水工隧洞施工

第六章水工隧洞

要求：了解其作用、功能、掌握水工隧洞设计的基本原理及方法。

第一节水工隧洞的类型、特点、组成

教学目的：掌握水工隧洞的类型、特点和组成。

教学难点、重点：水工隧洞的特点和组成。

主要概念、名词：龙抬头、一洞多用。

教学内容：

⑴复习巩固：前面介绍了侧槽式河岸溢洪道的位置选择和设计过程。

⑵引入新课：本节介绍水工隧洞的类型、特点和组成。

⑶讲授新课：

一、类型

1.按功用分：

1]泄洪

2]输水(灌溉，发电，供水)

3]排空(排砂)

4]施工导流，尽量一洞多用

2.按流态分：无压有压隧洞

3.按工作性质分：引水；泄水隧洞。后者一般为高流速洞(V>10m/S)

二、特点

1.常承受较大的内(外)水压力。

2.高流速洞易空蚀破坏。

3.深式进水口，闸门要受巨大的水压力。

4.洞身断面较小，洞线长，施工期长。

5.泄洪洞出口流速高，单宽能量大，应注意下游消能。

三、组成部份

1.进口：栏污栅、喇叭口、闸门、进口渐变段。

2.洞身：一般在岩体内开挖，多有衬砌。

3.出口：洞脸(门框)，消能(发电洞则接高压管道，进入厂房)。

检修闸门和事故闸门一般设在进口，无压洞工作闸门一般也设在进口；有压泄洪洞的工作闸门可布置在出口(大中型)，也有布置在进口(中小型)，但流态不好。

第二节水工隧洞的选线与总体布置

教学目的：掌握水工隧洞的选线的原则和隧洞的总体布置方法。

教学难点、重点：水工隧洞的选线和总体布置。

主要概念、名词：山岩压力、偏转角、支洞、临界底坡。

教学内容：

⑴复习巩固：前面介绍了水工隧洞的类型和特点。

⑵引入新课：本节介绍水工隧洞的选线的原则和隧洞的总体布置方法。

⑶讲授新课：

一、选线的一般原则

1.避开山岩压力大，地下水位高，漏水严重，可能塌方的不稳定地段。

2.洞线力求短直，隧洞要有一定的埋深，除局部段外，一般要求围岩厚度应大于3倍洞径，且大于0.4倍的内水压力水头。

3.进出口应选在覆盖层浅，岩石较完整，边坡较稳定的地段；

4.从水流条件上看，进口水流应平顺，避免涡流；隧洞转弯半径R应大于5倍洞宽B；高流速无压洞尽量避免设置平面转弯。

5.两并列隧洞之间的岩体厚度应大于1～2倍的洞径(宽)。

二、隧洞的总体布置

(一)进(出)口

开敞式～多为泄洪洞无压洞(见水闸一章)

深孔式～发电排砂放空(见本章)

有压洞出口段的断面积应缩小为洞身断面的80～90％。

进出洞口的开挖应直到岩石完整且洞顶岩体厚度相当于洞径的3～5倍时才可开始进洞。

(二)洞身布置

无压洞的底坡由水力计算确定，但一般大于临界底坡，输水洞常用1/200～1/2000；无压泄洪洞的底坡一般为1～5％；大型泄洪洞常布置成无压洞。

一般来说，当工作水头小于50m，流量小于500m3/s，地质条件较好时，采用有压洞泄洪可能比无压洞(或溢洪道)经济。有压洞的优点是流态平稳，有利于减蚀；在泄相同流量时，有压洞的断面常比无压洞小(10～20％左右)；缺点是衬砌承受内水压力，渗漏可能引起山体滑坡，特别对出口处山坡稳定有威胁。

(有压泄洪洞洞径D=5m，V=10m/s时，泄量Q=200m3/s)

无压洞适用于水头较高，流量较大，地质条件较差的情况；但流速较大的地方易气蚀；高速水流平面转弯时，将引起冲击波等不利水流现象。流速大于15m/s时就可能发生空蚀，断面平均流速大于40m/s时，空蚀破坏较多。

三、隧洞断面尺寸的确定

1.砼衬砌的引水隧洞经济流速约为2～4m/s(泄洪洞常达10～30m/s)，由此可拟定洞径；钢管的经济流速为2～5m/s，对于发电引水隧洞，洞径的选择还应考虑使总水头损失不大于毛水头的5～8％。

2.无压洞应按明渠均匀流公式计算过流能力，洞顶以上的净空一般不小于洞断面积的15％，且大于40cm；水深一般不超过直墙部份.高流速洞还要考虑掺气的影响。

无压洞的高度H=(1～1.5)B，B为洞宽。

顶拱中心角约90～180度。

3.施工要求隧洞开挖断面应不小于BH=1.5×1.8m。

四、过流能力较核及水头损失计算

1.无压洞Q=ωＣ√RiC=R0.16667/n

砼衬砌n=0.012～0.017

钢管0.011～0.013

喷砼0.017～0.025

不衬砌岩洞0.025～0.04

2.有压洞Q==μAc√2gZ

Z～库水位至有压洞出口中心的水位差

AC～有压洞出口收缩断面面积

μ～流量系数

μ=1/√1+ΣδK2+ΣλK2L/D

K=A c/A

A～计算水头损失的过水断面面积

L，D～洞长和洞径λ=8g/C2

δ～局部水头损失系数；拦污栅，进水口(包括门槽，渐变段等)，转弯段，收缩断等；

有时无压洞的泄流能力Q由进口的有压段决定，则仍由上式计算。

有压段的长度小于10倍洞高，则流量系数μ可达0.9左右。

3.隧洞总水头损失

Δh=局部损失＋沿程损失

L/D大于200的长度，局部水头损失可忽略不计。

第三节隧洞各部份的型式及构造

教学目的：掌握水工隧洞各部份的型式及构造。

教学难点、重点：水工隧洞的进口建筑物的型式和适用条件，各组成部分的形状和构造。

主要概念、名词：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式、平整衬砌。

教学内容：

⑴复习巩固：前面介绍了水工隧洞的选线的原则和隧洞的总体布置方法。

⑵引入新课：本节介绍水工隧洞各部份的型式及构造。

⑶讲授新课：

一、进口建筑物的型式及构造

(一)型式

开敞式进口：见水闸及溢洪道；

深式进水口：见重力坝。

1.竖井式：在库区地形(高程)和地质条件合适的岸边岩体中开挖。

2.岸塔式

3.斜坡式：造价低，但闸门不易靠自重关闭，且发生故障时检修困难。一般用于小型工程或作为安装检修闸门。

(二)构造

1.拦污栅：发电洞过栅流速一般不超过1m/s，以免水头损失过大，多为直立，倾斜时为60～75度。

2.进水喇叭口：常用椭圆；低流速时也可用圆弧，R大于h/2，(h为闸门处的孔口高度)。

顶板常用1/4椭圆x2/a2+y2/b2=1

[顶板a=hb=h/3；边墙a=闸门处孔口宽B，b=(1/3～1/5)B]

3.进口渐变段(矩形变园形)：

长度约为洞径的2～3倍

4.通气孔：

作为补气以稳定水流，避免振动和空蚀；平压开启检修闸门时，通气孔又用以排气。发电引水洞或管道快速闸门后的通气孔的断面积可取为洞(管)身断面积的2～3％；高流速泄水洞可达5～10％。

通气孔断面积a=0.1VA/[V1]

[V1]～允许风速40～50m/s

V，A分别为隧洞的水流流速及断面积。

5.平压管(旁通阀)

灌水时间一般控制在2～6小时之内

二、洞身的断面型式和构造

(一).断面形式

1.有压洞：

应根椐能量方程求出隧洞的压坡线，要求洞顶应有以上2m以上的压力余幅；高流速泄水洞应有10m以上压力余幅。

当工作水头H大于100m，或流速大于35m/s时，有压洞铅直面转弯的反弧段末端易发生空蚀破坏；(高流速洞的空蚀常发生在反弧段末端，门槽下游，边界突体下游，断面突然扩大而补气不畅处；人工掺气是一种有效，经济的防蚀措施)。

引水压力洞的转弯半径应大于5倍洞径，且转弯后的直段长也应不小

于5倍洞径。

2.无压洞断面型式

1]城门形顶拱中心角90～180度，宽高比1：1～1：1.5。

2]马蹄形卵形适用于地质条件差，侧向山岩压力大的洞段。

(二)隧洞衬砌

1.衬砌的目的

1]承载稳定

2]减糙(使洞壁光滑)

3]减渗

4]防蚀(保护围岩免受冲刷，风化，浸蚀)

衬砌的费用较高，有的可占隧洞工程总费用的60％；对于不衬砌的洞，进出口和地质条件较差的洞段也应适当加固，洞底部均用砼抹平减糙。

2.衬砌的类型

(岩石坚硬完整，耐风化的洞段可以不衬砌；进出口段一般均要加强衬砌，长度一般不小于5倍洞径.)

1]平整衬砌(不承载)：喷水泥砂浆1～3cm厚，喷砼5～8cm厚，浆砌石25～35cm厚。适用于地质条件较好的洞段。

2]锚喷衬砌A～喷素砼(见上)B～锚喷结合，钻孔插入锚杆，注入砂浆固定；锚杆应深入稳定岩层，一般长达倍洞径。喷锚支护适用于无压洞和中低水头的有压洞(H小于70m)。

3]砼和钢筋砼衬砌：厚度一般为洞径或洞跨的1/10左右，且不小于25～30cm；砼标常用200号。常用于隧洞进出段和地质条件较差的洞段。钢筋砼衬砌的纵向架立钢筋一般不经计算直接采用Φ12～16间距200～400(洞径较大者采用较大的直径和较大的间距)。环向受力钢筋按结构计算确决定，常用Φ12～20间距200～300，μ=1％左右.

4]组合衬砌：内层为钢板，外层为砼(厚度大于20cm)，适用于内水压力大的有压洞。

5]预应力衬砌：在衬砌和围岩之间进行压力灌浆，浆液使用膨胀水泥。

3.衬砌的分缝止水

1]施工缝(临时，浇筑缝)：根据浇筑能力分纵横缝，也称工作缝；有压洞缝处结合面应凿毛，有的还应加插筋以加强整体性。

2]变形缝：是永久缝，对有压洞缝中应设止水.目的～防止不均匀沉降，兼作温度伸缩缝；间距6～18m(洞径大的，可大些)，进出口，渐变段，岩性变化处，破碎带两侧等均应设缝。

(三)隧洞的灌浆排水

1.灌浆

1]回填灌浆～在衬砌的顶拱部位90～120度范围内预留灌浆孔.孔排距4～6m，灌浆压力0.2～0.3mPa，逐步加密法灌浆。

2]固结灌浆～一般深入岩体0.8～1倍洞径，常为3～5m；排距2～4m，每排不少于6孔，灌浆压力常用0.4～1mPa，一般要达到1.5～2倍的内水压力水头，常在回填灌浆结束后7～14天进行。

2.排水：目的是降低衬砌的外水压力，常设在无压洞的顶部，孔深2～4m，间距2～4m；有压洞一般不设径向排水孔，遇到外水压力较大的破碎带，可在衬砌底部设纵向排水暗管，将水排向下游.暗管可用无砂砼管或多孔缸瓦管。

三、出口段的构造

发电有压洞出口段常对围岩进固结灌浆，并将压力钢管伸入洞内3～5D，形成组合衬砌。

有压泄洪洞出口有的设有工作闸门(因此有启闭房，渐变段)，无压(有压)泄洪洞的出口消能与河岸式溢洪道相似：当隧洞出口高程高于或接近于下游水位，且下游水深和地质条件适宜时，优先考虑挑流消能，否则考虑底流消能。

泄洪洞下游消能的特点是单宽能量大，能量非常集中，因此需先将出口的高速水流扩散，减少单宽流量，然后消能.不具备合适地形条件时，有些泄洪洞也不扩散，直接挑流消能。

四、隧洞施工

隧洞钻进常用气腿风钻孔，电雷管引爆，硝胺岩石炸药爆破；地质较好的洞段常用250号水泥砂浆支护，洞底砼铺砌。

人工炮眼一般深0.6～1m，洞径2m左右的洞可全断面一次开挖完成，各炮眼装药一般为孔深的50～60％.隧洞开挖每方岩石炸药用量0.5～1KG，导洞开挖增加80％左右。

第四节隧洞衬砌上的荷载

教学目的：掌握水工隧洞荷载的种类及计算步骤。

教学难点、重点：水工隧洞的荷载的计算，特别是山岩压力及弹性抗力的计算。

主要概念、名词：山岩压力、形变山岩压力、松动山岩压力、弹性抗力。

教学内容：

⑴复习巩固：前面介绍了水工隧洞进口建筑物的型式和适用条件，各组成部分的形状和构造。

⑵引入新课：本节介绍水工隧洞荷载的种类及计算步骤。

⑶讲授新课：

基本荷载：山岩压力，衬砌自重，洞内静水压力(正常及设计洪水位)，外水压力(稳态渗流)

特殊荷载：较核洪水位的内水压力(包括动水压力)及相应的外水压力。

与地面结构相比，隧洞所受的地震力较小，可不考虑，仅在进出口段和洞脸考虑地震力的影响；温变，砼干缩，灌浆压力主要用构造措施解决，不计算(一般不让它成为控制截面和配筋的依据)。

一、山岩压力

1.普氏公式

塌落拱高度h=隧洞开挖半宽b/围岩坚固糸数f k

曲线形洞顶的垂直山岩压力q=0.7×γ1×h

γ1～～围岩的容重，中等坚硬的岩石f k=2～4

侧向山岩压力

e=γ1×(h1+H)×tg2(45。-φ/2)

h1={b+H×tg(45。－φ/2)}/f k

H～隧洞开挖高度，B～隧洞开挖宽度B=2b，

φ=tg-1f

当f大于6，且开挖宽度B小于6m时，可不考虑山岩压力；f大于等于2时，可不考虑侧向山岩压力。

一般认为洞顶以上岩层厚度要大于3倍洞径时，平衡拱的形成才有保证，否则按实有岩层厚度计算垂直山岩压力。

2.1985年规范建议将围分为五类

一类(围岩稳定)能长期自稳，不计山岩压力

二、三类(基本稳定和稳定性较差)只计垂直山岩压力q=(0.1～0.2)γ1×B

四、五类(稳定性差和不稳定)可按松动介质平衡理论(如普氏公式)估算山岩压力

二、弹性抗力

弹性抗力糸数k表示单位面积的衬砌向围岩方向发生单位径向变位时所受到围岩的被动反力，洞半径r为1m的K值称为单位弹性抗力糸数K。对于无压洞K值可查P289表，对于有压洞一般先由表中查得K。

由下式计算Ｋ值：K=100K0/r

式中及表中开挖半径r的单位为cm，

K的单位为N/cm2

K0＝E/[100(1+μ)]

E，μ～围岩的弹模及泊松比

弹性抗力一般是一种有利的反力，在下列情况之一不应考虑(或只能降低考虑)弹性抗力：

1]围岩的厚度小于3倍洞径或小于0.4倍内水压力水头。

2]衬砌与围岩结合不紧密(有一定间隙)。

3]围岩破碎，或有软弱构造带(f k小于2)。

三、内外水压力

发电引水洞的内水压应考虑水锤影响.无压洞一般采用排水措施来消除外水压力；对于有压洞，外水压力有抵消内水压力的作用，应慎重确定.在难以精确定出地下水位线时，常近似假定地下水位线在进水口外与设计洪水位相同，在出口处与下游水位或洞顶外壁平齐，中间连以直线，外水压力等于地下水位线至洞底板之间的水柱高H1乘以折减糸数β，一般β=0.25～1.0围岩裂隙发育时取大值，反之取小值；当围岩采用了排水措施时也取小值。

除此外还应注意以下几点

1.荷载组合中外水压力对衬砌不利时(如隧洞放空时)，β取大值，有时

干脆取为1(外水压力100％作用于衬砌上)；当外水压力对衬砌有利时(例如与内水压力组合)，取表中的较小值，常常取为0；在进水口段，由于靠近水库，常取β=0.5～0.7。

2.没有地下水的地段，有时考虑有压洞内水可能外渗，在检修放空时渗入地层中的水象地下水一样作用于衬砌上，甚至认为其强度等于内水压力强度.

四、灌浆压力P1

灌浆压力是作用于衬砌表面上的径向力，但有时为了利用垂直山岩压力作用下的内力计算表，也可假定为垂直均布，一般P1=2～3个大气压，回填灌浆的范围为洞顶90～120度；灌浆压力产生的内力一般不计算，而通过施工临时支承措施解决。

五、荷载组合

1.正常情况：

山岩压力+衬砌自重+设计洪水位的内水压力+对应可能的最小外水压力

2.非常情况：

山岩压力+衬砌自重+较核洪水位的内水压力+相应的外水压力

3.检修情况：

山岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力+(灌浆压力)

六、荷载组合中应注意的几个问题(对有压，无压洞)

1.垂直山岩压力和侧向山岩压力使顶拱产生的变位(和内力)相反，有所抵消；一般侧向山岩压力的估算可靠性比垂直山岩压力更差，故常常不计侧向山岩压力。

2.考虑了围岩弹性抗力时可不计侧向山岩压力。

3.灌浆压力与外水压力不迭加，回填灌浆压力大于外水压力时，顶部只计灌浆压力，其余范围才作用外水压力；灌浆压力小于外水压力时，可不计灌浆压力；灌浆压力是一种临时性荷载，如对衬砌成为控制性因素时，可少考虑或不考虑计算值，而在灌浆时用临时支护解决。

4.无压洞在洞顶设有排水孔，所以可以不考虑(或少考虑)外水压力；为了计算简便，无压洞还常常忽略洞内水重对衬砌内力的影响。

5.计算衬砌自重及山岩压时，都应考虑隧洞施工平均每侧超挖0.1～

0.3m的影响。

第五节圆形有压隧洞衬砌的结构计算

教学目的：掌握圆形有压隧洞衬砌结构计算的方法和步骤步骤。

教学难点、重点：水工隧洞衬砌的内力计算和配筋。

主要概念、名词：抗裂、限裂。

教学内容：

⑴复习巩固：前面介绍了水工隧洞荷载的种类及计算步骤。

⑵引入新课：本节介绍圆形有压隧洞衬砌结构计算的方法和步骤步骤。

⑶讲授新课：

一、特点

内水压力一般是主要荷载；除非在进出口和地质条件十分差的地段，若荷载组合中包括了内水压力，一般都应同时计入弹性抗力的有利影响，而不计侧向山岩压力。

二、隧洞衬砌结构计算步骤

沿隧洞全长根据荷变化情况分成几段计算，每段选择一个控制性断面，计算环向内力及配筋；纵向钢筋一般按构造配置。

1.拟定衬砌的型式和厚度T

一般T=洞径或洞宽B的1/8～1/12。

2.荷载计算：山岩压力，内外水压力，衬砌自重等。

3.选定适当的荷载组合。

4.查表或按结构力学方法分别计算每个荷载单独作用下的内力m，N，再按适当的荷载组合求出衬砌几个控制断面的总内力∑m和∑N，作为配筋的依据。

5.按钢筋砼结构的计算公式，进行强度计算，确定配筋(多为小偏心受拉构件)；然后进行抗裂或限制裂缝开展宽度验算。有压洞过去常按抗裂设计，现在认为可以限裂设计，只要裂缝开展宽度不超过0.15～0.3mm即可(按不同水力梯度)。

三、隧洞结构设计的几个注意点

1.钢筋砼衬砌的最小配筋率(环向主筋)为μ=0.2％；纵向架立筋直径不小于受力筋直径之半，数量不少于主筋的1/6，常用Φ12～20间距250～300(每米3～4根，大直径的隧洞采用较大的直径的钢筋)；环向主筋的经济配筋率大约1～1.5％左右。钢筋保护层3～4cm。

2.当隧洞开挖直径D<6m，围岩坚固糸数fk>6时，衬砌可只按内水压力计算内力及配筋。但经验计算表明，对于这种断面尺寸中等以下的隧洞(D<6m)，内水压力水头大于40m，于一般的围岩(f k大于3)，单纯按内水压力计算内力和配筋，与考虑了所有荷载之后确定的总配筋量十分相近。

四、单纯考虑内水压力配筋计算简便方法

1.求出围岩的弹性抗力(砼未开裂时)

P0=P(1-A)/(t2-A)(6～14)

t～衬砌的外内半径之比

A～弹性特征因素

0.01E h－(1+μ)K0

A=------------------------------ (6～17)

0.01E h+(1+μ)(1-2μ)K0

E，μ～砼弹模及泊松比

K0～围岩单位弹性抗力糸数

P～均匀内水压力

2.均匀内水压力P产生的总环向拉力(每米长隧洞)

N P=pr i-p0r emp=0

只考内水压力时的总配筋A g=K×N p/R g

K～钢筋砼强度安全糸数，二，三级建筑物取1.5，四，五级取1.4。

R g～钢筋设计强度三号钢R g=240mP a

以上是按砼允许开裂计算配筋，计算结果偏安全(因为P0比实际小)。

五、一般荷载作用下圆形有压隧洞的内力可直接利用教材中的公式及表格计算。

六、钢筋砼衬砌裂缝开展宽度计算，按规范进行。

第七节坝下涵管

教学目的：掌握坝下涵管的总体布置方式和水力计算、结构计算的内容。

教学难点、重点：坝下涵管的管身构造型式和布置，水力计算。

主要概念、名词：沆管、管座、截水环、涵衣。

教学内容：

⑴复习巩固：前面介绍了圆形有压隧洞衬砌结构计算的方法和步骤步骤。

⑵引入新课：本节介绍坝下涵管的总体布置方式和水力计算、结构计算的内容。

⑶讲授新课：

小型土石坝枢纽常用坝下涵管引水灌溉，以节省投资；缺点是，当设计施工不良或运用管理不当时，极易影响土坝安全。因此坝下引水涵管常做成无压管。较高或重要的土石坝(包括在强地震区的坝)尽量避免采用坝下涵管。

一、涵管的总体布置

(一)位置选择

1.地质条件：尽量布置在岸边开挖的岩槽内，坝高小于10m的土坝也可将涵管建于开挖出的稳定均匀的土基(槽)内；坝高10～15m的坝下涵管不得已放在土基上时，管的纵向结构要加强。

2.地形条件：进口高程应根据运用条件，淤积高程，施工导流等因素确定。

3.运用要求：尽量布置在灌区同一岸，以免另建过河建筑物。

4.管线宜直：涵管纵坡(无压)常用1/100～1/200左右，引水量大的可设多管；出口消力池应布置在坝脚之外。

(二)进口建筑物的形式

1.分级卧管：孔径20～50cm，台阶高30～50cm，最高处设通气孔，底部设消力井。

2.斜拉闸门进口：D<1m，图6～33。

3.井式或塔式进口：适用于流量较大，水头较高，水量控制较严格的中小以上水库，一般以坝身竖井式(不用塔式)为好。

(三)管身构造型式和布置

注意点：1]防止管身因不均匀沉陷而断裂漏水；

2]避免沿管外壁的集中渗流。

1.断面型式：多用无压管，圆形(预制)，矩形，城门形(浆砌石)。

2.管身结构：

1]管座

增加纵向刚度，防止管身断裂。可用浆砌石或低标号砼做成。

2]伸缩缝、沉降缝：可统一考虑，缝中设止水；缝距15～20m(砌石)，或小于3～4D(现浇砼管)。

3]截水环：凸出管壁0.5～1.5m，厚0.3～0.6m；心斜墙坝设2～3道(与防渗体相交处)，均质坝可在距上游1/3处和坝轴线处各设一道；截水环宜设在二伸缩缝之间。

4]涵衣：在整个涵管周围铺上一层1～2m厚的粘土作为防渗层。

5]涵管的出口：多用消力池消能。

二、坝下涵管的水力计算(分级卧管)

1.进水口直径D

根据Q及孔上水深H，按孔流公式确定：

Q=μω√2gH小孔口μ=0.6～0.62

2.卧管的断面高度h1可取正常水深的3～4倍。

3.涵管的纵坡一般为1/100～1/300，洞高可取为正常水深的1.25倍。

4.消力井容积：

按每立方水消杀7.5～8KW的能量来计算

三、涵管上的土压力计算方法有二种

1.按管顶上土重计算垂直土压力(浸润线以下取浮容重)，侧向土压力等于垂直土压力乘以侧压系数ξ=0.3～0.6(当填土夯实密度较大，含水量较大时取偏大值)；

2.按普氏公式计算：此法计算出的土压力偏小，适用同内水压力组合的情形；

3.管底反力分布常假定为匀布或三角形分布。