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不衬砌岩洞0.025～0.042.有压洞Q==μAc√2gZZ～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/DK=A c/AA～计算水头损失的过水断面面积L，D～洞长和洞径λ=8g/C2δ～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/sV，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。