EM1110-2-2901 岩石隧洞和竖井 (第6章)

第六章设计考虑的因素
6.1岩层支护设计的基本方法
a.地下工程的设计必须满足地下洞室在施工期间和建成后以及在该地下建筑物
的整个预期的服务期间的功能性、稳定性和安全性要求。

在地下工程设计方面没有指定的美国标准、惯例或规范。

许多设计人员应用混凝土设计规范，如ACI规范与惯例，但这些规范和惯例都是用于地面建筑物的，而不适用于地下建筑物，而且只有一部分这类规范适用于地下建筑物。

b.设计人员经常通过探求可进行分析的破坏模式（如衬砌中的组合弯曲和压缩）
来进行隧洞设计，然后将其或多或少的用于现实但又是假定的情况下（衬砌加载）。

当弯曲和压缩为衬砌的适用破坏模式时，就必须分析许多其它的破坏模式。

原则上，必须定义所有的现实行为或破坏模式。

然后必须找出分析和削减这些模式的方式。

c.破坏模式就是那些在施工危险、施工时期间的费用和进度风险、环境影响或
长期的功能失效等方面不能接受的行为模式。

对于地下建筑来说，功能破坏对不同类型的建筑而言就意味着不同的内容：对城市高速公路隧洞来说，一定的渗漏量可能成为功能破坏，而对于农村输水隧洞来说这类渗漏就完全可以接受。

d.下面概述了五个基本的设计步骤：
（1）对功能要求给出广义的定义，包括所有的水力学和几何体型要求、辅助的和环境的要求与限制、后勤及维护要求。

（2）搜集地质和文化资料，包括需要的所有信息来定义可能的破坏模式并进行分析、现场和实验室数据和确定环境影响和限制的文化资料。

这
些资料可能包括通道所有权、遭遇污物的可能性和建筑物对沉降的敏
感性。

（3）确定似是而非而且有可能的破坏模式，包括施工突发事件、不满足要求的长期性能以及未能满足环境要求的破坏。

这类例子包括施工期间
的不稳定性问题或地下水渗漏问题、腐蚀或岩层支护单元的过度磨
损、过分的渗漏（内水外渗或外水内渗）以及可能会不利于临近原有
建筑物安全的过分沉陷。

（4）初始（一次）和最终（二次）岩层支护设计。

一次支护包括在施工期间用于保持稳定和安全的洞室的所有支护系统。

二次衬砌是指那些用
来保持建筑物在使用寿命期间的功能洞室所需的支护系统。

一次支护
可能构成二次支护中的组成部分，或者也可用作二次支护（如安装在
TBM之后的预制管片衬砌）。

（5）编制合同文件。

这是所有设计成果的汇总，而且可包括根据实测资料修改施工程序的条款。

合同文件还应包含竞争投标过程中所需的所有
信息和处理索赔与争端的方式。

e.下列各段描述了隧洞和竖井的功能要求、隧洞和竖井破坏的典型和非典型模
式，包括腐蚀和地震影响。

一次支护的选择和设计描述见第七章，二次衬砌的选择和设计介绍见第九章。

6-2隧洞和竖井的功能要求
绝大多数的陆军工程师团修建的隧洞是用于输水的，或用于水力发电、输送淡水，或用于输送饮用水或防洪。

地下水利工程建筑可包括调压竖井、斜井、隧洞、取水口、出水口、连接段、叉岔管段、消能工、文丘里（吼）管、地震控制、调压室、闸门和阀门等。

a.地下水利工程建筑内的水流形态
（1）地下水利建筑内的水流既可以是明流也可以是有压流。

有压流通常处于正压力，但也可能会遭遇负压。

（2）如果希望在隧洞内保持自流状态，那么隧洞的尺寸和等级设计就必须能实现这一要求。

通常，各种流量和输入压力（最小值和最大值）都
是给定的而且不能调整。

在某些情况下，地质情况可能会制约着建筑
物等级的调整。

另一方面，也可能希望在发电引水隧洞内产生有压流
来转动水轮机，在这种情况下，就应该为此选择能满足这些目标的隧
洞尺寸和等级。

可在尺寸和等级间进行方案比选，以便断定将会出现
有压流还是明流以及对于特定设备来说哪一种情况更合意。

（3）对于100m（330英尺）长或更短的短隧洞可水平掘进，但对于较长的隧洞通常都依照0.0001（0.01%）的最小纵坡施工，以便进行隧洞排
水。

(a). 明流（重力流）水工建筑物。

在明流状态下，水面暴露在大气中，
只要流入建筑物的水流流速不超过明渠的过流能力，就会是这种
情况。

对于一条从多个水源引水或横断面或等级不断变化的自流
隧洞，必须对隧洞沿线的各个变化点进行分析以便确定流量和流
速来认定符合这种情况。

如果明渠的纵坡太陡峭或出口已被淹没
时，就可能在明渠中形成水跃。

如果水跃有足够大的能量，就可
能会对建筑物造成破坏。

这种情况应予以避免。

(b). 有压建筑物。

当水流流速超过了明流隧洞的过流能力时，就会变
成有压流。

这可能是暂时的，也可能是设备的正常运行配置。

在
压力低于液体的水气压力时就会在流动的液体中出现气蚀。

因为
气压低，部分液体就会蒸发，同时伴有气蚀发生。

当这些气蚀发
生在下游不远处时，压力骤然增大迫使液体崩溃或爆裂。

爆裂和
继而的流体涌入导致局部的高压区，延伸到水工建筑物衬砌中的
小气孔中。

由于这些气蚀形成和破裂的频率很高，因而在出现衬
砌疲劳及某些凹坑时就会削弱衬砌。

可通过流体内各点的压力均
保持在水气压力之上来避免气蚀的发生。

气蚀的发生是由水流的
汹涌作用和隧洞粗糙度及流速的增加导致的。

b. 水力控制
（1）水力控制设置在流动水槽中，以便调整并测量流量而且维持某一截面上游的水位不变。

在隧洞的整个长度范围内，各洞段都有可能存在各种不同的
流态形式。

下泄流量和水深由隧洞纵坡、几何体型和衬砌形式决定，而且也由水力控制如闸、堰、阀、进水口及泄水建筑物的位置来确定。

在每个
隧洞洞段内，洞段的进口或出口都可用作控制断面。

当一个洞段的水流速
度大于该洞段进口断面能够承受的水流速度时，就将需要进口断面控制。

首部水深和进口体型决定了过流能力。

各洞段在进口控制下运行时，通常
都是在局部充满水的情况下过流。

（2）当控制断面被设置在隧洞末端洞段或接近末端洞段，而且进入该洞段的水流速度可比通过该洞段的水流速大时，就应该进行出口断面控制。

隧洞在
出口控制情况下的运行既可以是完全满水又可以是局部满水过流。

在出口控制情况下运行的某个洞段的过流能力取决于出口上游的水力因数。

（3）堰是一种通常用来调整并测量明渠内流量的一种水力控制形式。

在堰设计中存在着多种多样的变化，绝大多数变化都有其自己的堰设计经验公式。

堰公式和系数在大多数有关明渠水流的教科书中都可以找到。

c. 短暂的有压流状态
（1）短暂的有压流是一种不稳定的流态，是由于封闭管道中流动水的速度混乱引起的。

原因包括闸门或阀门设置的变化、水泵或电力故障、衬砌失效、无水隧洞冲水过快。

瞬间流态的一种形式就是水锤。

这种现象是在输水隧
洞设计中应考虑的重要设计因素，因为水压力过高或过低都可能会导致结构破坏。

在隧洞中因在隧洞沿线不同位置的不同充水速度还有可能会存在瞬时流态的一些其它形式，如掺气，空气释放和水跃。

对于结构分析，在
进行瞬态压力设计时，采用较低的安全或荷载系数。

（2）瞬时压力脉冲产生于快速的动能和势能间的转换，而且根据阻塞的不同位置既可以是正值，也可以是负值。

压力脉冲将会通过隧洞或管道系统的末
端反射方式向外传播，并在断面变化处转输并反射出去。

压力脉冲的强度
和传输速度是由液体和管道的弹性性质和水流流速变化的速率来决定。

在在所有的其他因素都一致的情况下，水流速度变化越快，水压力变化越大。

（3）瞬时水压力通过认真配置调压室、调节阀门关闭次数、减压阀以及所有这些方法的综合作用来进行管理。

（4）水利工程工作人员应该对每条隧洞进行瞬时压力分析，以便应用于有压洞的设计中。

初次使用时，通常采用的瞬时压力都要比设计运行压力大50%。

d. 放气门
（1）无水或局部充满水的隧洞中的空气可能会形成气窝，并导致许多运行困
难，其范围从增大水头损失和不稳定水流到严重的瞬时压力和或爆裂。

可通过在水泵进口、虹吸截断处、泄水建筑物或水跃的水中掺气把空气带入隧洞系统中。

还有可能因气压和温度条件能使融在水中的空气释放出来的方式形成这些空气。

（2）减少携带气体的工程措施包括：对泄水建筑物进行各种可预见水流条件下的全面评估，通过降低明渠纵坡或其它措施来消除水跃，和消除进口的涡流。

（3）内部气泡可能会导致因横断面束窄水流引起的水头损失增加，而且更为重要的是，当允许积聚的气体迅速放出时就会出现严重的瞬时水压力。

隧洞断面内气泡的不断变化可通过匹配设计隧洞的顶高程而不是匹配设计隧洞的底部加以避免。

频繁地往地面排气用于气压释放。

e. 粗糙度（糙率）
（1）隧洞衬砌的糙率对输水效率很重要，相对于其横断面尺寸而言。

隧洞开挖方法、几何体型和衬砌形式都会影响隧洞的过流能力并在输水隧洞设计中发挥重要的结构和经济作用。

不同类型引水隧洞的允许流速受潜在的气蚀破坏的限制，而气蚀破坏则又依赖于所使用的衬砌材料、泥沙淤积和冲刷特性。

（2）连同曼宁公式或达西-魏士巴哈水流公式一起使用的隧洞摩擦系数的确定因水流深度的变化、不规则的渠道体型和采用多种衬砌形式时的糙率范围变化大而变得极其复杂。

曼宁公式和达西-魏士巴哈水流公式的摩擦系数都因流速、水流的过水深度、衬砌材料、隧洞尺寸和隧洞形状的变化而受影响，但影响程度不同。

达西-魏士巴哈水流公式方法在技术上是这两种方法更精确的一种；然而，曼宁公式能在实践中留存下来，是因为它在作为典型隧洞尺寸的近似性方面的合理精确度极其相对的简洁性。

（3）实际上，由于水流速度是有限制的，所以紊流状态和对结构破坏的可能性也受到限制。

通常认为在水流速度低于3m/s（10ft/s）时对于不衬砌隧洞是安全的；而对于3m/s~6m/s（10-20ft/s）的水流速度通常则需要进行混凝土衬砌；对于大于6m/s（20ft/s）的水流速度，气蚀风险就会增大，而且必须采取特别预防措施如钢衬或其他形式的内衬，来保护结构的内部。

对于那些通过携带泥沙（泥沙，沙砾，砾石）水流的部位，其水流速度应保持在3m/s（ft/s）以下。

（4）Westfall对岩石隧洞摩擦损失进行的研究（1989），提出的用于不同开挖方法和衬砌型式的摩擦系数（曼宁糙率系数，n）如下：
钻爆法开挖，不衬砌n=0.038
TBM开挖，不衬砌n=0.018
预制混凝土管片衬砌n=0.016
现浇混凝土衬砌n=0.013
钢衬覆盖混凝土砂浆膜衬砌n=0.014
钢衬（直径大于3m（10ft））n=0.013
钢衬（直径小于3m（10ft））n=0.012
（5）在不衬砌隧洞中对摩擦带来不利影响的因素包括隧洞超挖和岩石脱落、预制管片和混凝土模板的安装误差、沉积物以及使用年限。

Westfall（1989）强调了最终合同文件中反映几个隧洞直径和衬砌方案的数值。

Huval
（1969）提出了一种计算不衬砌岩石隧洞的当量糙率的方法，在
Sanchez-Trejo（1985）举出的不同洞段例子中采用了这种方法。

图6-1显示了这种方法使用的基本公式。

适用于不同糙率的复合衬砌形式的曼宁公式糙率系数n可作为每个过水面摩擦系数的加权平均进行估算，这些过水面的湿周长度也用于增加权重。

图6-2示出了喷混凝土衬砌内的摩擦系数相对水流深度的变化的关系曲线，该隧洞用混凝土铺筑底板。

（图6-1详见英文原稿第6-4页，图6-2详见英文原稿第6-5页）
f.垂直输水的竖井。

竖井在输水隧洞中用于从高程高的位置向高程低的位置输水。

这类竖井具典型用于防洪和CSO系统中。

竖井应设计成能消散由高程的降低所引起的动能增加，并能在水位下降时清除混杂在或掺入水中的气体而且还能在隧洞过载情况下降低水头损失。

（1）竖井的构成。

一个竖井有三个基本的组成部分：一个进口建筑，一个竖井桶体和一个组合的消能工与空气分离室。

进口建筑的功能是提供一个从水平水流转变到垂直竖井的平顺过渡。

接着竖井的桶体就将该水流输送到更低的高程，并在此输送过程中尽可能多的消能。

在竖井的底部，必须提供有一个建筑物来承受冲击力、清除任何携带的气泡并将水输送到隧洞中。

（2）在竖井设计中应考虑的基本内容。

在竖井设计中必须考虑许多因素。

这些因素包括各种流量变化、对跌水竖井底板的冲击、对携带气体的排除和与
跌水竖井相关的水头损失。

为特定使用目的选择的合适的跌水竖井，包括
确定以上这些因素中哪些因素最重要。

当高处水位与隧洞高程之差相对较小时，对跌水竖井底板的冲击就可通过一个简单消力池来缓解。

随着高程
差的增加，就有必要对夹带的气体予以排除，而且对底板的冲击也变得更
加严重。

如果隧洞的水力梯度可一路升高到高水位流量的水力梯度时，水
头损失就可能就会成为一个比较严重的问题。

（3）变化的流量。

跌水竖井可以在稳定流态条件下运行，也可在暴雨下泄期间运行，或这两者的有机组合下运行。

跌水竖井内流量的可变化性对竖井的
设计的影响相当大。

例如，对于稳定流来说，隧洞水面高程可能比跌水竖井的基底高程还要低。

这种情况下，就需要在跌水竖井底板处设置消力池进行消能。

只用于排泄暴雨流量的跌水竖井通常不需要消力池，因为隧洞中的水面将淹没跌水竖井的井底并缓冲水的冲击作用。

（4）水流对跌水竖井底板的冲击影响。

水流对跌水竖井地板的冲击影响可能会很高，应采用某些措施来最大程度的减少水流对底板的冲击影响。

可以通过迫使在竖井中形成水跃、通过增加在水位下降时因墙体摩擦所引起的消能、通过掺入足够多的气体以便缓冲这些影响，或通过在竖井底部修建消力池来减少水流对底板的冲击。

消力池可建成凹陷的水池，或者在竖井底部或竖井下游修建一个挡水堰来形成消力池。

消力池的所需深度可通过采用Dyas（共轭）公式来确定。

深度=0.5h1/2d c1/3
其中
h——跌水深度，ft
d c——进口临界水深，ft
（5）携带气体的排除。

当水流在跌水竖井中跌落时，水流中就掺入、混杂了空气。

掺气有一些优点但也有一些缺点。

优点如下：
✧掺入空气会最大限度减小了低于大气压力的可能性，并因而杜绝了有
害的气蚀影响。

✧通过缓冲水中的掺气影响来降低下落水对跌水竖井底板的冲击。

缺点如下：
✧掺气的水流体积增大，需要较大的跌水竖井。

✧为防止破坏性的高压气体形成，掺入水中的气体必须在进入隧洞之前
予以排除。

（6）与跌水竖井相关的水头损失。

在一定条件下，隧洞的水力坡降可能会升高到相当于高处流入水量的水力坡降。

在这些情况下，水头损失就变得非常重要，因为巨大水头损失可能会导致高处的输水系统严重被淹。

例如，如果这个高处的输水系统是一个排水沟，跌水竖井的巨大水头损失就将使水流漫流到大街上和（或）地下室内。

（7）跌水竖井的种类。

已经根据水工模型试验研究设计并建设了各种形式的跌水竖井。

已经建成了105m（350ft）深的跌水竖井。

通常适用于水头小于21m（70ft）跌水的更小一些的建筑被分成若干类别。

这些种类分别是跌落竖井进人孔、漩涡、喇叭口、亚大气压和直接跌水、掺气。

（8）竖井进人孔。

进人孔通常用于当地的排水系统，以便将水流从高处的排水沟引向低处的排水沟。

这些跌水设计成最大限度的减少紊流，可释放臭气并破坏竖井。

典型的设计都在竖井上游留有进人通道，以便使排水系统维护人员在此处进入低处的排水沟而不需要从潮湿的竖井中爬下去。

（9）旋涡竖井。

水流切向进入旋涡竖井内并与竖井井壁保持接触，在下降过程中形成一个气核。

由于通过进口的水流是喷向井壁的，水流进入时的水力条件相对较为平顺，旋涡竖井对大范围的泄流有效。

气核有助于疏散所携带的空气并使整个竖井气压接近于大气压力从而防止气蚀。

因以下两个方面的原因，旋涡竖井一般都比其他竖井所携带的空气少。

第一，根据入口条件可知，水流是非常稳定的；第二，在旋涡中央产生一个反向的空气流，这就使得水流中所携带的很多气体得以释放，并在水力坡度线以上区域重复循环。

在水力坡度线以下，螺旋线状水流有一个压力梯度，迫使水体中的气泡向跌水竖井的中央移动，气泡在这里浮起冲击移动速度较慢的水体。

因此，在水流中所携带的大多数气体都能在进入隧洞前进行消能。

由于水流在跌水竖井井壁上旋转，大部分能量都会在水流到达跌水竖井底板前被消除。

消能是高速水流在高速盘旋下落过程中与竖井井壁摩擦作用的结果。

剩余能量通过消力池或通过形成水跃在空气分离室内消除掉。

采取了许多进水口布置形式来产生沿跌水竖井盘旋下降的水流，如图6-3所示（详图参见英文原稿的第6-7页的图6-3）。

根据各种模型实验研究情况，当旋转的水力坡度没有接近高处的输入水流时，旋涡式跌水竖井是高效的消能方式。

它是一种很好的消能工，而且清除水中携带气体的速度也很快。

（10）一种渐变的（喇叭口）跌水竖井。

这种跌水竖井采用一个圆顶进口结构，通常适用于水库的外流出水口。

模型研究已经证明，水流特性受以下三种条件控制：即堰控制、孔口控制和差别水头控制。

这种跌水竖井的输水能力受圆顶的尺寸限制。

预计这种跌水竖井不会产生气蚀。

如果圆顶设计不当，则有可能出现导致的水头损失。

美国垦务局建议，出口隧洞按75%充水流量（全部流量的75%）设计，以便减少不稳定问题。

（11）直接跌水的掺气竖井。

（a）水流放射性的进入这些竖井，并在整个竖井中下降。

竖井直径设计成能流动在水中全面掺气的水流，使水体掺气后体积膨胀充满竖井。

所携带的气体还可给水体提供一个衬垫，从而减少对底板的冲击。

在竖井底部有一个巨大的分离洞室，而且有必要设置一个通气孔用
于在水体进入隧洞前将气体排出。

这种结构对于消能和清除所夹带
的气体非常有效。

（b）下面将介绍两种直接跌水的掺气竖井。

第一种如图6-4中（参见英文原件第6-8页的图6-4）所示，包含一个带有斜坡顶的集水坑。

通气孔
位于竖井下导洞内，并由一个垂直的缝壁分割开。

壁上的狭缝允许
气体再次循环进入竖井中下落的水体内，削减巨大的气塞并提供一
种更为均匀的空气和水体的混合物。

（c）在竖井的底部是斜坡顶的空气分离室。

当气体从水气混合物中分离出来时，它就沿着空气收集器的斜墙壁移动并回流到竖井的通气孔
一侧，并上升到水面，其中的一些通过狭缝再次循环进入到竖井中。

如果竖井用于稳定流态的水体，就应该在竖井桶体的直接下部建一
个消力池进行消能。

（d）这种建筑需要一个相当大的空气分离洞室。

更大的竖井需要的洞室顶更高。

在设计岩石中的TARP系统（Chicago）期间证明这种形式
的竖井在竖井直径不大于 2.7m（9ft）并且最大过流能力为
17m3/s(600cfs) 时都是经济的。

（e）另一种竖井的设计形式适用于直径大于2.7m（9ft）的竖井。

如图6-5中所示（详见英文原件第6-9页的图6-5）的这种竖井形式有一个独立的
起始于下导洞的下游排气孔竖井，并且在引入管顶以上与下导管相
连。

空气分离室顶部是水平的，通气孔将气体再次循环到下导管中，
这种设计可用于更大的竖井，直到竖井直径达6m（20ft）和最大过
水能力为127m3/s（4,500 cfs）。

（f）这两类建筑所能处理的流量范围都很广泛，而且水头损失仅为涡流式竖井的1/5。

这些竖井是唯一能适合处理各种变化流量的水流和对
竖井底板的冲击影响并排除携带的气体等的常用竖井，当隧洞水力
梯度达到输入水流的水位时，水头损失最小以便阻止回流等问题。

（g）这两类跌水竖井的大尺寸，尤其是空气分离室的大尺寸，需要在岩石中开挖主要洞室并进行岩石加固和衬砌。

更大尺寸的这些竖井都
有可能超挖并用作施工竖井。

g. 排气。

高速水流中可能会携带或掺入大量的气体。

掺气会使水流成为不均匀混合物，在整个过流断面上的单位容积密度变化不同并且呈现脉冲式的密度变化。

（1）可能存在的问题。

（a）工程师应尽量消除隧洞中因形成高能量水跃所导致的不良影响；尽量减少在隧洞下游末端因未设适当的调压竖井就迅速充水所导致的瞬态现象；尽量减少在隧洞系统中形成气阱；尽量减少将携带的气体从跌水竖井引入隧洞；尽量减少涡流的形成，因为涡流可能会通过竖井进入隧洞中。

另外，设计中应该为携带在水流中进入隧洞的气体提供一个便利的出口。

设计不当可能会导致一个或多个下列的现象，这些现象都可能会导致结构破坏：
✧逆水流方向的高压放气或放水引起的回爆（后坐力）。

✧顺水流方向的高压放气或放水引起的回爆（后坐力）。

✧通过位于隧洞洞线上任何一点的竖井间歇性向地面以上喷水柱或气
柱。

✧瞬时冲击水流导致快速动态失稳，并可能引起隧洞坍塌。