第六章水工隧洞第六章水工隧洞黑龙江农垦林业职业技术学院第一节概述第二节水工隧洞的布置和构造第六章水工隧洞第三节隧洞的运用管理习题一,水工隧洞的特点(一)结构特点(二)水流特点(三)施工特点二,水工隧洞的类型1.按用途分类2.按洞内水流状态分类第一节概述一,水工隧洞的布置(一)水工隧洞的线路选择(二)水工隧洞的工程布置二,水工隧洞的布置和构造(一)进口段的形式和构造(二)洞身段的形式与构造(三)出口段及消能设施第二节水工隧洞的布置和构造一,隧洞的检查养护二,隧洞常见的问题及处理(一)隧洞常见问题及产生原因(二)隧洞常见问题的处理第三节隧洞的运用管理在水利枢纽中为满足泄洪,灌溉,发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物叫水工隧洞. 一,水工隧洞的特点(一)结构特点在岩层中开挖隧洞后,引起洞孔附近应力重新分布,岩体产生新的变形,严重的会导致岩石崩塌.围岩除了产生作用在衬砌上的围岩压力以外,同时又具有承载能力,可以与衬砌共同承受内水压力等荷载.围岩压力与岩体承载能力的大小,主要取决于地质条件.因此,应使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造.第一节概述(二)水流特点1,枢纽中的泄水隧洞,其进口通常位于水下较处,属深式泄水洞.2,由于作用在隧洞上的水头较高,流速较大,如果隧洞在弯道,渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整,都可能出现气蚀而引起破坏,所以要求隧洞体型设计得当,施工质量良好.3,泄水隧洞的水流流速高,单宽流量大,能量集中,在出口处有较强的冲刷能力,必须采取有效的消能防冲措施.(三)施工特点隧洞洞身断面小,施工场地狭窄,洞线长,施工作业工序多,干扰大,工期一般较长.尤其是兼有导流任务的隧洞,其施工进度往往控制着整个工程的工期.因此,加快施工进度是隧洞工程建设中需要引起足够的重视.'二,水工隧洞的类型1.按用途分类(1)泄洪洞:配合溢洪道宣泄洪水,保证安全.(2)引水洞:引水发电,灌溉或供水.(3)排沙洞:排放水库泥沙,延长水库的使用年限,有利于水电站的正常运行.(4)放空洞:在必要的情况下放空水库.(5)导流洞:在水利枢纽的施工期用来施工导流.在设计水工隧洞时,应根据枢纽的规划任务,尽量考虑一洞多用,以降低工程造价.如施工导流洞与永久隧洞相结合,枢纽中的泄洪,排沙,放空隧洞的结合等.2.按洞内水流状态分类(1)有压洞:工作闸门布置在隧洞出口,洞身全断面被水流充满,隧洞内壁承受较大的内水压力.(2)无压洞:工作闸门布置在隧洞的进口,水流没有充满全断面,有自由水面.一般说来,隧洞可以设计成有压的,也可设计成无压的,也可设计成前段是有压的而后段是无压的.但应注意的是,在同一洞段内,应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象,以防止引起振动,空蚀等不利流态.第二节水工隧洞的布置和构造一,水工隧洞的布置(一)水工隧洞的线路选择隧洞的路线选择关系到工程造价,施工难易,工程进度,运行可靠性等方面.影响隧洞线路选择的因素很多,如地质,地形,施工条件等.隧洞的线路选择主要考虑以下几个方面的因素:地质条件地形条件施工条件水流条件1.地质条件隧洞路线应选在地质构造简单,岩体完整稳定,岩石坚硬的地区,尽量避开不利的地质构造,要尽量避开地下水位高,渗水严重的地段.洞线要与岩层,构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角,对胶结紧密的厚岩层走向,其夹角不宜小于30°,对薄层以及层间连接较弱,其夹角不小于45°.在高地应力地区,洞线应与最大水平地应力方向尽量一致,以减少隧洞的侧向围岩压力.隧洞应有足够的覆盖厚度,对于有压隧洞,当考虑弹性抗力时,围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径. 在隧洞的进,出口处,围岩的厚度往往较薄,一般情况下,进,出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽.2.地形条件隧洞的路线在平面上应尽量短而直.如因地形,地质,枢纽布置等原因需要转弯时,对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽,转弯转角不宜大于60°,弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽.高流速的隧洞应避免设置曲线段.3.水流条件隧洞的进口应力求水流顺畅,减少水头损失.水流应与下游河道平顺衔接,与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离,防止出现冲刷.4.施工条件洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题.对于长隧洞,还应注意利用地形,地质条件布置施工支洞,斜洞,竖井,增加总工作面,加快施工进度.此外,洞线选择应满足枢纽总体布置和运行要求,避免在隧洞施工和运行中对其它建筑物产生干扰.(二)水工隧洞的工程布置隧洞进,出口的布置主要包括:进,出口和洞身及闸门的布置.1,进,出口布置(1)隧洞的进口高程应根据隧洞的用途及实际运用要求来加以确定.发电引水隧洞的进口,顶部高程应在水库最低工作水位以下0.5～1.0m,底部应高出水库淤沙高程最少1.0m以上.灌溉隧洞的进口高程应保证在水库最低工作水位时,能引入设计流量,应满足引水高程的要求,并应与下游灌区布置在同一侧.排沙洞应设置在需要排沙的发电,灌溉引水洞进口附近,其高程宜较低.用于放空水库和施工导流的隧洞进口高程一般都较低.进口的进水方式有表孔溢流式和深水进口式两种.前者的进口布置方式与岸边溢洪道相似,只是用隧洞代替了泄槽,泄水时,洞内为无压流.具体布置见下图深式进水口的隧洞,可以是无压的或有压的.这种布置形式与重力坝上的泄水孔布置形式相似.(2)隧洞的出口布置应保证水流下泄安全,出流平稳.对于有压隧洞,出口断面面积应小于洞身断面积,以保持洞内有较大的正压.出口的断面积宜收缩为洞身断面的80%～90%,收缩方式采用洞顶压坡的形式.隧洞的出口应通过技术经济比较选择消能防冲方式.对于高流速,高水头,大流量的泄水隧洞,常为挑流消能.2.隧洞的纵坡选择有压洞的纵坡主要取决于进出口高程,要求全线洞顶保持不小于2m的压力水头.有压洞的底坡不宜采取平坡或反坡,因其会出现压力余幅不足且不利于检修排水.有压洞的纵坡一般取为3‰～10‰.无压隧洞的纵坡应根据水力计算加以确定,一般要求在任何运用情况下,纵坡均应大于临界坡度.3. 闸门位置布置检修闸门设置在隧洞进口,一般要求在静水中启闭.工作闸门用来调节流量和封闭孔口,要求能在动水中启闭.无压洞的工作闸门布置在进口.为保证门后洞内无压流的流态,门后洞顶应高出洞内水面一定高度,并向门后通气.有压洞的工作闸门布置在出口.洞内始终为有压流,水流流态稳定.具体布置见下图.4. 多用途隧洞的布置为了减小工程量,降低工程造价,往往考虑一洞多用或临时任务与永久任务相结合的布置方式.(1)泄洪洞与导流洞合一布置在已建工程中较常采用.导流洞的进口高程较低,而泄洪洞进口高程可以较高,常在施工导流任务完成后,将导流洞前段堵塞,而在原导流洞口的上方另设进口,由上部进口向后,隧洞底坡设计为抛物线形式,然后再接一反弧段与原导流洞相衔接.这种布置形式在工程上常形象地称为龙抬头形式.(2)泄洪洞与发电洞合一布置泄洪洞与发电洞的合一布置是在洞前段共用一洞,在后段分岔为两个洞分别来泄洪与发电.对于泄洪量大,经常使用的泄洪洞或重要的水电站,不宜采用这种布置方式.(3) 发电与灌溉隧洞的合一布置发电与灌溉隧洞合一布置,水轮机尾水后接灌溉渠道,利用发电尾水进行灌溉.由于发电是经常性的,而灌溉用水是季节性的,所以应在发电尾水的后面设置一弃水设施,将不需灌溉时的发电尾水排入下游河道.有压洞的工作闸门布置在出口布置图二,水工隧洞的布置和构造(一)进口段的形式和构造1.进口建筑物的形式(1) 竖井式竖井式进口是进口附近的岩体中开凿竖井.优点是结构比较简单,不需要工作桥,不受风浪和冰的影响,抗震性及稳定性好.构造布置见下图.(2)塔式塔式进口建筑物是独立于隧洞的进口处而不依靠山坡的塔,用工作桥与岸坡相连.其缺点是,受风浪,冰,地震的影响大,稳定性相对较差,需要较长的工作桥.常用于岸坡岩石较差,覆盖层较薄,不宜修建靠岸进口建筑物的情况.构造布置见下图.(3)岸塔式此种进口是靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔.塔身可以是直立的或倾斜的.岸塔式的稳定性较塔式的好,不需工作桥.适用于岸坡较陡,岩体比较坚固稳定的情况.构造布置见下图.(4)斜坡式斜坡式进水口是在较完整的岩坡上进行平整,开挖,护砌而修建的一种进水.优点是,结构简单,施工,安装方便,稳定性好,工程量小.缺点是,由于闸门倾斜,闸门不易依靠自重下降.斜坡式进口一般只用于中,小型工程.构造布置见下图.(5)组合式在实际工程中常根据地形,地质,施工等具体条件采用.如半竖井半塔式进水口,下部靠岸的塔式进水口等.具体布置见下图.2.进口段的组成及构造进口段的组成包括:进水喇叭口,闸门室,通气孔,平压管和渐变段等.进水喇叭口:隧洞进口为顶板和边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平底矩形断面,形成喇叭口.收缩曲线常采用1/4椭圆曲线.竖井式构造布置图塔式构造布置图岸塔式构造布置图斜坡式构造布置图组合式构造布置图通气孔:设在泄水隧洞进口或中部的闸门之后应设通气孔,其作用是:①在工作闸门各级开度下承担补气任务;②检修时,在下放检修闸门后,放空洞内水流时补气;③检修完成后,向检修闸门和工作闸门之间充水时,通气孔用以排气.通气孔的上部进口必须与闸门启闭机室分开设置,通气孔风速应保持在20 m/s左右为好.平压管:为了减小启门力,往往要求检修门在静水中开启.为此,常设置绕过检修门槽的平压管. 平压管的尺寸根据所需的灌水时间(约8小时左右).具体布置见下图.(4)拦污栅:进口处的拦污栅是为了防止水库中的漂浮物进入隧洞.(5)渐变段,闸门室:渐变段及闸门室等,可参见第二章第七节重力坝的深式泄水孔有关内容.(二)洞身段的形式与构造1.洞身断面形式及尺寸(1)无压隧洞的断面形式及尺寸无压隧洞多采用圆拱直墙形(城门洞)断面.如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面.无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞内水面线来确定.流速较低,通气良好的隧洞,要求水面以上净空不小于洞身断面面积的15%～25%,冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围.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对最小尺寸的要求.(2)有压隧洞的断面形式及尺寸有压隧洞由于内水压力较大,一般均采用圆形断面.有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力要求以及沿程压坡线情况来确定.2.洞身衬砌的类型及构造衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁,主要作用是:①阻止围岩变形的发展,保证围岩的稳定;②承受围岩压力,内水压力和其它荷载;③防止渗漏;④保护围岩免受水流,空气,温度,干湿变化等的冲蚀破坏作用;⑤平整围岩,减小表面糙率.(1)衬砌的类型1)平整衬砌(也称护面): 用混凝土,喷混凝土和浆砌石做成的护面,它不承受荷载,仅起到平整隧洞表面,减小糙率,防止渗漏,保护岩石不受风化的作用.2)单层衬砌:用混凝土,钢筋混凝土做成.单层衬砌适用于中等地质条件,隧洞断面较大,水头及流速较高的情况,混凝土和单层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于25cm,双层钢筋混凝土衬砌的厚度不宜小于30cm.3)喷锚衬砌:喷锚衬砌是利用锚杆和喷混凝土加固围岩措施的总称,是逐渐发展起来的新型加固措施.4)组合式衬砌:在开挖断面周边不同部位采用不同的衬砌材料组合而成.如内层为钢板,钢筋网喷浆,外层为混凝土或钢筋混凝土;如顶拱为混凝土,边墙和底板采用浆砌石.5)预应力衬砌:预应力衬砌是对混凝土,钢筋混凝土衬砌的外壁施加预压应力,以便在运用时抵消内水压力产生的拉应力.预应力衬砌多用于高水头有压隧洞.(2)衬砌的分缝与止水在混凝土及钢筋混凝土衬砌中,一般设有施工缝和永久性的横向变形缝.隧洞在穿过断层,软弱破碎带以及和竖井交接处,衬砌需要加厚,应设置横向变形缝.围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝.一般分段长度为6～12m,底拱和边拱,顶拱的环向缝不得错开.纵向施工缝应设置在衬砌结构拉应力及剪应力较小的部位.(3)灌浆1)回填灌浆:回填灌浆是为了填充衬砌与围岩之间的空隙,使之结合紧密,以改善传力条件和减少渗漏. 2)固结灌浆:固结灌浆是为了加固围岩,提高围岩的整体性,减小围岩压力,保证岩石的弹性抗力,减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏.(4)排水设置排水是为了降低作用在衬砌外壁上的外水压力.对于无压隧洞衬砌,当地下水位较高时,外水压力成为衬砌的主要荷载.可在洞底设纵向排水管通向下游,或在洞内水面线以上,通过衬砌设置排水孔,将地下水直接引入洞内,排水孔间距,排距以及孔深一般为2-4m.对于有压圆形隧洞,可不设置排水设备.当外水位很高,外水压力很大,对衬砌设计起控制作用时,可在衬砌底部外侧设纵向排水管,通至下游,必要时,为提高排水效果,可沿洞轴线每隔6～8m,设一道环向排水槽,环向排水槽可用砾石铺筑,将搜集渗水汇入纵向排水管.具体布置见下图.(三)出口段及消能设施有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室,闸门前有渐变段,出口之后即为消能设施.无压隧洞出口仅设有门框,其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌,并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接.泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小,单宽流量大,能量集中,所以常在出口处设置扩散段,使水流扩散,减小单宽流量,然后再以适当形式消能.1.挑流消能当隧洞出口高程高于或接近下游水位,且地形地质条件允许时,采用扩散式挑流消能比较经济合理,因为它结构简单,施工方便,国内外泄洪,排沙隧洞广泛采用这种消能方式.2.底流消能当隧洞出口高程接近下游水位时,也可采用扩散式底流水跃消能.底流消能具有工作可靠,消能比较充分,对下游水面波动影响范围小的优点,但缺点是开挖量大,施工复杂,材料用量多,造价高.3.窄缝式挑坎消能窄缝式挑坎消能为挑坎处采用收缩成窄缝的布置形式.窄缝式挑坎与等宽挑坎不同之处在于,它的挑角很小,一般取0°,顺水流方向,两侧边墙向中心的显著收缩使出水口处水流迅速加深,水舌的出射角在底部和表层差别很大,底部约0°,表层可达45°左右,因此水舌下缘挑距缩短,上缘挑距加大,水流挑射高度增加,使水流纵向扩散加大,减小了对河床单位面积上的冲击动能,同时水舌在空中扩散时及入水时大量掺气,在水舌进入水垫后气泡上升,大大减轻了对下游河床的冲刷.4.洞中突扩消能洞中突扩消能也称为孔板消能,它是在有压隧洞中设置过流断面较小的孔板,利用水流流经孔板时突缩和突扩造成的漩滚,在水流内部产生摩擦和碰撞,消减大量能量.黄河小浪底水利枢纽中将导流洞改建为压力泄洪洞,就采用了多级孔板消能方案,在直径为D=14.5m的洞中布置了三道孔板,孔板间距为3D=43.5m,由导流洞改建的泄洪洞,经过三级孔板消能,可将140m水头消煞去60m水头,洞内平均流速仅10m/s.第三节隧洞的运用管理隧洞和涵管由于设计,施工,管理等方面的原因,可能出现裂缝,断裂,漏水,空蚀及磨损破坏等现象,影响工程的正常运用.特别是坝下涵管的断裂漏水,不仅影响水库的兴利,而且有可能引起垮坝的重大事故, 所以,要加强经常性检查养护,发现问题及时处理.一,隧洞的检查养护隧洞的检查养护内容主要有以下几个方面.1,运用前要经常检查隧洞的衬砌或涵管有无变形,裂缝,漏水,出口部位有无异常潮湿和漏水现象,要及时分析原因并进行处理.2,运用期间,随着闸门的启闭要密切注意观察和倾听洞内有无异常响声,要作好记录;对于坝下涵管,要观察其附近的上下游坝坡有无塌坑,裂缝或湿软等现象.应及时清理通气孔吸入的杂物,确保其畅通.特别应指出的是要正确操作运用,避免洞(管)内出现明,满交替的流态,闸门的启闭均应缓慢进行,避免流量的猛增猛减,防止洞内产生超压,负压或水锤等不良现象,对于无压洞严禁在受压情况下使用.3,运用之后,要认真检查洞或管壁有无蜂窝,麻面,有无裂缝和漏水的孔洞,出口消能设施有无损坏现象等,要分析其产生的原因,提出处理的方法.闸门,启闭机要经常检查,养护,以确保灵活,安全.其它方面,如发生严重冰冻后,要防止冰冻对进水塔和进水口造成冰冻破坏,位于地震区的水库,当发生五级以上的地震后,应进行全面检查,发现问题及时处理,禁止在建筑物附近采石爆破或炸鱼,以免因振动引起隧洞或涵洞断裂,对于洞顶岩石厚度小于3倍洞径的情况,禁止在顶部堆放重物或修建其它建筑物,以免发生意外二,隧洞常见的问题及处理(一)隧洞常见问题及产生原因1.隧洞衬砌开裂漏水隧洞衬砌开裂漏水的主要原因有以下几个方面.设计不合理引起衬砌开裂.施工质量差.运用管理不当.2.隧洞的空蚀破坏空蚀的产生与多种因素有关,其中,流速与边界条件是两个重要因素.目前常用的防空蚀措施主要包括:改善水流的边界条件,选用抗空蚀的材料,控制闸门开度,通气减蚀,掺气减蚀及加强施工质量控制等.(1)轮廓体型曲线变化不当.多发生在进口段和出口反弧段,体型弯曲与流线不合,形成水流的旋流区域,压力下降,压力脉动加剧形成空穴空蚀.(2)洞身平整度差,转折,过渡不合理.施工平整度达不到要求,表面存在突体,麻面,残留钢筋等部位,由于局部负压而产生空蚀破坏.(3)闸槽形状不良,闸门底缘不顺.平面闸门的门槽形状不同,过流情况差别较大,当水头较高,流速较大时,对于矩形门槽极易产生负压和空蚀.根据实测资料分析认为,高压平面闸门的开度在0.1～0.2时闸门振动剧烈,因此,在闸门操作时,应避开这个开度.(4)管理运用不当.因闸门开启不当,在洞内出现明流与满流交替的不利流态,在水流脱离洞壁时,形成负压,造成脉动压力强烈.3.隧洞的磨损隧洞的磨损是多泥沙河道上的工程中常见的问题,也是我国急需解决的问题.(二)隧洞常见问题的处理1.隧洞衬砌开裂漏水的处理处理方法主要有水泥砂浆或环氧砂浆封堵,抹面,水泥或化学灌浆,喷锚支护,内衬补强等,应根据工程的具体情况选择使用水泥砂浆或环氧砂浆封堵,抹面,灌浆处理,喷锚支护,内衬补强. 2.隧洞空蚀破坏的处理(1)改善水流的边界条件.(2)选择抗空蚀材料.(3)控制闸门开度,设置通气孔.(4)掺气减蚀措施.(5)控制过流边界的不平整度.3.隧洞的磨损处理(1)铸石板镶面.(2)铸石砂浆,铸石混凝土.(3)聚合物砂浆,聚合物混凝土.(4)钢板砌护.。