1、水工隧洞第一节 概述一、 水工隧洞得类型分类方法：按功用分、按受力状态分。（一）按功用分：（1） 泄洪（2） 引水：发电、灌溉、供水；航运输水。（3） 排沙（4） 放空水库（5） 施工导流（二）按受压状态分：（1） 有压： 水力计算 、管流计算 在工程布置 1 受力情况 （2） 无压： 明渠流计算 运行条件上差别较大。（同一条洞前段有压，后段无压）禁忌：明满流交替危害：（1）易引起振动、空蚀。（2）影响泄流能力。具体道一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。二、水工隧洞得工作特点（1） 水力特点：深泄水孔：a 泄水能力于 H1/2 成正比。B 进口位置低，能预泄。C 承受得水
2、头较高，易引起空化、空蚀。D 水流脉动会引起闸门等振动。E 出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。（2） 结构特点：a 洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常布置临时支护和永久性衬砌。B 承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。（3） 施工特点：隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。三、水工隧洞得组成主要包括下列三部分：（1） 进口段（2） 洞身段（3） 出口段 第 2 节 水工隧洞得布置及线路选择一、总体布置及线路选择（一）总体布置（1） 应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。（2） 在合理得选定洞线得基础上，根据地形、
3、地质、水流条件，选定进口得位置及进口结构形成，确定闸门在洞口中得位置。（3） 确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。（4） 根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间得相互关系，选定出口得位置，底扳高程及消能方式。（二）线路选择选线室设计中得一个至关重要得问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。（1） 隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，渗流量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。（2） 洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，方便施工、减少水头损失，便于施工。必须转弯时，其直线半径不宜小于 5 倍得洞径或洞宽，转角不宜大于60
4、o，弯道两端得直线段不宜小于 5 倍洞径（或洞宽）（3） 隧洞应有一定得埋藏深度。（4） 隧洞感的纵坡，应根据水利条件运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。（5） 对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件、布置一些施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。（6） 要考虑进出口于其它建筑物的关系：如果水库所建的坝时土石坝，则进口应距离坝坡 50M 以上，出口应距离坝坡 100M 以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞，为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电站进口的上游侧，高程比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗范围内。泄水隧洞的出口方向
5、要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边的冲刷。每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示：平面图表示出：地形、隧洞和其它建筑物的关系，进口位置、闸门位置、施工旁洞、竖井、堆渣地点等。纵剖面图表示出：地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，以及进出口及闸门位置、底坡的坡率、洞底高程。二、闸门在隧洞中的布置泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门）1 检修门：设在进口2 工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。（1） 布置在进口：一般为无压洞也可以是有压洞。 （平时利用闸门挡水，保持洞内无水）（2） 布置在出口：有压洞。（3） 布置在洞身某一位置A 由于地形、地质、施工和枢纽布置 1 的原因
6、，隧洞线路需要转弯，闸门室易布置在转弯段后的直线段上。B 洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水动力。三、多用途隧洞的布置一洞多用，或临时任务与永久任务相结合这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置 1 的困难。（一）泄洪洞与导流洞合一布置常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头”式泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，为了避免空蚀，应做好体形设计，控制施工质量。限制不平跨度，并选用适当的掺气减蚀措施。（二）泄洪洞与发电洞合一布置布置型式：存在问题：1 岔尖处的水流流态复
7、杂，容易产生不利负压合空蚀。2 泄洪时堆发电不利。（三）泄洪洞与排沙洞合一布置排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。问题：1。闸门压力大，启闭困难。 （洪水期开启，水头高）2泥沙堆积，闸门不易开启第 3 节 进口段一、形式及计算要点按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式。适用条件 优缺点 计算要点竖井式：地质条件好地形适宜干井弧门湿井平门优：结构简单、不受风浪、水的影响，抗震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小。缺：竖井前的一段隧洞检修不便。沿井的不同高度，截取断面，按单位高度的封闭或框架进行分析。塔式：岸坡低缓，岩石破碎或覆盖层较厚。优：对于取水用的封闭塔，可在不同高程设置取水
8、口，取用上层温度较高的清水。缺：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需要工作桥与库岸相连。塔身时直立的悬臂结构，需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。按封闭框架计算单位的高度的横断面的水平应力，按悬臂计算铅直应力（将立体框架简化成平面问题计算）岸塔式：岸坡较陡，岩石比较坚固稳定。优：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便，无须接岸桥梁。缺：受风浪、冰、地震优一定影响。基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。斜坡式：完整的岩坡，地形适宜，闸门及拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。优：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺：闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降。二、进口段的组成部分：包括
9、：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。（一）进水喇叭口位置：在隧洞的首部要求：其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。避免产生不利的负压合空隙破坏。减少局部水头损失，以提高泄流能力。体型：常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩，平底。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：12byax式中：a 长半轴 顶板约等于闸门处的孔口高度（H）边墙约等于闸门处的孔口宽度（B）b短半轴 顶板：H/3边墙：（1/31/5）B对于重要的工程，进口曲线，应通过水工模型试验确定。无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常式一段倾斜的椭圆曲线，以便与检修闸门和工作门之间的
10、顶板衔接，此顶板以 1：41：6 的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。检修门槽前的入口段长度可控制在（0。81。0）倍工作闸门处的孔口高度范围内。检修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段， （目的：收缩断面进一步改善进口的压力分布和水流流态） 。（二）通气孔1 位置：设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。设在检修门和工作门之间。2 作用： 工作闸门在各级开度情况下：补气 检修时：补气。 检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平压，此时排气。3 布置上注意点： 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。Va4045m/
11、s 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。4 通气量的计算及通气孔设计通气孔应按正常的泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。目前多采用一些经验公式或半经验公式。对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔：09.awVQAA隧洞断面积对于高水头大型工程中重要闸门后的通气孔（无压隧洞或管道）式中： 风速系数，取 0。6aB闸门处孔口宽度（M）a通气孔断面面积闸门后的隧洞的长度L闸门孔口处的水流流速，m/s。wV闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（m 2） ，通常 Aa6， （仅均匀内水压力作用）内水压力在 20m 以下，用素混凝土。超过 20
12、m，宜用钢筋混凝土。（一）均匀内水压力作用下的内力计算计算方法的基本原理：将衬砌视为无限弹性介质中的厚壁圆管，根据衬砌和围岩接触面的径向变位相容的条件，求出以内水压力 P 所表示的弹性抗力 ，再利用轴对称0P受力圆管的弹性力学厚壁管公式计算衬砌的抗力。如图所示，在内水压力 P 的作用和弹性抗力 作用下，按图衬砌在均匀水压力弹性理0论平面变形情况，求得厚壁管管壁任意半径 r 处的径向变位 为：u1)2()1)(2()1 02 pttptrEruee 取 ，得衬砌外缘的径向变位 为：e eu1)2(1)2()10ptptrue 式中 E衬砌材料的弹性模量；衬砌材料的泊松比；衬砌外半径之比， t i
13、iierhrt1当开挖的洞壁作用有 时，按文克尔假定，洞壁的径向变位 ，0P 001Krpye此处，K 为岩石的弹性抗力系数， 为单位弹性抗力系数。根据变形相容条件，0K，整理后可得围岩的弹性抗力为euy（818）pAt201（819）)(0uKEAA 为弹性特征因素，式中的 E、 分别以 kPa 和 计；若以 和3/mKN2/ckg为单位，则需要将式中的 E 改为 0.01E。3/cmkg按弹性理论的解答，厚壁管在均匀内水压力 p 和弹性抗力 作用下，管壁厚度内任意0P半径 r 处的切向正应力 为t（820）0221)(1)(ptrptreet 将式（818）代入式（820） ，分别令 ，即
14、可得到单层衬砌在均匀内水ei,压力 p 作用下边缘切向拉应力 和外边缘切向拉应力 为i pAti2te21因为 ，显然 ,这表明衬砌内壁的切向应力恒大于外壁的切向应力.当不1iertie考虑弹性抗力时,即 =0,则 A=1.0K如果 1。围岩厚度大于 3 倍开挖洞径 衬砌计算只考虑2 洞径 D6 时 内水压力6Kf1混凝土衬砌求混凝土的衬砌厚度，在 821 式中，泠泠 混凝土允许轴心抗拉强hli度。 ilhlKR抗拉极限强度lR抗拉安全系数iK解出 t 得： PAthll2（823）11Arhthliiie（823）式存在缺点：当 与 P 的数值逐渐接近时， h 逐渐扩大到不合理程度。l为 虚
15、 数时 ，时 ， hphl为了不使混凝土衬砌过厚，对坚固岩体内的混凝土衬砌，一般限制水头不大于 20m，超过时，宜用钢筋混凝土。混凝土应力校核： 122hlelipAtt除内水压力外，还有其它的荷载作用，计算各种荷载单独作用时产生的轴向力和弯矩，再按下式校核混凝土衬砌的切向拉应力：ilhlei KRFNWM式中：W抗力矩（ ）62bhF断面积，即 F=bh如需求出在均匀水压力作用下的断面内力，可先算 、 ，然后近似按直线分布，ie求出轴向拉力 N 和弯矩。2)3(hIMheiei 3 钢筋混凝土衬砌用 代替 即得：ghhl（825）1pArghi钢筋混凝土的允许轴心抗拉强度gh衬砌边缘应力：（
16、826）2ghni AtpFfghKRF沿洞线 1m 长衬砌混凝土 的纵断面面积。F 中包括钢筋在内的折算面积。n混凝土设计抗裂强度fR抗裂系数fK如果（825）式中，求出 h 为负值，或小于结构的最小厚度时，则应采用结构的最小厚度，钢筋采用最小配筋率，对称配置。(二)其它荷载作用下的内力计算1.考虑弹性抗力的内力计算(1)基本假定和计算方法.如果围岩较好,在围岩压力、衬砌自重、无水头洞内满水压力作用下，应考虑弹性抗力的存在。根据研究，约在顶拱中心角 范围09以下部分，衬砌变形指向围岩，作用有弹性抗力（如图 829） ，其分布规律为22cossin,2,4baKK其中 、 分别为 处衬砌受到的
17、弹性抗力。ab,现以铅直围岩压力为例，说明内力的计算方法和步骤829（d） 。自洞顶切开，引刚臂至圆心，亦即弹性中心，由于荷载及结构左右对称，故切力。取一半计算，力法方程为03X（827）0221p、 都包含有特定的 ，解之得p1ba,（828）),(21bafX根据向下的总荷载与向上的弹性抗力合力相平衡（ ）及在 21,X和外0y力作用下， 处的变位应为 的两个补充条件，可以解得 。将2aba代入公式（828） ，即可求出 21,X，从而可解出各断面的弯矩和轴向ba,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 以内缘手拉力为正，轴向力 N 以受压为正。（3） 各种
18、荷载作用下的内力计算。按上述方法，可求得圆形隧洞衬砌在各种荷载作用下考虑弹性抗力时的内力计算公式。关于在各种荷载作用下，圆形衬砌各断面的弯矩和轴力有现成的解答。 （弯矩以衬砌内缘受拉为正，轴力以受压为正）铅直山岩压力作用下的内力计算（计算简图见前页）)1(02.)(21.0453721 aaqrXne （829）)1(GnFDqrNcBAMe式中符号见书系数 A、B、C、D、F 及 G 查表。衬砌自重作用下的内力计算)06592.1(437821ngrX)(1DCrNBAMg1m 衬砌的重量，衬砌厚度为 h 时，则 cg混凝土的容重，系数见表。c无水头洞内满水压力作用下的内力计算)()03294.58.174(221nDCrNBAMnXriie
