第八章 水工地下洞室6
8-1 地下洞室围岩稳定性分析
洞顶位移底鼓在岩石地下工程中，受开应力状态发生改二、地下洞室开挖所产生的岩体力学问题向新的平衡应力状态调整，应力状态的调整过程，称(redistribution of stress)。
洞顶位移底鼓由于洞径方向的变形远大于洞轴方向的变形，当洞室半径远小于洞长时，洞轴方向的变形可以忽略不计，因此地下洞室问题可视为平面应变问题深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，其围岩重分布应力按柯西课题求解(1)柯西课题概化模型无限大弹性薄板，其边界上受到沿方向的外力作用，薄板中有一半径为的小圆孔。
x p R 弹性薄板柯西课题分析示意图pp 1.深埋圆形水平洞室围岩重分布应力以圆的圆心为原点取极坐标，由弹性理论，若不考虑体积力，可求得薄板中任一点的应力及其方向。
(,)M r θ弹性薄板柯西课题分析示意图p p若应力函数为φ22211r r r r φφσθ∂∂=+∂∂径向应力：22rθφσ∂=∂环向应力：2211r r r r θφφτθθ∂∂=−∂∂∂剪切应力：(2)柯西课题解弹性薄板柯西课题分析示意图p p边界条件：()cos 222r r b p pσθ==+()sin 22r r b pθτθ==−0b R >>()()0r r r b r b θτσ====0b R =0b R >>vσxθMvσ0R r弹性薄板pp柯西课题力学模型中极坐标轴与力的作用方向相同。
因此，需进行极角变换。
2420002423411cos22v r R R R r r r σσθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=−−+−⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦240024311cos22v R R r r θσσθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=+++⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦420042321sin22v r R R rr θστθ⎛⎞=−+⎜⎟⎝⎠2）由柯西课题解得到作用下圆形洞室围岩重分布应力v σ22θθπ→−2θσσ=④随着距离增大，增大，减小，并且都逐渐趋近于天然应力。
水工地质8(地下建筑的工程地质研究)资料
另-----向斜核部往往是承压水储存的场所，地下洞室开挖时 地下水会突然涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。
第八章 地下建筑的工程地质分析 地下洞室轴线与褶皱的关系
第八章 地下建筑的工程地质分析
四）水文地质 选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、 无高压含水层的岩体内。
第八章 地下建筑的工程地质分析
隧 洞 选 线 利 用 沟 谷 地 形 示 意 图
第八章 地下建筑的工程地质分析
二）岩性
岩石性质是控制地下洞室围岩稳定的重要因素，也是决定工程工 期和造价的主要条件之一。
1.尽量避开不良围岩，使洞室置于 坚硬岩层中。
2. 软硬互层且层较薄时，将顶围置 于硬岩中 。
坚硬岩石中开挖隧洞围岩稳定，日进尺快、造价便宜。软弱岩层、破碎岩层和松 散岩层中掘进------顶板容易坍塌、侧壁和底板容易产生鼓胀变形，常需支护或 衬砌后掘进，日进尺慢，造价高。软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层 状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。
而洞室周围的岩体简称为围岩。实际工作中，一般认为其 是受到开挖影响，大体相当于洞室宽度或平均直径3倍距离范围 内的岩土体。
第八章 地下建筑的工程地质分析
第一节 地下洞室选址的工程地质条件
地下建筑位置的 选择，除取决于工 程目的要求外，首 先要考虑区域和山 体稳定，其次为地 形、岩性、地质构 造、地下水及地应 力等因素的影响。
须做工作： 调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。 水量方面：对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，
应注意其分布规律和发育程度，并结合隧洞设计高程，分析评 价地下水涌水的可能性及涌水量。
08第八章__水工隧洞9
二、无压隧洞的衬砌计算要点
（一）顶拱衬砌计算 当无压的泄水、引水隧洞或者导流隧洞穿过较为完整 坚 硬的岩层时，常可只衬砌顶拱，而边墙和底板根据水力条 件 要求只需采用较薄的护面，甚至不加护砌。只有顶拱是承 1.计算简图：见P435图8–32 重 2.基本思想 结构，承受围岩压力、衬砌自重或灌浆压力等。 ⑴ 不计弹性抗力，由于拱圈较平，岩石对拱圈下部 的弹性抗力作用很小。 ⑵ 假定拱座弹性固结于岩石上，认为拱座垂直于地 基面的变位 与法向应力 成正比，即
（弹抗与荷载相平衡） （
（2）
X2
2 P
22
（3） （4） ） （5）
F
y
0
a ap X1a1 X 2a 2
2
联立求解（2）～（5），即可求出
，从而
可解出各断面的弯矩和轴向力。
计算中忽略了轴向力对压缩变形的影响以及衬砌与围岩
间的摩擦力，弯矩M以内拉力为正，轴向力N以压为正。
在内水压力P和弹性抗力 P 作用下，按弹性理论平面
0
变形情况，可求得厚壁管任意半径r处的径向变位
为：
（1）
令：
当
，得衬砌外缘的径向变位
为：
（2）
式中 由 ——衬砌外半径之比， ，洞壁的径向变位 。带
入（2）式，整理后可得：
（3）
（弹性特征因素）
式中的 E、 K 0 分别以 kPa 和 KN / m 3 计；若以 kg / cm2 和 kg / cm3 为单位，则需要将 式中的 E 改为 0.01E。
为了不使砼衬砌过厚，对坚固岩体，一般限制H≯20m，超
过时，用钢筋砼。
砼应力校核： 当给定衬砌厚度时，可用下式求出能承受的最大内水压 力p：
08第八章 水工隧洞new
（3）隧洞应有一定的埋藏深度和围岩厚度（包括洞顶覆盖
厚度和傍山隧洞靠边坡一侧的岩体厚度）。
有压隧洞洞身段：围岩厚度＞3D。最小围岩厚度应满足不发 生渗流失稳和水力劈裂的要求。工程经验：对于坚硬完整岩体， 有衬砌时最小围岩厚度T≮0.4H（H为内水压力水头）；如不设衬 砌或采用锚喷衬砌时， T≮ 1.0H。 进、出口段：一般顶部岩体厚度≮1B（1D）。
（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可减小工程费用， 方便施工，且有良好的水流条件。若因地形、地质、枢纽布 臵等原因必须转弯时，应以曲线相连。
转弯要求:
弯道两端的直线段长度S≱5B（5D）。 无压隧洞：低流速v＜ 20m/s时，R≮5B（5D），转角＜60o；
高流速时，转弯半径及转角最好通过试验确定。
（5）对于长隧洞，应利用地形、地质条件、布臵一些施工
支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。
引滦入津工程：在9.68km的引水隧洞中，布臵了15个斜支洞、 4个竖井。9680/20=484m。
二、闸门在隧洞中的布臵
一般布臵两道门：工作闸门（调节流量和封闭孔口，
能在动水中启闭 ），检修闸门（事故检修门）。
1. 检修门（事故检修门）
一般设在进口，用来挡水，以便检修工作闸门或隧洞。 如：刘家峡泄洪洞图8-2(a)。
大中型隧洞的深式进水口常要求检修闸门能在动水中关 闭、静水中开启，以满足发生事故时的需要，所以也称 事故检修门。
2.工作门：可布臵在进口、出口或隧洞中某一适宜位臵。
（1）工作门设在进口：一般为无压隧洞。
⑷ 出口单宽流量q较大，能量集中，需采取适当的防冲设施。
2. 结构特点（洞身处于地下）
隧洞为地下结构，开挖引起应力重分布，可能导致围岩 变形甚至崩塌，为此，常需设臵临时支护和永久性衬砌， 以承受围岩压力。 隧洞可能承受较大的内水压力和外水压力，要求有足够 的围岩厚度和必要的衬砌。 同时应做好勘探工作，尽量避开不利的地质、水文地质 地段。
第八章 水工隧洞
8.5 出口段及消能设施
一、出口段的体形 1 有压洞
常设工作闸门、启闭机室、闸门前有渐变段(洞圆门方)， 出门之后为消能设施。
自由出流的有压洞,因主流跌落,出口前段洞顶常出现负压。 出口收缩，减小负压 顶板、侧墙三面收缩，底板水平，下接一段没有突扩的 水平渠槽（图8-3） 出口应采用正方形或接近正方形
①干井(弧形闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用 ②湿井(平板闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用、内水 压力
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
2 塔式进水口
布置：塔底设闸门，操纵室多设在塔顶，水平截面多为矩 形(Fig8-2a)。
缺点：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需 工作桥与库岸相连。
承受较大的内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和 必要的衬砌。
施工特点
断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较 长。
8.1 概述
三、水工隧洞的组成
进口段：控制水流，含拦污栅、喇叭口、闸门室、渐变段 洞身段：输送水流 出口段：连接消能设施，无压隧洞仅设门框，有压隧洞含渐 变段和工作闸门室
城门洞形(圆拱直墙) 优点：适宜承受铅直围岩压力，便于开挖和衬砌，应用较 广。 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。
马蹄形：适用于岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山 岩压力均较大的情况
圆形：适用围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。
8.4 水工隧洞洞身段
8.2 水工隧洞的布置
分岔角的确定 ①与水力条件、岔尖施工、岔尖结构强度有关。 ②分岔角小，则流态好，分离区小，水头损失小，但洞壁薄 ，强度低。 ③经验分岔角：30～60°
水工地下洞室(new)
（2）永久横向伸缩缝：沉陷变形伸缩缝和温度变形伸缩缝（图）。
伸缩沉陷缝 单位：m
33
4、灌浆、防渗和排水
（1）灌浆：回填灌浆和固结灌浆。 回填灌浆：填充衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合以改善传力条 件，减小渗漏。 一般施工中在衬砌顶拱部分时预留灌浆孔（图）。范围：顶拱 90º ～120º 之间，孔矩和排矩2 ～6米，灌浆压力一般为0.2 ～0.5MPa. 固结灌浆：为了加固围岩，提高围岩的强度和整体性，减小山 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 而做。 由于其一般在衬砌后进行，故还可起预压作用。 孔深：一倍隧洞半径，梅花形，间矩2 ～4米。 灌浆压力：1.5 ～2.0倍内水压力，一般0.3～1.0MPa.
7
五、采用水工隧洞的条件
1、山岭起伏地区的引水式电站； 2、过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖 方大不经济时； 3、修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩 和冰冻威胁时； 4、深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导 流及泄洪建筑物时； 5、水电站厂房采用地下结构时。
8
第二节 水工隧洞的总体布置
水工隧洞总体布置的重要性:我国水利水电工程建 设表明，少数水工隧洞之所以发生问题多系布置 上考虑不周所致。布置上的失误，轻则证件结构 设计难度，或造成工期的拖延，重则迫使在施工 中改变线路，或不能按预定目的运行。隧洞布置 合理与否，对围岩稳定、水流条件、建设工期和 工程造价有决定的影响。因此，合理的工程布置 是水工隧洞设计的关键。 这里以泄水隧洞（或引水发电隧洞）为研究对象。
16
纵剖面上： (1)有压隧洞（引水）的进水口高程取决于发电死水位，尾水高 程取决于下游最低尾水位。纵向坡度的选取考虑施工排水和防空隧洞 进行检修的要求，一般为不小于0.5%－0.1%的正坡。 (2)无压泄水隧洞的进口高程取决于水库要求泄放的最低水位， 出口高程决定于下游最高洪水位，应避免水跃。其纵坡通过水利计算 确定，多采用陡坡以防止洞内泥沙淤积。 运行条件：不影响枢纽和其他建筑物的正常工作。泄水隧洞出 口应与拦河坝的坝脚有一定距离，泄洪消能出口与坝脚相距200米以 上，以防出洞水流冲刷坝脚。发电洞尾水则应避开或隔开枢纽建筑物 泄流时可能导致的水位波动。 施工开挖条件：洞线应与枢纽其他建筑物保持一定距离以免洞 室开挖爆破影响建筑物基岩的稳定。长隧洞可设几个支洞以增加开挖 面。
第八章 水工隧洞
2.泄洪洞与发电洞合一布置布置型式 ⑴ 主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞发电（岔洞发电）。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。
⑵ 主洞发电、支洞泄洪。 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。 当主洞泄洪时：η≤0.85；支洞泄洪：η≤0.7。 （η指泄洪的主洞或支洞， ）
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.检修门：一般设在进口，有时也设在出口。 例刘家峡泄洪洞P386图8-2（a）。
事故检修门：大、中型工程为满足发电事故的需要。 2.工作门：可以布置在进口、出口或隧
洞中某一位置。
（1）设在进口：一般为无压洞。 优点：检修门和工作门都在首部，运行管理方便；洞内无 压，有利于山坡稳定；易于检查和维修。 缺点：如体形设计不当或施工质量不良，流速大的部位会 发生空蚀。冯家山、流溪河。
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。
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分输水直至
平压，在此过程中排气。
（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/s
2023年一级建造师《水利实务》真题答案及解析
2023年一级建造师《水利实务》真题答案及解析一、单项选择题(共20题，每题1分。
每题的备选项中，只有一个最正确或最符合题意。
选对每题得1分，没选或错选均不得分)1.采用测角前方交会法进行平面细部放样，宜用( )个交会方向。
A.一B.二C.三D.四【答案】C【解析】P8采用测角前方交会法，宜用三个交会方向，以“半测回”标定即可。
2.水库总库容对应的特征水位是( )水位。
A.正常B.防洪高C.设计D.校核【答案】D【解析】P19水库总库容对应的特征水位是校核水位。
3.锚杆灌浆强度70%，( )m范围内不允许爆破。
A.10B.20C.30D.50【答案】B【解析】P83在锚索灌浆、锚杆灌浆、喷混凝土的强度达到设计强度的70%以前，其20m 范围内不允许爆破。
4.移民安置规划由( )组织实施。
A.地方人民政府B.施工C.项目法人D.移民监理【答案】A【解析】P451建设单位应当根据安置地区的环境容量和可持续发展的原则，因地制宜，编制移民安置规划，经依法批准后，由有关地方人民政府组织实施。
5.采用挖坑灌水(砂)时，试坑深度为( )，A.碾压层厚B.1/3碾压层厚C.1/2碾压层厚D.1.5倍碾压层厚【答案】A【解析】P95垫层料、过渡料和堆石料压实干密度检测方法，宜采用挖坑灌水(砂)法，或辅以其他成熟的方法。
垫层料也可用核子密度仪法。
试坑深度为碾压层厚。
6.当心火灾标志属于( )标志A.警告B.禁止C.指令D.提示【答案】A【解析】P273警告标志，提醒人们对周围环境引起注意，以免可能发生的危险。
7.水利技术标准分为( )个层次。
A.2B.3C.4D.5【答案】D【解析】P454水利技术标准包括国家标准、行业标准、地方标准、团体标准和企业标准。
8.下列属于严重勘测设计失误的是( )A.主要建筑物结构形式、控制高程、主要结构尺寸不合理，但可以采取补救措施B.环境设计不符合规范标准C.设计文件未明确重要设备生产厂家D.设计人员不满足现场施工现场施工需要影响施工进度【答案】B【解析】P257主要建筑物结构形式、控制高程、主要结构尺寸不合理，补救措施实施困难，影响工程整体功能发挥、正常运行或结构安全属于严重勘测失误。
2023年一级建造师《水利水电工程管理与实务》考试真题答案及解析(案例题)
2023年一级建造师《水利水电工程管理与实务》考试真题答案及解析（案例题）案例（一）【背景资料】某引水隧洞工程为平洞，采用钻爆法施工，由下游向上游开挖。
钢筋混凝土衬砌采用移动模板浇筑，各工作名称和逻辑关系如表1，经监理批准的施工进度计划如图1-1。
表1图1-1事件一：工程如期开工，A完工后，因其它标段的影响（非承包人的责任），D工作开始时间推迟。
经发包人批准监理人通知承包人，工作B、C正常进行，G工作不受影响。
D工作暂停，推迟开工135天，要求承包人调整进度计划。
承包人提出上下游相向开挖的方法，进度计划如图1-2。
其中C1为C工作剩余时间，K表示暂停时间。
发包人和承包人签订补充协议，约定工期不变，发包人支付赶工费用108万元，提前完工奖励1.5万元/天，推迟完工处罚1.5万元/天。
图1-2事件二：上游开挖中，由于未及时支护，导致塌方。
共处理塌方石方450m3，耗时8天。
承包人以地质不良为由，向发包人提出49500元（450m3，110元/m3）的费用及工期索赔。
事件三、当上下游距离小于L1时，爆破时对向开挖面的人员应撤离，当距离小于L2时，上游停止开挖，由下游向上游贯通。
事件四：对工期进行检查发现，工作H结束时间推迟10天，工作I实际持续工作为254天，工作J 实际持续时间为6天。
问题：1．水工地下洞室除了平洞，还有哪些形式？夹角分别是多少？2．指出图1-2中F1、F2分别代表什么，并指出关键工作。
3．事件二中承包人的要求是否合理，并指出理由。
4．分别写出L1、L2代表数值。
5．根据事件四，计算实际总工期，对比合同工期是提前还是推迟？并计算发包人应支付承包人的费用。
【参考答案】1．水工地下洞室除了平洞，还有哪些形式？夹角分别是多少？答：倾角小于等于6°位平洞；倾角6°～75°为斜井（6～48°缓斜井，48～75°斜井），倾角大于等于75°为竖井。
水工地下洞室(new)课件
水工隧洞总体布置的重要性:我国水利水电工程建 设表明，少数水工隧洞之所以发生问题多系布置 上考虑不周所致。布置上的失误，轻则证件结构 设计难度，或造成工期的拖延，重则迫使在施工 中改变线路，或不能按预定目的运行。隧洞布置 合理与否，对围岩稳定、水流条件、建设工期和 工程造价有决定的影响。因此，合理的工程布置 是水工隧洞设计的关键。 这里以泄水隧洞（或引水发电隧洞）为研究对象。
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隧洞断面形式及衬 砌类型 ( 单位：cm) (a)～(f)—单层衬 砌； (g)～(i)—组合式 衬砌； (k)～(l)—预应力 衬砌
31
3、衬砌的分缝和止水 （1）整体式衬砌在施工中要分段分块浇筑，需设横、纵向工 作缝（图）；跳仓浇筑.
陆浑水库泄洪洞衬砌施工分缝 单位：m
衬砌的纵向施工缝
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泄水隧洞的布置形式：表孔泄洪隧洞和深式泄水隧洞。
11
１、表孔泄洪隧洞的布置
（1）表孔泄洪隧洞的主要方式: 正堰斜井式斜洪洞。所谓表孔就是进水口位于 水面附近。组成：正向溢流堰，陡坡斜井，隧洞及出口消能段。 (2)正堰斜井式斜洪洞的布置 进口：选择地质、地形条件好的地方以保证洞口稳定、入流顺畅。 出口：高程受下游水位控制，除对地质地形条件有所要求外，应注意消能工的 布置以利于与下游水流的衔接。
水力特性
封闭断面水工隧洞受高水头动水压力作用。 有压隧洞—相当于管流，受内水压力作用。若衬砌漏水，压力水渗入围岩裂隙， 从而产生附加渗透压力，导致岩体失稳。要求坚固的衬砌。 无压隧洞—明渠流，高速水流下，在固体不平整边界上可能会引起空蚀。
施工方面
无论开挖或衬砌，其工作面比地面上小得多，洞线长，干扰大。
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纵剖面上： (1)有压隧洞（引水）的进水口高程取决于发电死水位，尾水高 程取决于下游最低尾水位。纵向坡度的选取考虑施工排水和防空隧洞 进行检修的要求，一般为不小于0.5%－0.1%的正坡。 (2)无压泄水隧洞的进口高程取决于水库要求泄放的最低水位， 出口高程决定于下游最高洪水位，应避免水跃。其纵坡通过水利计算 确定，多采用陡坡以防止洞内泥沙淤积。 运行条件：不影响枢纽和其他建筑物的正常工作。泄水隧洞出 口应与拦河坝的坝脚有一定距离，泄洪消能出口与坝脚相距200米以 上，以防出洞水流冲刷坝脚。发电洞尾水则应避开或隔开枢纽建筑物 泄流时可能导致的水位波动。 施工开挖条件：洞线应与枢纽其他建筑物保持一定距离以免洞 室开挖爆破影响建筑物基岩的稳定。长隧洞可设几个支洞以增加开挖 面。
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第八章水工地下洞室
第七节水工地下洞室衬砌的荷载一、水工隧洞的荷载组合
基本荷载与特殊荷载
１）正常运用情况
围岩压力+衬砌自重+设计洪水时的内、外水压力
２）施工、检修情况
围岩压力+衬砌自重+可能最大的外水压力
３）非常运用情况
围岩压力+衬砌自重+校核洪水时的内、外水压力
二、衬砌上的荷载计算
１、围岩压力：垂直围岩压力；侧向围岩压力；底部上挤力
2、弹性抗力：当衬砌受力变形后，变形方向指向围岩，就产生弹性抗力。
*考虑弹性抗力的条件:
(1)围岩没有不利的断层或裂隙;
(2)围岩厚度大于洞中内水压力的0.4倍;
(3)围岩厚度大于3倍洞径;
(4)围岩与衬砌之间的间隙被完好填充,接触紧密.
弹性抗力的计算：
其中, k为岩石抗力系数, 为围岩变形.
3.水荷载
内水压力：有压:压坡线
无压:洞内水深
（2）外水压力：指作用在衬砌外壁上的地下水压力，其值取决于洞外地下水位线的高低和外水压力，折减系数的大小。