《水电工程设计》第05章 水工隧洞及调压设施设计

第五章水工隧洞及调压设施设计目录第一节概述一、水工隧洞的分类二、水工隧洞的特点第二节隧洞布置和洞型选择一、布置的重要性二、洞线选择三、洞身形状和尺寸四、进出口布置五、质量监督要点第三节水力设计一、水力学计算二、高速水流的防蚀及抗泥沙磨损设计三、消能防冲设计四、质量监督要点第四节隧洞结构设计一、一般原则二、作用于隧洞的荷载三、不衬砌隧洞四、喷锚支护五、钢筋混凝土衬砌六、钢筋混凝土岔管设计七、有压隧洞的防裂、限裂设计八、灌浆、防渗和排水（一）灌浆（二）防洪和排水九、观测设计十、质量监督要点第五节水电站有压引水系统中的调压设施一、概述二、水锤及调节保证计算三、减压阀四、调压室五、质量监督要点第六节水电站无压引水系统中的调压设施一、压力前池的组成建筑物二、压力前池的布置三、引水渠道（有压隧洞）非恒定流计算四、质量监督要点第一节概述一、水工隧洞的分类在地基内或基岩中通过开挖而形成的空间称为地下洞室。

如地下洞室的长度远较其横断面为大，延伸到相当距离，形成两端都有出口(通至地面或通至其他建筑物)的地下通道，则称为隧洞(仅一端有出口的称为坑道)。

过水的隧洞称为水工隧洞。

不是通过地下开挖而成的地下通道(例如埋管)不能称为隧洞，因为它虽可能与隧洞有相同的用途，但两者的结构特点差别很大，不能混为一谈。

水工隧洞可按不同原则分类。

按其用途，水工隧洞可以分为：发电隧洞——根据隧洞与水电站相对位置又可分为引水隧洞和尾水隧洞；灌溉隧洞——为灌溉供水的隧洞；供水隧洞——供给生活用水，工业用水的隧洞；导流隧洞——施工期将河道水流引至下游河床的隧洞，目的是保证施工地段正常作业。

导流隧洞亦称施工导流隧洞，是临时性建筑物；排水隧洞——用作降低地下水位的隧洞，放空水库用的隧洞，尾矿坝排水隧洞均属此类；泄洪隧洞——宣泄洪水的隧洞；航运隧洞——用于通航的隧洞；漂木隧洞——用于流放木材的隧洞；排沙隧洞——定期排放水库淤砂的隧洞；多用途隧洞——一条隧洞兼有多种用途，如发电及泄洪，灌溉及供水，导流及泄洪等；按隧洞过水流态可分为有压隧洞和无压隧洞，在同一条隧洞中允许有不同流态，如上游为有压隧洞，下游为无压隧洞；按对围岩加固方式可分为不衬砌隧洞，喷锚衬砌隧洞，混凝土或钢筋混凝土衬砌隧洞；按流速大小可分为低流速隧洞和高流速隧洞。

二、水工隧洞的特点水工隧洞和交通、采矿、军工等部门的地下洞室有很多共同之处，但也有自身的特点。

（一）水工隧洞除了要求围岩稳定之外，还有不少压力隧洞、调压井等建筑物要求承受相当大的内水压力，这在别的工程部门是较少遇到的。

衬砌及围岩共同承受内水压力，即所谓的联合作用。

设计及施工中均应充分发挥围岩的承载能力，这样可以大大减少压力隧洞、地下钢管和调压井衬砌的工程量和造价。

这些承压结构一般都比较重要，一旦失事，高压水流所造成的危害是非常严重的，因此应慎重对待。

（二）水工隧洞有大有小，隧洞直径可以是二、三米直至数十米，调压井直径可以是几米到二、三十米，因此尺寸幅度很大。

隧洞的断面形状是各种各样的，有简单的园形断面，也有马蹄形、矩形、城门洞形、卵形等等；隧洞的布置也是多种多样的，有单一的隧洞、有多洞并列、也有纵横交错的洞室群。

各个水电站的地形地质条件、建筑物参数指标也很少是雷同的（三）一般水工隧洞的埋深不很大，除个别情况外，埋深不会超过400～500m。

因此一般不会遇到地下高温的情况。

（四）水工隧洞，很多是沿山坡布置的，或者是布置在离山坡表面不远的地区。

一般地说地应力不会很大。

在高山峡谷地区，有时会因地应力较大，或主应力方向不利，这在勘测设计时要加以论证。

（五）水工隧洞，多半是永久性建筑物，各种支护措施应有较好的耐久性。

有压隧洞受到内水荷载，常有防渗的要求。

要注意渗透水是否会使围岩稳定恶化，是否会使山坡滑动。

（六）水工隧洞均是过水建筑物。

对隧洞体型设计和不平整度有较严的要求，以减少水头损失，防止形成局部负压、产生空穴水流、发生空蚀、引起洞身振动和破坏。

泄水隧洞出口水流具有流速高、单宽流量大的特点，因而能量特别集中，为了避免冲刷下游，造成危害，应注意设置消能防冲设施。

第二节隧洞布置和洞型选择一、布置的重要性我国水利水电工程的建设实践表明，少数水工隧洞之所以发生问题多系布置上考虑不周所致。

布置上的失误，轻则增加结构设计难度，或造成工期的拖延；重则迫使在施工中途改变设计线路，或不能按预定目的运行。

应特别强调的是，布置中的失误所造成的不良水工条件，远非结构措施所能够补救。

通过对已建水工隧洞的调查分析，造成不合理的工程布置的原因有以下几个方面：(一) 地质资料不足，使洞线选择欠佳：例如：中南地区某水电站的引水隧洞，开挖进洞200m 后，遇到石灰岩溶洞，洞身塌方长达几十米，局部塌方通顶，临时被迫改变洞线，绕了九道弯才勉强通过；另一水电站的引水隧洞，开挖中遇到意外的大断层，发生大塌方，两个工作面抢挖两个月仍不能通过，只得被迫绕道；华东某水电站的引水隧洞，进口地段开挖2～3万m3后，才发现进水口位于风化的土层上，最后不得不放弃原定方案，另找进水口位置。

又如，西南某水电站的引水隧洞，开挖后，洞顶暴露出大量的不稳定切割体，沿洞线塌方17处，最大塌方高度40m，为处理塌方，工期一拖再拖。

再如，西北某水电站的引水隧洞，进水口洞脸开挖过程中，顺坡裂隙越挖越多，因事先没有准备，未充分研究就采用了混凝土挡墙处理方案，其混凝土量为进水塔的63.4%，由于工程量太大，影响工程进度，最终又改为预应力锚索和混凝土锚杆加固方案，使设计和施工都很被动。

(二) 忽视水力条件：例如，华东某水电站的引水隧洞，因进水口位置欠佳，受地形影响使进口产生相当严重的漩涡，把漂浮物吸附在拦污栅上，致使水头损失剧增，引水流量减少；不少电站的引水隧洞进口均有不同程度的漩涡发生。

西南某水电站的引水隧洞，在低水位运行时，进口漩涡将空气吸入洞内产生气锤现象，响声雷鸣，水从进口旁的进人孔喷出，冲走铁盖板，水柱高达10m之多。

中南某水电站的有压泄洪隧洞和华东某水库的有压输水隧洞，其出口断面不但没有逐渐收缩，反而还稍有扩大，运行中均产生负压并发生空蚀破坏。

(三) 工程规划不周：例如，陕西某水库的龙抬头泄洪隧洞是在施工过程中决定由导流洞改建的，因受地形限制，只得把泄洪洞进水口置于狭窄的冲沟内，尽管在进水口周围作了大量的削坡开挖，终因进口前缘水域不开阔，孔口轴线垂直来流方向，而使进流不对称，在进口产生严重漩涡。

据水工模型试验观测，即使在最高泄洪水位时，进口漩涡仍十分严重，泄流量减少3%～5%，孔口形成的偏流一直影响到洞身斜井段，水面波动不止。

为改善进口水力条件，提高进口短管有压段的压力，试验报告建议，闸门最好局部开启运行。

这就使泄量更加减少，若不另增泄洪设施，势必降低枢纽防洪标准。

(四) 片面强调最短洞线，轻视地质条件：例如，西北某水电站的泄洪隧洞，出口段地处三条断层交会带，岩体破碎，洞线与断层交角仅20°左右，只因比右岸另一条洞线短而被采纳。

由于地质条件不利，加之施工方法欠妥，开挖中41m长的洞身发生通天塌方。

由于处理难度大，工期长期拖延，不但造成经济上的直接损失，还降低了枢纽初期防洪标准。

综合所述，隧洞布置是否妥善，对围岩稳定、水流条件、建设工期和工程造价有决定的影响。

因此，合理的工程布置是水工隧洞设计的关键，务必引起设计者的重视。

二、洞线选择隧洞布置是水工隧洞设计的关键，而洞线选择则是隧洞布置的首要问题。

正确地选择洞线是水工隧洞设计的关键，关系到围岩稳定、工程造价、施工工期和运行安全等，设计中应给以高度的重视。

设计过程中，必须充分掌握基本资料，进行必要的水力计算，根据枢纽总体布置和隧洞用途，综合考虑地形、地质、水流、施工、埋藏深度、沿线建筑物以及对周围环境影响等各种因素，通过可能方案的技术经济比较选择出合理的洞线。

(一) 选择洞线的原则(1)设置水工隧洞的任务是引水发电、输水灌溉、泄洪、排砂等，故选线时应充分研究，满足其应用的要求；(2)水工隧洞往往是水利水电工程枢纽布置中的一项组成部分，故选线时应当研究满足水力枢纽总布置的要求；(3)选择水工隧洞线路时，应尽可能避开对隧洞不利的工程地质和水文地质条件的区段(如地质构造有很大破坏、逸出气体、地下水渗流、坍塌和喀斯特等)，避开具有不利卫生环境条件的区段(如坟墓、垃圾场以及渗滤场地等)；(4)洞线的长度对工程造价、施工工期及施工的难易程度有着直接的关系，一般要求选择长度为最短的隧洞；(5)一般对于较长隧洞，选线时尚应考虑支洞的布置；(6)在满足上列要求的条件下，洞线宜选在沿线地质构造简单、岩块完整稳定、岩石坚硬、上覆厚度大、水文地质条件有利以及施工方便的区段。

综上所述，影响洞线选择的因素是多方面的，加之自然条件千差万别，各种因素互相制约，试图照顾到各方面，选择一条完全理想的洞线，实际上是难以做到的。

在洞线比较中，应针对各工程的具体特点，抓住主要矛盾，兼顾次要方面，选出相对合理的洞线。

(二)地形条件河道平直、曲折，岸边起伏、陡缓，沿线有无沟谷等，均影响洞线的布置。

撇开其它因素，单就地形上考虑，在洞线选择中应考虑以下因素。

(1)洞线方位，特别是进、出口段的方位，应考虑到与上、下游水流的衔接条件，使进、出水流畅顺无阻。

要求进口流向尽量与河道流向一致，以防水流边界急剧变化，导致水流偏折，在进水口前形成漩涡回流。

出口段的水流出水方向，亦应使其与河道流向保持尽可能小的交角。

特别是高流速的泄洪洞更应如此，否则水流顶冲岸坡，将会造成严重的冲刷破坏。

(2)进出口地形陡缓适中，均匀对称，以利于进出口建筑物布置。

(3)平面布置应力求直线型，使洞线为最短，工程量最小，洞内水流条件最好，且施工方便，便于机械化施工。

若洞线遇到沟谷时，应根据地形、地质、沟谷中的水文情况及施工条件等，进行绕沟或跨沟方案的技术经济比较。

当采用跨沟方案时，应合理选择跨沟位置，对跨沟处建筑物的地基、隧洞的连接部位及其洞脸山坡，应加强工程措施。

隧洞线路在平面上及立面上呈直线型是最理想的布置方案。

事实上由于种种原因，选用非直线型布置是允许的。

如：a)水利水电工程布置的需要；b)必须开辟补充工作面增加施工支洞；c)保证隧洞有足够的埋设深度；d)为了避开不良的工程地质区段；e)为了避免出现不利卫生的区段。

因而，在选择洞线时，便涉及到弯道弯曲的几何尺寸问题。

表征弯道几何特征的是弯道的转角θ和弯曲半径R。

平面上非直线型洞线，对于低流速无压隧洞弯曲半径R不宜小于5倍的洞径(洞宽)，转角θ不宜大于60°，对有压隧洞允许适当降低要求；对于高流速无压隧洞，在平面上应尽量避免设置曲线段，对高流速有压隧洞其弯曲半径和转角必须通过试验确定；在弯道的首尾应设置直线段，对低流速隧洞其长度不宜小于5倍洞经(洞宽)，对高流速隧洞其长度不宜小于10倍的洞径(洞室)。