水工建筑物 水工隧洞
讲座-9-1 水工隧洞类型及布置学习文档
• （2）衬砌的类型
• 平整衬砌（护面衬砌）：平整围岩表面，不承 受作用力，只减少衬砌表面糙率。
• 单层衬砌：由混凝土、钢筋混凝土或浆砌石做 成，承受作用力，减少衬砌表面糙率。
• 组合衬砌：内层为钢板、钢筋网喷水泥浆，外 层为混凝土、钢筋混凝土。
龙抬头隧洞的纵向布置
• 龙抬头(导流洞与泄水洞的结合)隧洞的纵向布 置。
V：起始断面的流速,m/s；
θ：射流抛物线与起点的水平夹角。
反弧段的半径一般取
洞径。
出口建筑物
• 泄水隧洞的出口建筑物因有压与无压而不同。
• 有压隧洞出口常设有工作闸门及启闭室，闸门 前还设有渐变段，出口之后为消能设施。
• 无压隧洞的出口较简单，常在出口的洞顶上加 设一道门框墙，以防洞脸及其上部的岩石坍塌， 并与扩散消能措施的两墙相衔接。
便。 • 有压洞：检修门在进口处，工作门在出口处，
管理不方便。
• （5）施工及工程量方面： • 无压洞：钢筋、混凝土用量小，施工较容易。 • 有压洞：反之。
水工隧洞的总体布置
• 2.3.1 隧洞的组成 • 2.3.2 进口建筑物的布置 • 2.3.3 洞身段 • 2.3.4 出口建筑物
水工隧洞的组成
• 无压洞：有高速水流掺气问题，因此对体型、 平整度要求高，洞内要求有较大净空余幅。
• 有压洞：水流流速小，断面较无压洞小；流态 稳定，一般无振动气蚀问题。
• （3）结构方面 • 无压洞：围岩条件好，可不衬砌；不要求一定
的埋藏深度。 • 有压洞：全断面需衬砌；要求有一定的埋藏深
度。 • （4）闸门设置及运行方面： • 无压洞：工作门、检修门均在进口处，管理方
• 塔式，在山坡前的水库中建造封闭式混凝土塔。
水工建筑物第七章隧洞(附答案)
第七章水工隧洞与坝下涵管答案一、填空题1.塔式；斜坡；塔式2.有压隧洞；无压隧洞；无压隧洞；流态3.衬砌；围岩；传力；渗漏4.涵衣5.圆拱直墙形6.圆形7.进出口高程；水力计算8.出口；动水；静水9.泄洪洞；引水洞10.分级卧管式；塔式；斜拉闸门式11.截水环12.挑流消能；底流消能；榨缝式挑流坎消能；洞中突扩散消能二、单项选择题1.关于隧洞选线，不正确说法有（ B ）。
A、洞线要与岩层构造断裂向及主要软弱带走向有较大交角。
B、洞线应与最大水平地应力方向尽量垂直。
C、对有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。
D、对低流速的隧洞，弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽。
2.工作闸门布置在（ D ）的为有压隧洞。
A、进口B、洞身C、中部 D、出口3.隧洞洞身的（ C ）为不受力衬砌。
A、喷锚衬砌B、预应力衬砌C、平整衬砌D、单层衬砌4.有压隧洞的出口断面面积应（ C ）洞身断面面积。
A、大于B、等于C、小于 D、无法确定5.水工隧洞的回填灌浆的目的是（ B ）。
A、加固围岩，提高围岩的整体性B、充填衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密C、保证围岩的弹性抗力D、减小渗漏，减小外水压力6.弹性抗力的分布范围为（ B ）（考虑洞身的对称性）。
A、0～πB、π/4～πC、π/2～πD、3π/4～π三、判断题1.围岩地质条件比较均一的洞身段不设施工缝。
（×）2.无压隧洞由于内水压力较大，从水流及受力条件考虑，一般用圆形断面。
（×）3.隧洞中常需要临时性支护和永久性衬砌，以承受围岩压力。
（√）4.回填灌浆的目的是加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力。
（×）5.当围岩厚度超过1.5倍开挖洞径时，才考虑弹性抗力。
（×）6.在均匀内水压力作用下，隧洞衬砌的外边缘应力是衬砌设计控制（×）7.当围岩完好，有压隧洞的洞径小于6米时，可只考虑内水压力。
水工建筑物第七章隧洞答案
第七章水工隧洞与坝下涵管答案一、填空题1.塔式；斜坡；塔式2.有压隧洞；无压隧洞；无压隧洞；流态3.衬砌；围岩；传力；渗漏4.涵衣5.圆拱直墙形6.圆形7.进出口高程；水力计算8.出口；动水；静水9.泄洪洞；引水洞10.分级卧管式；塔式；斜拉闸门式11.截水环12.挑流消能；底流消能；榨缝式挑流坎消能；洞中突扩散消能二、单项选择题1.关于隧洞选线，不正确说法有（ B ）。
A、洞线要与岩层构造断裂向及主要软弱带走向有较大交角。
B、洞线应与最大水平地应力方向尽量垂直。
C、对有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。
D、对低流速的隧洞，弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽。
2.工作闸门布置在（ D ）的为有压隧洞。
A、进口B、洞身C、中部 D、出口3.隧洞洞身的（ C ）为不受力衬砌。
A、喷锚衬砌B、预应力衬砌C、平整衬砌D、单层衬砌4.有压隧洞的出口断面面积应（ C ）洞身断面面积。
A、大于B、等于C、小于 D、无法确定5.水工隧洞的回填灌浆的目的是（ B ）。
A、加固围岩，提高围岩的整体性B、充填衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密C、保证围岩的弹性抗力D、减小渗漏，减小外水压力6.弹性抗力的分布范围为（ B ）（考虑洞身的对称性）。
A、0～πB、π/4～πC、π/2～πD、3π/4～π三、判断题1.围岩地质条件比较均一的洞身段不设施工缝。
（×）2.无压隧洞由于内水压力较大，从水流及受力条件考虑，一般用圆形断面。
（×）3.隧洞中常需要临时性支护和永久性衬砌，以承受围岩压力。
（√）4.回填灌浆的目的是加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力。
（×）5.当围岩厚度超过1.5倍开挖洞径时，才考虑弹性抗力。
（×）6.在均匀内水压力作用下，隧洞衬砌的外边缘应力是衬砌设计控制（×）7.当围岩完好，有压隧洞的洞径小于6米时，可只考虑内水压力。
水工隧洞
z双孔进水口：进水短管中间布置中隔墩，因会引起明流段冲击波，现很少用。
y
8.3.2c
第八章 水工隧洞
§8.3 进口段
y
8.2.3c
第八章 水工隧洞
§8.2 水工隧洞的布置和线路选择 三、多用途隧洞的位置
㈣泄洪洞与排沙洞合一布置
z存在问题 9①闸门压力大，启闭困难(洪水期开启，水头高)。 9②泥沙堆积，闸门不易开启。
z排沙洞进口高程低，可做施工导流用，完后改成泄洪排沙洞。
je
8.3.1a
第八章 水工隧洞
§8.3 进口段
一、进水口的形式和计算要点
㈠进水口的形式
z①竖井式 ②塔式 ③岸塔式 ④斜坡式
㈡竖井式进水口
z布置：进口附近开挖竖井，井底设闸门，井顶设启闭设备及操纵室(Fig8-4) 。 z优点：结构简单，不受风浪和冰的影响，抗震和稳定性好，地形条件适宜时，
工程量较小。 z缺点：竖井开挖较困难，竖井前的洞段检修不便。 z适用条件：地质条件好，地形适宜。 z衬砌上的作用力：
㈡有压隧洞的断面型式
z一般采用圆形：因为①水流条件和受力条件均有利；②圆形为最佳水力断面。 z也可用无压隧洞常用的断面形式：在围岩较好,内水压力不大时,为了施工方便。
j1
8.4.2a
第八章 水工隧洞
§8.4 洞身段
二、洞身断面尺寸
㈠尺寸确定的原则和方法
z洞身断面尺寸，应根据运用要求、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。
河海大学水工建筑物教材__第九章 水工隧洞
图 9-2 深孔泄水隧洞的布置类型 图 9-2（c）示工作闸门和检修闸门都设在进口段的无压隧洞。工作闸门前有压段长度 一般在洞径的 3～4 倍以内，闸门下游的全程洞身范围内则运行时始终为具有自由水面的明 流状态，这种布置形式能适应较高水头、较大流量以及地质条件不很好的情况，在我国应用 颇广。当水头很高而洞身结合导流之用时同样可布置成龙抬头型式，如图 9-2（d）所示。
第九章 水工隧洞
第一节 概述
水工隧洞是指水利工程中穿越山岩建成的封闭式过水通道，用作泄水、引水、输水建 筑物，是山区水利枢纽常有的组成建筑物，甚至一个枢纽中有多条隧洞。可由隧洞承担的任 务各式各样，例如汛期水库的部分或全部泄洪任务；发电、灌溉、给水等兴利所需的引水或 输水任务；为事故检修或其它原因放空水厍的任务；多沙河流上所建水库的排沙任务；枢纽 施工期的导流任务等。承担不同任务、发挥不同功用的水工隧洞，可分别称为泄洪隧洞或泄 水隧洞、引水隧洞、输水隧洞、放空隧洞、排沙隧洞、导流隧洞等。此外，还可能有一些特 殊功用的隧洞，如通航隧洞，汛期泄放水库漂浮物的排漂隧洞，地下水电站厂房的尾水隧洞 等。实际上在同一水利枢纽中的隧洞又往往一条隧洞承担多种任务，例如放空、排沙或排漂 隧洞自然同时是泄水隧洞，施工导流隧洞在施工期结束后常结合改建成运用期永久性泄洪隧 洞。
二、线路选择
水工隧洞线路的选定是设计中非常重要的一环，关系到隧洞的造价和运用可靠性。应 在地质勘测基础上，拟定不同方案进行技术经济比较优选。争取得到地质条件良好、路线短、 水流顺畅以及对水利枢纽其它建筑物无相互不良影响的洞线方案。
选钱时应尽量避开山岩压力很大、地下水位很高或渗水量很大的岩层和可能发生坍滑 的不隐定山体，同时要防止洞身距地表太近。在这些前提下再力求缩短路线。
水工隧洞施工
②上导洞开挖法（拱顶掘进）：
适宜岩石稳定性差、地下水不多的情况。
优点：先开挖顶部，安全处理容易解决，顶部开挖规格 易于控制，下部扩大施工方便。
缺点：导洞上部出碴线路要转移、排水不方便，开挖与衬砌 常交叉进行，施工干扰大，施工速度较慢。
③中导洞开挖法：导洞在断面中部，导洞开挖后全面 向四周扩大。
适用于岩石坚硬、不需要临时支撑，洞径大于5m，且 具有柱架式钻机的场合。
1~4、导洞掏槽孔 5~6、崩落孔 7~10、周边孔 11~17、导洞底边孔 18~23、扩大垂直炮孔 （担任主要掘进任务） 24~30、扩大水平炮孔（控制开挖边界）
2、出碴（装碴与运输）
占一次爆破开挖循环时间的30~50%左右，是决定掘 进速度的关键工序。出碴方式有：
1）人工出碴：常借助棚架集碴、棚架漏斗装渣，机车 牵引斗车出渣，机械化程度低，适用于小型工地。
① 当混凝土浇至顶拱仓面时，撤出仓内各种器 材，尽量筑高两端混凝土；
② 当混凝土达到与进入孔齐平时，仓内人员全 部撤离，封闭进人孔，同时增大混凝土的坍落 度(达 14～16cm)，加快混凝土泵的压送速度， 连续压送混凝土；
③ 当通气管开始漏浆或压入的混凝土量已超过 预计方量时，停止压送混凝土；
④去掉尾管上包住预 留孔眼的铁箍，从孔 眼中插入防止混凝土 下落的钢筋； ⑤拆除导管； ⑥待顶拱混凝土凝固 后，将外伸的尾管割 除，并用灰浆抹平。
1、掘进机的类型： ①滚压式（挤压式）：滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋 转推进过程中，用挤压和剪切的联合作用破碎岩体。
②铣削式（切削式）： 利用岩石抗弯、抗剪强度低的特 点，靠铣削（剪切）加弯断破碎岩体。
2、掘进机开挖优点：利用机械切割、挤压破碎，能使 掘进、出碴、衬砌支护等各项作业平行连续进行，工作条件 比较安全，节省劳力，机械化程度高，进度快；掘进机挖掘 的洞壁比较平整，断面均匀，超欠挖量少，围岩扰动少，对 衬砌支护有利。
水利工程技术用语(水工建筑物)
水利水电工程技术术语——水工建筑物1、水利枢纽：为实现一项或多项水利任务，在一个相对集中的场所修建若干不同类型的水工建筑物组合体，以控制调节水流。
2、工程规模：对水利水电工程用库容、坝高、装机容量、灌溉面积等特性指标所反映的工程的大小。
3、水利水电工程等别：对水利水电工程按其规模、效益、及其在国民经济中的重要性所划分的等别。
4、水工建筑物级别：按水工建筑物所在工程的等别、作用及其重要性所划分的级别。
5、永久性建筑物：工程运用期间长期使用的建筑物。
6、临时性建筑物：仅在工程施工及维修期间使用的建筑物。
7、主要建筑物：在工程中起主要作用、失事后将造成严重灾害或严重影响工程效益的建筑物。
8、次要建筑物：在工程中作用相对较小、失事后影响不大的建筑物。
9、挡水建筑物：拦截水流、抬高水位以及阻挡河水泛滥或海水入侵的水工建筑物。
10、泄水建筑物：宣泄多余水量或排放泥沙、冰凌等的水工建筑物。
11、输水建筑物：输送水的水工建筑物。
12、取水建筑物：从水源取水的水工建筑物。
13、渠系建筑物：在各级渠道上修建的水工建筑物。
14、安全系数：建筑物为保持稳定或结构强度安全所应具有的抵抗力与作用力的比值。
15、安全超高：挡水建筑物顶部高程超出最高静水位加波浪高度或爬高后的富裕程度。
16、坝：修建在河道或山谷中拦截水流、抬高水位、调蓄水量的挡水建筑物。
17、堤：在江、河、湖、海沿岸或水库区、分洪区周边修建的挡水建筑物。
18、坝轴线：代表坝平面位置的一根基准线。
19、坝肩：坝体与两岸岩体的接触部位。
20、坝踵：坝底上游端部位。
21、坝址：坝底下游端部位。
22、重力坝：主要依靠自身重量抵抗水的作用力等荷载以维持稳定的坝。
23、混凝土坝：用混凝土或钢筋混凝土材料浇筑的坝。
24、碾压混凝土：将干硬性的混凝土拌合料分薄层铺开并经振动碾压密实而成的混凝土坝。
25、挑流鼻坎：建在泄水建筑物末端，能将下泄的高速水流向下游抛射，具有一定反弧半径和一定角度的坎。
水工隧洞施工
④去掉尾管上包住 预 留孔眼的铁箍，从 孔 眼中插入防止混凝 土 下落的钢筋； ⑤拆除导管； ⑥待顶拱混凝土凝 固 后，将外伸的尾管 割 除，并用灰浆抹平。
（1）掏槽孔：其作用是增加爆破临空面，一般布置在 开挖断面中部，常见的布置形式有楔形掏槽、锥形掏槽和 垂直掏槽。
①楔形掏槽：
②锥形掏槽 适用于紧密的坚硬岩体，开挖断面的高度和宽度相差 不大，并保证斜孔顺利钻进。
③垂直掏槽 适用于致密的坚硬岩体，不同尺寸的开挖断面或斜孔 难于钻进的场合。
崩落孔：主要作用是爆落岩体，大致均匀分布在掏槽 孔外围，通常与开挖断面垂直，孔底应落在同一平面上。 周边孔：孔口应离边界线10~20cm，以利钻孔。主 要作用是控制开挖轮廓，布置在开挖断面四周，每个角 上须布置角孔。
1、模板架立 ①底拱：中心角小时，只架立两端模板，待混凝土浇 筑后，用弧形样板将表面刮成弧形；当中心角较大时，采 用悬吊式模板：先立端部模板，再立弧形模板桁架，然后 随混凝土浇筑，逐渐从中间向两端安装悬吊式模板。
②边拱和顶拱：桁架式模板，在洞外先将桁架拼装好 ，运入洞内安装就位后，再随混凝土浇筑面的上升，逐块 安设模板。
二、钻孔爆破法开挖：
主要任务：根据设计要求、地质情况、爆破材料及钻孔 设备条件，作好炮孔布置，确定装药量，选择爆破方法等 施工过程：钻孔、装药、爆破、通风散烟、安全检查 与处理、装碴运输、洞室临时支护、洞室衬砌或支护、灌 浆及质量检查等 1、炮孔类型及布置 按炮孔所起作用分为：掏槽孔、崩落孔、周边孔
①垂直掌子 垂直掌子面掘进能 使用多台钻机或钻孔台 车，适宜大型机械设备 施工。
垂直掌子开挖机械化程序
1、钻孔台车 2、装碴机 3、通风管4、电瓶车 5、钢模台车 6、混凝土泵
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图8–22 常用的掺气设施类型
（a）掺气槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑坎跌坎式；（e）突扩突跌 式
如：沙牌导流洞改建的泄洪洞H=88m，Qmax=242m3/s， 经水工模型试验，采用了有压短管型进水口、旋流竖井、明 流洞的布置方案（图8–18）。由于采用了适合急流的涡室体 形，使水流在涡室和竖井内形成旋流，从而增大过流壁面压 力，并在竖井内形成稳定和贯穿的中心空腔，使水流大量掺 气、紊动强烈，提高了消能率。公伯峡电站的泄洪洞也采用 了这种消能方式。
图8–18 沙牌水电站旋流消能竖井布置 （单位：m）
8-6高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀
高水头泄水隧洞的流速很高，有的v＞50m/s。
一、脉动压力、空化与空蚀
1.脉动压力
脉动压力：
P v2
2g
或：
P=3σ（分析是否发生空化） P=2σ（结构设计）
是否诱发隧洞结构振动，应视脉动压力大小、频率特性、 隧洞结构形状、尺寸和自振特性等因素，做具体分析。
表8–1 表面不平整度控制和处理标准
碧口右岸泄洪洞：在v=36m/s处，⊥水流的【△】＝3mm， ∥水流的为【△】＝7mm，流速为28m/s的部位，相应为【△】 ＝4mm、【△】＝7mm，磨平i=1/50；
刘家峡泄洪洞：空蚀破坏后修复时，⊥水流【△】＝2mm， ∥水流【△】＝4mm，超过者要求处理，磨平i=1/50~1/100。 这样的要求是相当严格的。
2.空化与空蚀
发生部位：溢流面及挑流鼻坎附近、 龙抬头的反弧段及其下游、有压段的岔洞、 弯道、进、出口及门槽附近和消力墩上，以及表面存在着
突体、错缝、错台和残留钢筋头等不平整的部位。
例1：美国胡佛坝泄洪洞，Z=157m，D=15.3m，v=46m/s， 1941年以无压初期宣泄Q=380 m3/s运行4个月后，经泄放 1070m3/s流量（Q设＝5500 m3/s）数小时，占设计的19％， 在龙抬头下部与导流洞结合的反弧段就遭到了严重的空蚀 破坏（图8–19），剥蚀坑长35m，宽9.2m，深13.7m，冲去 砼和基岩共4500 m3。
2.掺气减蚀设施
当v＞35~40m/s时，对不平整体的处理，花费多，且施 工也难达到要求。
20世纪60年代初以来，不少国家采用掺气减蚀设施。 如：格兰峡、黄尾、麦加泄洪洞。【中】冯家山、乌江 渡、石头河、石砭峪泄洪洞，其中，冯家山、乌江渡等泄 洪洞还进行过原型观测，证明掺气减蚀效果十分显著。
图8–20 黄尾泄洪洞掺气槽布置（单位：m）
试验表明： ①需要防止孔板附近的水流发生空化，特别 是末级孔板，为防止孔板上游角隅漩涡空化并 增大消能效果， 在孔板上游角隅处设置消涡环，可收到良好效 果； ②洞内脉动压力系数很高，但是由脉动压力 引起的振动却很微弱，不会引起破坏。
（a）
4.旋流消能 洞内旋流消能：是在隧洞内设置造旋设施，使水流产生
二、减蚀措施
⑴ 体形设计。做好体形设计是指选好进口、门 槽、渐变段、弯道、龙抬头曲线段、岔洞及出口等 体形。
⑵ 控制不平整度。 ⑶ 掺气、通气。 ⑷ 选用抗空蚀材料。
1.不平整度的控制要求 《水工隧洞设计规范》（SL279–2002）提出，
过流表面的不平整度控制和处理要求应根据水流空化 数的大小确定，见表8–1。
图8–21 石头河泄洪洞掺气槽布置（单位：m）
1–通气孔；2–掺气槽
根据试验，掺气量为2%左右时，其空蚀破坏就可减 轻至清水情况的1/10，而掺气量达到7%~8%时，就足 以消除空蚀。
最常用的掺气设施如图8–22所示，其中，（a）为 上游边设挑坎的组合掺气槽（简称掺气槽）、（d）为挑 坎跌坎式、（e）为突扩突跌式。
旋转，利用水流的离心力增加过流壁面压强，以防止过流壁 面空蚀破坏。按其消能方式可分为螺旋流沿流程均匀消能和 螺旋流在消能室中集中消能；按消能工结构可分为旋流式竖 井消能和水平螺旋流消能。
优：有利于高水头泄洪洞防止过水壁面空蚀破坏，有利 于洞中水流与下游衔接，有利于泄流量变化时消除明满流过 渡流态，有利于导流洞改建为泄洪洞。
空蚀原因：衬砌表面施工放线不准确，砼存在突体、 冷缝、蜂窝等缺陷。
例2： 刘家峡泄洪洞，城门洞13m×13.5m，1972年运行
315h，Z=105m，v=38.5m/s，在龙抬头下部的反弧段及其 下游整个洞宽范围内遭到空蚀，冲成长24m、深3.5m的大 坑并卷起洞身后底板190m。
空蚀原因：残留钢筋头、突体等。
冯家山左岸泄洪洞是我国首先在隧洞中采用掺气设施的试点 工程，该隧洞反弧处流速达29.6m/s，在反弧上切点上游6.4m 处设上掺气槽，在下切点处设0.3m高的掺气挑坎。后经三次 放水进行原型观测，虽布置了一些人工突体，经声测，监听到 突体下游已发生空穴，但事后检查，没有任何空蚀痕迹。
石头河泄洪洞最大泄量为850m3/s，反弧末端的水头为 93.25m，最大流速为40.6m/s，其掺气设施的布置见图8–21， 上掺气槽设于反弧起点前9.37m处，在反弧末端设下掺气槽。 根据水工模型试验，在各级流量下，掺气槽均能充分供气， 形成稳定的空腔，自1981年运行以来，效果良好。
掺气设施一般都设在过流底面的边界上（图8–20，图8– 21），这不仅可以防止底板的空蚀，也能对边墙起减蚀作用。 两侧边墙设置挑坎或突扩掺气，会形成水翅，恶化流态。但突 扩突跌掺气可与偏心铰弧形闸门的压紧止水门框相结合[图8– 22（e）]，如：东江水电站右岸二级放空洞两侧突扩0.4m，底 部跌坎0.8m；努列克第三层导流洞偏心铰弧形门处两侧突扩 0.5m，底部跌坎0.6m。
1–掺气槽；2–挑坎，高度从洞底至水平中心线以上3.8cm处，由7.6cm渐变到0
• 【USA】黄尾泄洪洞反弧末端Z=147.7m，D=9.75m， 1967年泄洪时多处遭到空蚀破坏，其中，最严重的一段是 在龙抬头反弧段下游，坑长14m，宽5.95m，深2.14m， 穿入岩层。后在反弧起点上游4.9m处设一道掺气槽并将破 坏部位回填修补，经1969、1970年两次过水原型观测，再 未发生空蚀破坏。