第三章 水工隧洞

x a
2 2
y + b
2 2
= 1
式中：a —长半轴 b —短半轴
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） 顶板：H/3 边墙：（1/3～1/5）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是一段倾斜的 椭圆曲线，以便与检修闸门和工作门之间的顶板衔接，此顶板 以1：4 ～ 1：6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（0.8 ～ 1.0）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）泄洪洞与发电洞合一布置 布置型式：
泄洪（支洞） 发电
① 岔尖
发电(支洞)
②
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。
（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。 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。
②孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。
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。 ①对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通 气孔：
Q a = 0 . 09 V w ⋅ A Qa a = [V a ] A − 隧洞断面积
②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） 计算时先假定a，求得Qa后，再以
Qa Va = a
验算
Va，确定其是否超过允许风速（Va ＜ [Va] =40 ～ 45m/s）。 否则，重复上述计算，直到满足为止。 检修门后的通气孔面积，一般以大于或等于充 水平压阀的面积为宜。 （三）拦污栅 （四）渐变段、闸门室及平压管
（3）隧洞应有一定的埋藏深度。 （4）隧洞的纵坡，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）要考虑进出口与其它建筑物的关系： 如果水库所建的坝是土石坝，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： 出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边 的冲刷。
3、圆形 适用： 围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。 （二）有压隧洞的断面型式 断面一般采用圆形，其原因： ①水流条件和受力条件均有利。 ②在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。 在围岩较好，内水压力不大时，为了施工 方 便，也可采 用无压隧洞常用的断面形式。
二、洞身断面尺寸
洞身断面尺寸，可根据给定的泄流量，作用水头 及纵断面布置，通过必要的水力计算及水工模型实验 确定。 导流洞尺寸与围堰高度有关，涉及到经济因素。 水力计算内容： 1、有压隧洞 z + γp 任务：核算泄流能力及沿程压坡线 泄水能力按管流计算 :
2、无压隧洞 计算泄水能力， ①表孔式进口，按堰流计算。 ②深式短管式进口，泄水能力决定于进口压力 段，仍用有压管流计算，但系数随进口段局部水头损失 而定。（一般在0.9左右，不考虑沿程损失，因为距离 短），ω为工作闸门处的孔口面积。 工作闸门之后的陡坡段，可用能量方程分段求出其 水面线，为了保证洞内为明流（稳定的）状态，水面线 上应有一定净空。
选线是设计中一个至关重要的问题，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。 选洞线的一般原则和要求为： （1）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造，围岩可 能不稳定及地下水位高、渗流量丰富的地段，以减少 作用于衬砌上的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，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倍洞径或洞宽，转角不宜大于60o ， 弯道两端的直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）。
适用：岩石较好，水头较低的情况。 优点：造价低，施工方便。 2、单层衬砌 适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速 较大的情况。 采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。 3、组合衬砌 ① 内层为：钢板、钢丝网喷浆 外层为：混凝土、钢筋混凝土
顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（围岩好， 边墙护面） 顶拱喷锚支护，边墙底板为混凝土或钢 筋混凝土（无压洞） ③ 先喷锚支护，再做混凝土或钢筋混凝土 衬砌。 4、预应力衬砌（以隔河岩为例子发电引水洞） 适用：高水头有压隧洞
计算要点 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。
适用条件 塔式： 岸坡低缓，岩 石破碎或覆盖层 较厚。
优缺点 优：对于取水用的 封闭塔，可在不同 高程设置取水口， 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。
计算要点 塔身是直立 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）
§3
进口段
一、形式及计算要点 二、进口段的组成部分
（一）进水喇叭口 （二）通气孔 （三）拦污栅 （四）渐变段、闸门室及平压管
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、斜式。 适用条件 竖井式： 地质条件好 地形适宜 干井—弧门 湿井—平门 优缺点
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。
Q = µω出 2 gH
式中：
ω出 = ω洞
Q µ 2 gH
ω出 = （80 ~ 90） %
μ ——考虑沿程和局部阻力的系数。 ω ——隧洞出口断面面积（约为洞身面积 80~90%）。 H——上下游水位差（作用水头）。
为了保证洞内水流处于有压状态，一般要求洞顶 应有2M以上的压力余幅，流速大压力余幅也大。 采用缩小出口断面面积增大压力，减免负压和空 蚀。
三、洞身衬砌 （一）功用 1、阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定。 2、承受山岩压力、内水压力及其它荷载。 3、防止渗漏。 4、保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破 坏作用。 5、减小隧洞的表面糙率等。 （二）类型 1、护面：平整（或抹平）衬砌 采用砼、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。 作用：减小糙率、防止漏水。 适用：岩石较好，水头较低的情况。
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二、进口段的组成部分
进口段包括： 进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段。
（一）进水喇叭口 位置：在隧洞的首部 要求：①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。 ②避免产生不利的负压合空隙破坏。 ③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：
§4
洞 身 段
一、洞身断面形式 二、洞身断面尺寸 三、洞身衬砌
一、洞身断面形式
洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压）， 施工条件，地质条件及适用要求。 （一）无压隧洞的断面形式 1、城门洞形（圆拱直墙形） 优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的 隧洞，其进出口与渠道连接也简单。 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、马蹄形： 适用：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。
三、水工隧洞的组成
进口段 洞身段 出口段
§2 水工隧洞的布置 及线路选择 一、总体布置及线路选择 二、闸门在隧洞中的布置 三、多用途隧洞的布置
一、总体布置及线路选择
（1）应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体 规划。 （2）在合理定洞线的基础上，根据地形、地质、 水流条件，选定进口的位置及进口结构形成， 确定闸门在洞口中的位置。 （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 的相互关系，选定出口的位置，底板高程及 消能方式。
二、水工隧洞的工作特点 （1）水力特点： 深式泄水孔： A 泄水能力与H1/2成正比。 B 进口位置低，能预泄。 C 承受得水头较高，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 承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有 足够的厚度和必要的衬砌。 （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。
（二）通气孔 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。 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，此时排气。 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
（3）布置在洞身某一位置 A 由于地形、地质、施工和枢纽布置上的 原因，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上的困难。 （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、反弧段与较低的洞身相连接。 “龙抬头”式泄洪洞，一般水头高，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。
第三章
§1
水工隧洞
概 述
一、水工隧洞的类型 二、水工隧洞的工作特点 三、水工隧洞的组成
一、水工隧洞的类型：
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 在工程布置上受力情况差别较大 （2）无压： 明渠流计算 运行条件上（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。 具体到一个工程，究竟采用有压或无压，应 通过技术、经济比较后确定。
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， 进出口及闸门置、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） 可以布置在进口、出口或隧洞中某一 适宜位置。 （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。
流速低，通气良好： 净空面积不小于隧洞断面面积的15%，高度 ≥40cm。 流速高： ①要考虑掺气和冲击波的影响，在掺气水面以上 的净空约为洞身面积的15~25%。 ②对于城门洞形断面，冲击波峰还应限制在直墙 范围内。 3、还应考虑到施工和检查维修等方面的需要 非圆形不小于 1.5m×1.8m（高） 圆形内径不小于 1.8m
适用条件
岸塔式： 岸坡较陡，岩
优缺点
计算要点
优：稳定性比塔式好， 基本方法 施工、安装比较方 同塔式，另 便，无须接岸桥梁. 外应考虑塔 石比较坚固稳定。 背是否作用 缺：受风浪、冰、地震 有岩石压 有一定影响。 力。 斜坡式：完整的岩 优：结构简单，施工、 坡，地形适宜，闸 安装方便，稳定性 门及拦污栅的轨道 好，工程量小。 直接安装在斜坡的 缺：闸门面积加大，关 护砌上。 门时不易靠自垂下降.