要的水电站，不宜采用这种布置方式。

（3）发电与灌溉隧洞的合一布置

发电与灌溉隧洞合一布置，水轮机尾水后接灌溉渠道，利用发电尾水进行灌溉。

由于发电是经常性的，而灌溉用水是季节性的，所以应在发电尾水的后面设置一弃水设施，将不需灌溉时的发电尾水排入下游河道。

二、水工隧洞的构造

（一）进口段的形式和构造

1．进口建筑物的形式

（1）竖井式

竖井式进口是进口附近的岩体中开凿竖井。

优点是结构比较简单，不需要工作桥，不受风浪和冰的影响，抗震性及稳定性好。

构造布置见下图。

（2）塔式

塔式进口建筑物是独立于隧洞的进口处而不依靠山坡的塔，用工作桥与岸坡相连。

其缺点是，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。

常用于岸坡岩石较差，覆盖层较薄，不宜修建靠岸进口建筑物的情况。

构造布置见下图。

（3）岸塔式

此种进口是靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔。

塔身可以是直立的或倾斜的。

岸塔式的稳定性较塔式的好，不需工作桥。

适用于岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。

构造布置见下图。

（4）斜坡式

斜坡式进水口是在较完整的岩坡上进行平整、开挖、护砌而修建的一种进水。

优点是，结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。

缺点是，由于闸门倾斜，闸门不易依靠自重下降。

斜坡式进口一般只用于中、小型工程。

构造布置见下图。

（6）组合式

在实际工程中常根据地形、地质、施工等具体条件采用。

如半竖井半塔式进水口，下部靠岸的塔式进水口等。

具体布置见下图。

2．进口段的组成及构造

进口段的组成包括：

进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管和渐变段等。

（1）进水喇叭口

隧洞进口为顶板和边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平底矩形断面，形成喇叭口。

收缩曲线常采用1/4椭圆曲线。

（2）通气孔

设在泄水隧洞进口或中部的闸门之后应设通气孔，其作用是：

①在工作闸门各级开度下承担补气任务；

②检修时，在下放检修闸门后，放空洞内水流时补气；

③检修完成后，向检修闸门和工作闸门之间充水时，通气孔用以排气。

通气孔的上部进口必须与闸门启闭机室分开设置。

通气孔风速应保持在20m/s左右为好。

（3）平压管

为了减小启门力，往往要求检修门在静水中开启。

为此，常设置绕过检修门槽的平压管。

平压管的尺寸根据所需的灌水时间（约8小时左右）。

具体布置见下图。

（4）拦污栅

进口处的拦污栅是为了防止水库中的漂浮物进入隧洞。

（5）渐变段、闸门室

渐变段及闸门室等，可参见第二章第七节重力坝的深式泄水孔有关内容。

（二）洞身段的形式与构造

1．洞身断面形式及尺寸

（1）无压隧洞的断面形式及尺寸

无压隧洞多采用圆拱直墙形（城门洞）断面。

如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面。

无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞内水面线来确定。

流速较低、通气良好的隧洞，要求水面以上净空不小于洞身断面面积的15%～25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。

在确定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等对最小尺寸的要求。

（2）有压隧洞的断面形式及尺寸

有压隧洞由于内水压力较大，一般均采用圆形断面。

有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力要求以及沿程压坡线情况来确定。

2．洞身衬砌的类型及构造

衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁，主要作用是：

①阻止围岩变形的发展，保证围岩的稳定；②承受围岩压力、内水压力和其它荷载；③防止渗漏；④保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；⑤平整围岩，减小表面糙率。

（1）衬砌的类型

1）平整衬砌（也称护面）

用混凝土、喷混凝土和浆砌石做成的护面，它不承受荷载，仅起到平整隧洞表面、减小糙率、防止渗漏、保护岩石不受风化的作用。

2）单层衬砌

用混凝土、钢筋混凝土做成。

单层衬砌适用于中等地质条件，隧洞断面较大，水头及流速较高的情况，混凝土和单层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于25cm，双层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于30cm。

3）喷锚衬砌

喷锚衬砌是利用锚杆和喷混凝土加固围岩措施的总称，是逐渐发展起来的新型加固措施。

3）组合式衬砌

在开挖断面周边不同部位采用不同的衬砌材料组合而成。

如内层为钢板、钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土；如顶拱为混凝土，边墙和底板采用浆砌石。

4）预应力衬砌

预应力衬砌是对混凝土、钢筋混凝土衬砌的外壁施加预压应力，以便在运用时抵消内水压力产生的拉应力。

预应力衬砌多用于高水头有压隧洞。

（2）衬砌的分缝与止水

在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工缝和永久性的横向变形缝。

隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，衬砌需要加厚，应设置横向变形缝。

围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。

一般分段长度为6～12m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。

纵向施工缝应设置在衬砌结构拉应力及剪应力较小的部位。

（3）灌浆

1）回填灌浆

回填灌浆是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，以改善传力条件和减少渗漏。

2）固结灌浆

固结灌浆是为了加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏。

（4）排水

设置排水是为了降低作用在衬砌外壁上的外