第五章——水工隧洞

西安理工大学水利水电学院2014.5水工隧洞与坝下涵管主讲人：田嘉宁第一节概述一、水工隧洞的作用和类型1.作用（1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石头河水利枢纽；也可作为主要泄洪建筑物，例石砭峪水利枢纽、黑河水利枢纽。（2）引水兴利：发电、灌溉、供水、生态输水等。（3）排沙：延长水库使用年限，有利于水电站的正常运行。例三门峡左岸排沙洞、二龙山右岸排沙洞。（4）放空水库：满足人防和检修。（5）施工导流。如龙羊峡：15×16m2；二滩：20.5×25.5m2；黑河金盆水库：10×13m2。第一节概述一、水工隧洞的作用和类型石头河水利枢纽第一节概述一、水工隧洞的作用和类型三门峡水利枢纽第一节概述一、水工隧洞的作用和类型二龙山水库第一节概述一、水工隧洞的作用和类型①、②运行条件上差别较大，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替流态。危害：（a）易引起振动、空蚀。（b）影响泄流能力。2.类型按功用分：可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、放空和排沙洞、施工导流洞等。按流态分：①有压：水力计算时按管流计算。②无压：明渠流计算。净空面积不小于隧洞断面积的15％第一节概述二、工作特点Q∝H1/2，比表孔超泄能力低，但进口位置低，可以提前预泄。H较高，P较大，启闭力也就要大，止水要求严格，承受的水头较高。V较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起闸门振动。q出口较大，能量集中，需采取适当的防冲设施。1.水力特点（进口位于水下）2.结构特点（洞身处于地下）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。在运行期，承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和必要的衬砌。第一节概述二、工作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。3.施工特点引水隧洞（越岭段）81.58km三河口水利枢纽黄池沟黄金峡水利枢纽黄金峡泵站引水隧洞（黄三段）15.79km第一节概述三、水工隧洞的组成进口段：控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段等。洞身段：输送水流。一般都需进行衬砌。出口段：连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门框，压力泄水隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。第二节水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置（1）应根据枢纽承担的任务，对泄水建筑物进行总体规划，确定洞线位置。（2）在选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及型式，确定闸门在洞中的位置。（3）确定纵坡i、横断面形状及尺寸。（4）根据地形、地质、尾水位以及与其它建筑物间的相互关系等条件确定出口位置、底板高程及消能方式。（5）还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。1.总体布置第二节水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置（1）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、围岩可能不稳定及地下水位高、渗流量丰富的地段，以减少作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。（2）在平面上应力求短、直，这样可以减少工程费用，方便施工、减少水头损失。另外，进出口应使水流尽量平顺，且对其他建筑物无影响。2.线路选择泄水隧洞的线路选择是设计中的关键，关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。对于无压隧洞，转弯时：当V≥20m/s，R≮5B（5D）；当V＜20m/s，R≮3B（3D）。转角＜60°。弯道两端的直线段S≥5B（5D）。（3）隧洞应有一定的埋藏深度进、出口：顶部岩体厚度≮1B（1D）。有压隧洞洞身，围岩厚度＞3D，或根据工程经验：有衬砌时围岩厚度T≮0.4H（H为内水压力水头）；不衬砌或锚喷衬砌：围岩厚度T≮1.0H。还应满足不发生渗流失稳和水力劈裂要求。（4）纵坡：应根据运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。无压洞：i＞ik；有压洞：取决于进口高程和出口高程，要求保持不小于2m的压力水头。不宜采用平坡或反坡，因其不利于检修排水。第二节水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置2.线路选择（5）对于长隧洞，应利用地形、地质条件、布置一些施工支（平）洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。例引滦入津工程在9.68km的引水隧洞中布置了15个斜支洞、4个竖井，将整个隧洞分成20份，9680/20=484m。第二节水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置2.线路选择第二节水工隧洞的布置二、闸门在隧洞中的布置一般布置工作闸门、检修闸门两道门（或事故闸门）。（1）检修闸门：一般设在进口，要求能在短期内挡水，在静水中启闭，所有隧洞都应设检修闸门。（2）事故闸门：位于检修门上游，用以在发生事故时快速关闭（快速闸门）。要求在动水中关闭，静水中开启，一般大型工程中采用。（3）事故检修门：具备检修闸门和事故闸门的特点，因此可在动水中关闭，静水中开启。（4）工作闸门：工作闸门设在进口——一般为无压洞优点：①工作门和检修门都设在进口，工作门后为无压洞，洞内不受内水压力作用，有利于边坡稳定；②检修门和工作门都在首部，运行管理方便；③易于检修和维修。缺点：①对工作门后隧洞布置要求较高，如若设置弯道，其流态差，易产生折冲水流；②对工作门后隧洞内流速有一定要求，若流速高则易发生空蚀破坏。如李家峡导流洞：V=14.5m/s左右，边壁发生严重破坏。第二节水工隧洞的布置二、闸门在隧洞中的布置工作闸门设在出口——多为有压洞优点：①运行时洞内水流流态平稳；②隧洞洞线布置适应性强（可设弯道）；③闸门控制结构简单，管理方便；缺点：①由于检修闸门和工作闸门分别在进口和出口，故运行管理不便；②洞内为有压流，一旦衬砌漏水对岩坡和土坝建筑物将造成危害。第二节水工隧洞的布置二、闸门在隧洞中的布置第二节水工隧洞的布置二、闸门在隧洞中的布置布置在洞身某一位置（门前有压，门后无压）①由于隧洞线路平面上需要转弯，工作闸门室设在转弯后，弯道为有压，直线段为无压。例三门峡排沙、泄洪洞；东江右岸泄洪洞；碧口左岸泄洪洞。②洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水推力。三门峡1#泄洪排沙洞第二节水工隧洞的布置三、多用途隧洞的布置前期为导流洞，后期为泄洪洞。常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头”式泄洪洞，一般是水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，为了避免空蚀，应做好体形设计，控制施工质量，限制不平整度，并选用适当的掺气减蚀措施。采用“龙抬头”形式的如：刘家峡、碧口、石头河、毛家村等工程。1.导流洞与泄洪洞合一布置第二节水工隧洞的布置三、多用途隧洞的布置（1）主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞发电（岔洞发电），如碧口水电站。洞内流态较好，岔尖附近的负压相对较小，发电支洞回流强度弱，范围也小。但泄洪时，由于洞内流速加大，有效水头降低，出力相应减小。（2）主洞发电、支洞泄洪。2.泄洪洞与发电洞合一布置存在问题：（1）岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀。（2）泄洪时对发电不利。分岔角一般在30°～60°之间。第二节水工隧洞的布置三、多用途隧洞的布置发电与灌溉洞合一。发电后的尾水用于灌溉。由于发电要求经常供水，而灌溉用水是季节性的，因此这种布置的主要问题是用水上的矛盾。泄洪与排沙隧洞合一。由于排沙洞的进口高程较低，施工期还可结合导流，导流完成后改建为泄洪排沙洞。但对于高水头情况，在设计中需要认真研究高流速含沙水流的冲蚀、磨损及消能问题。3.其他任务隧洞的合一布置第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。竖井式进水口是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁衬砌，闸门设在井的底部，井的顶部布置启闭机械及操纵室。1.竖井式第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。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：竖井开挖较困难，竖井前的一段隧洞检修不便。适用：地质条件较好、岩体比较完整的情况。1.竖井式独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔，塔底装设闸门。封闭式塔断面：大、中型工程多采用矩形，也有圆形和多边形。2.塔式第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。2.塔式第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。优点：开挖量小，可在不同高程设取水口。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，施工安装不方便。适用：岸坡地形较低缓，岩石较差，覆盖层较厚。靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔。优点：稳定性比塔式好；无须接岸桥梁，施工、安装比较方便。缺点：受风浪、冰、地震有一定影响。适用：岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。3.岸塔式第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。4.斜坡式第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。在较为完整的岩坡上进行平整开挖、护砌而成的一种进水口。例：响洪甸、磨子潭泄洪洞。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。适用：中、小型工程，或只用于安设检修闸门的进水口。5.组合式第三节隧洞的进出、口建筑物一、进口建筑物进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。三门峡1#泄洪排沙洞第三节隧洞的进出、口建筑物二、进口段的组成位置：在隧洞的首部。要求：①其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁；②避免产生不利的负压和空蚀破坏；③减少局部水头损失，以提高泄流能力。体型：常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩，平底。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：进口段包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几个部分组成。1.进水喇叭口12222byax第三节隧洞的进出、口建筑物二、进口段的组成2.通气孔（1）位置：①设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。②设在检修门和工作门之间。（2）作用：①工作闸门在各级开度情况下：补气②检修时：补气。③检修完毕，工作闸门和检修门之间充水平压，此时排气。（3）布置上注意点：①通气孔的进口必须与闸门启闭机室分开，因为进口处气流速度大，以免在补气、排气时，影响工作人员的安全。[Va]≤40～45m/s②通气孔应力求减少转弯，突变，以减少阻力。2/122.211LgaBVAAVQwaaawa第四节隧洞洞身段一、洞身断面形式1.无压洞（1）城门洞形（圆拱直墙形）优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的隧洞其进出口与渠道连接也简单。顶拱中心角：φ＝90°～180°。适用：垂直山岩压力较大，而无侧向山岩压力或侧向山岩压力很小的情况。为减小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的。第四节隧洞洞身段一、洞身断面形式1.无压洞（2）马蹄形（由三个不同半径的圆弧组成）适用：岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大情况。（3）圆形适用：围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。（4）蛋形第四节隧洞洞身段一、洞身断面形式2.有压洞（1）圆形：水流条件和受力条件均有利；在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。（2）也可以采用无压洞的断面形式——在围岩较好，内水压力不大时，为了施工方便。洞身断面尺寸，可根据给定的泄流量，作用水头及纵断面布置，通过必要的水力计算及水工模型试验确定。另外，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方面的需要，圆形断面的内径不小于1.8m，非圆形洞的断面不小于1.5m×1.8m。第四节隧洞洞身段二、洞身衬砌1.衬砌的作用（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。按衬砌目的分：平整衬砌、受力衬砌按材料分：砼衬砌、钢筋砼衬砌、浆砌石衬砌2.衬砌类型2、3类围岩采用素混凝土