第八章--水工隧洞

第八章水工隧洞第一节概述一、定义及作用1.定义在水利枢纽中，为满足防洪、发电等各项任务而设置的隧洞称为水工隧洞。2.作用（1）泄洪；（2）供水（输水）；（3）排泥沙；（4）施工导流洞；（5）放空水库。与重力坝深式泄水孔作用相同。二、隧洞的分类及组成1.分类按水流条件分：有压洞【洞内始终处于满流承压状态】无压洞【洞内始终处于明流无压状态】按功用分：泄洪洞、发电洞、排砂洞、施工导流洞、输水洞、引水洞等。2.组成进口段、洞身段、出口段。三、水工隧洞的工作特点1.水力特点①泄水能力与𝐻12成正比；②进口位置低，能预泄；③承受的水头较高，易引起空化、空蚀；④水流脉动会引起闸门等振动；⑤出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。2.结构特点①洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常布置临时支护和永久性衬砌；②承受较大的内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度≥1.5𝐷和必要的衬砌。3.施工特点：隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。第二节水工隧洞的布置一、总体布置及线路选择1.总体布置①应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划。②在合理的选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口的位置及进口结构型式，确定闸门在洞口中的位置。③确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。④根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的相互关系，选定出口的位置，底板高程及消能方式。地下水位分布情况2.线路选择选线是设计中的一个至关重要的问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。原则：短、直、地质条件好。①进出口位置的确定；②围岩厚度；③施工场地布置；④岩层走向；【在整体块状结构的岩体中，交角不宜小于30°】【对薄层岩体，特别是层间结构疏松的陡倾角薄岩层，交角不宜小于45°】⑤地下水位情况。【分为：地下水位分布情况、地下水位线高低情况】尤其是出渣道路二、隧洞进出口高程的确定1.进口高程①发电洞【死水位之下，泥沙高程之上】②导流洞【接近原河床的高程】③排沙洞【接近原河床的高程】2.出口高程有压洞：一般在下游水位之上，也可在下游水位之下，被水淹没或不淹没均可；无压洞：在下游河道水位之上。三、洞纵坡与横断面形状纵坡：𝑖=1∶5~1∶1000，大于临界水力坡降；横断面：有压洞（圆形）、无压洞（城门洞形，又称圆拱直墙形）。四、闸门在隧洞中的位置有压洞：闸门放在出口，避免出现有压、无压交替，形成有害真空；无压洞：闸门放在进口。第三节进出口建筑物一、进口建筑物1.型式：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式。◆竖井式优点：结构简单、不受风浪、水的影响，抗震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小。缺点：竖井前的一段隧洞检修较困难。适用条件：地质较好。◆岸塔式适用：岸坡较陡，岩石比较坚固稳定。优点：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便，无须接岸桥梁。缺点：受风浪、冰、地震的一定影响，启门力较大。◆塔式适用：岸坡低缓，岩石破碎或覆盖层较厚。优点：对于取水用的封闭塔，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、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需要工作桥与库岸相连。◆斜坡式适用：完整的岩坡，地形适宜，闸门及拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。优点：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺点：闸门面积加大，关门时不易靠自重下降。2.进口段组成部分及尺寸进水喇叭口段、闸室段及渐变段三部分。顶曲线，14椭圆侧曲线，14椭圆进口段：椭圆方程𝑥2𝑎2+𝑦2𝑏2=1顶曲线𝑎=ℎ，𝑏=ℎ3侧曲线𝑎=𝐵，𝑏=13~12𝐵闸室段（无压洞）：闸门启闭机、平压管、通气孔渐变段：𝐿=1.5~2.0𝐷扩散角𝜃=4°~8°二、出口建筑物1.有压洞出口建筑物渐变段→闸室段→出口消能↓闸门及启闭系统2.无压洞出口建筑物边框【防止洞脸及上部岩石崩塌，并与消能设施两侧边墙相衔接】⇕出口消能→尾水渠第四节洞身段一、洞身断面形式1.无压隧洞断面形式：城门洞形；2.有压隧洞断面形式：圆形、马蹄形。城门洞形圆形马蹄形二、洞身断面尺寸确定◆一般情况下：𝐻=1.0~1.5𝐵最小尺寸：𝐵×𝐻≥1.5×1.8m,𝐷≥1.8m◆无压洞：净空面积占15%~25%；净空高度≥0.4m◆已知𝑄→𝐴：有压洞按管流计算：𝑄=𝜇𝐴2g𝐻无压洞：对于表孔溢流式进口按堰流计算；对于深式短管型进口，泄流能力取决于进口压力段。◆规范中经验公式：𝐷=5.2𝑄𝑚𝑎𝑥3𝐻三、隧洞衬砌1.衬砌作用①阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定；②承受山岩压力、内水压力及其它荷载；③防止渗漏；④保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；⑤减小隧洞的表面糙率等。2.衬砌的形式（1）护面、平整（或抹平）衬砌【5~15cm】采用混凝土、喷浆、砌石等护面，衬砌不承受荷载。作用：减少糙率，防止漏水。适用：岩石较好，水头较低的情况。优点：造价低，施工方便。（2）单层衬砌适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速较大的情况。采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。衬砌厚度：混凝土、钢筋混凝土的厚度一般为洞径或跨度的1/8~1/12，且不小于25cm。（3）组合衬砌内层：钢板、钢丝网喷浆【主要承受内水压力】外层：混凝土、钢筋混凝土【主要承受山岩压力】衬砌厚度：30~40cm。适用：水头高、流速大、内水压力大、岩石条件较差。外层内层（4）预应力衬砌材料：钢筋混凝土原理：？【施加预应力用预应力钢筋使衬砌混凝土受到环向压力从而抵消内水压力作用下产生的拉应力】适用：内水压力较大的情况。注意：衬砌型式的选择，应根据隧洞所担负的任务，地质条件，断面尺寸，受力状态，施工条件等因素，通过综合比较后确定。四、衬砌的分缝与止水分缝：？【沿洞轴线一定距离（6~12m）分缝，伸缩缝和沉降缝合二为一】止水：？【凡是有防渗要求的缝都要止水】【有压洞采用环向止水，无压洞采用半封闭止水】半封闭止水环向止水五、防渗与排水防渗：？【防止内水外渗】排水：？【排地下水，目的是降低地下水位，减少外部水压力】沿洞轴线方向六、隧洞灌浆【先回填后固结，固结灌浆应在回填灌浆7~14天后进行】1.回填灌浆目的：？【①充填衬砌与围岩之间的空隙，提高整体性；②发挥围岩弹性抗力作用；③减少渗漏。】灌浆范围设计：？【①顶拱中心角90°~120°；②孔排距2~6m；③孔深入围岩≥5cm】2.固结灌浆目的：？【提高弹性抗力；加固围岩，提高围岩的整体性和强度；减少渗漏】灌浆设计：？【孔深2~5m；排距2~4m；每排孔数≥6；灌浆压力0.4~1.0MPa】混凝土衬砌与围岩之间收缩不同，会产生裂隙岩石之间有裂隙第五节隧洞的衬砌计算及组合一、荷载的种类及计算作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重、弹性抗力及灌浆压力，温度荷载、地震力等。1.山岩压力（主动力）定义：隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。计算：①围岩压力系数法②松散介质理论（塌落拱法）③弹塑性理论法（自己看）◆围岩压力系数法侧向山岩压力：𝑒=𝑆𝑥∙𝑟𝑅∙𝐻铅直山岩压力：𝑞=𝑆𝑦∙𝑟𝑅∙𝐵式中：𝑆𝑥——侧向山岩压力系数；𝑆𝑦——铅直山岩压力系数；𝑟𝑅——岩石容重。地质条件好，侧向山岩压力系数小，侧向山岩压力小；铅直山岩压力系数小，铅直山岩压力小。◆塌落拱法假设不衬砌，隧洞塌落高度ℎ𝑞=𝑟𝑅∙ℎ=𝑟𝑅𝐵2𝑓𝑘𝑓𝑘——岩石坚固系数◆两方法对比𝑆𝑦=12𝑓𝑘（不完全符合，但大致一样）围岩压力系数法塌落拱法2.围岩的弹性抗力（被动力）定义：当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。计算：𝑃=𝐾𝑌式中：𝐾——弹力抗力系数𝑌——衬砌的变位单位弹性抗力系数𝐾0：？开挖半径为1米时的弹性抗力系数。𝐾0~𝐾厚壁圆筒理论𝐾=𝐸1+𝜇𝑟𝑒𝐾0=𝐸1+𝜇100⇒𝐾0=𝐾𝑟𝑒100式中：𝑟𝑒——实际开挖半径；𝐾0单位为kNcm3讨论：山岩压力与弹性抗力之间的关系？①力的性质不同：山岩压力是主动力，弹性抗力是被动力；②工程地质条件是影响弹性抗力和山岩压力的主要因素：若地质条件好（围岩坚固完整），山岩压力小，可利用弹性抗力就大；若地质条件差（围岩软弱破碎），山岩压力大，可利用弹性抗力就小。3.衬砌自重g=𝛾ℎ∙𝛿式中：𝛾ℎ——衬砌容重；𝛿——衬砌厚度，包含超挖部分。【隧洞开挖时，超挖厚度若不超过20cm，计算时取30cm】4.内水压力无压隧洞：内水压力=静水压力有压隧洞：内水压力分为两部分①均匀内水压力𝛾ℎ②无水头洞内满水压力（洞顶为0，洞底为𝛾𝑑）5.外水压力影响因素：衬砌厚度、岩石透水性、隧洞排水方式𝑞=𝛽𝛾𝐻其中𝛽为折减系数。二、荷载组合1.荷载基本荷载：山岩压力、衬砌自重、正常水位或宣泄设计洪水时的内水压力和外水压力；特殊荷载：校核水位时内、外水压力、灌浆压力、温度荷载、地震力、施工荷载等。2.组合①基本组合正常运行情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时内水压力+外水压力②特殊组合施工、检修情况：山岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力非常运用情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压力内水压力与外水压力会相互抵消，所以在组合时，内水压力取最大则外水压力取最小，内水压力取最小则外水压力取最大。本章要点1.什么是水工隧洞？其作用有哪些？2.隧洞的分类及其组成？3.水工隧洞的主要工作特点有哪些？4.闸门在隧洞中的布置，为什么？5.隧洞进口建筑物的型式有哪些？各有何优缺点？6.洞身断面形式？7.洞身衬砌的作用与类型？8.隧洞灌浆的类型及每种灌浆的目的？9.作用在水工隧洞衬砌上的荷载有哪些？10.什么是山岩压力和弹性抗力？11.山岩压力与弹性抗力之间的关系？12.隧洞的荷载和组合有哪些？