第八章 水工隧洞

8.2 水工隧洞的布置
分岔角的确定 ①与水力条件、岔尖施工、岔尖结构强度有关。 ②分岔角小，则流态好，分离区小，水头损失小，但洞壁薄 ，强度低。 ③经验分岔角：30～60° 减少发电洞空蚀的有效措施 ①收缩泄洪洞的出口面积 ②减少泄洪洞闸门开度。 设计内容 分岔位臵、洞径比例、分岔角度、主支洞连接曲线、面积收 缩比……
泄洪洞与导流洞合一布臵
常作成“龙抬头”式 水头高，流速大,反弧及下游易遭空蚀破坏,应做好体形设 计,控制施工质量，限制不平整度,并选用适当的掺气减蚀 措施。
8.2 水工隧洞的布置 泄洪洞与发电洞合一布臵
存在问题 ①洞内岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀 ②泄洪时影响发电能力
布臵形式 ①主洞(干洞)泄洪、支洞(岔洞)发电：洞内流态好，岔尖附 近负压较小，发电支洞回流强度弱、范围小，但泄洪时发 电洞有效水头降低，出力减小。 ②支洞(岔洞)泄洪、主洞(干洞)发电：相反
按流速大小分：高速隧洞（>16m/s）,低速隧洞(<16m/s)
8.1 概述
8.1 概述
二、水工隧洞的工作特点 水力特点
泄水能力与H的1/2成正比，超泄能力较表孔弱。 进口位臵低，能预泄。 承受的水头较高，流速大，易引起空化、空蚀。 水流脉动会引起闸门等振动。
出口单宽流量大，能量集中，会造成下游冲刷。
装比较方便，无须接岸桥梁。
缺点：受风浪、冰、地震影响。 适用条件：岸坡较陡、岩石比较坚
固稳定的情况
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段 4 斜坡式
优点：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。 缺点：闸槽倾斜，闸门面积加大，关门时不易靠自重下降。 适用条件：岩坡完整，地形适宜，斜坡的护砌上可直接安装
8.1 概述
8.1 概述
8.2 水工隧洞的布置
一、总体布置和线路选择
1 总体布臵
应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划。
在合理选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件， 选定进口位臵及进口结构形式，确定闸门在洞口中的位臵。
确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。
根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的相互关系， 选定出口位臵，底板高程及消能方式。
阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定 承受围岩压力、内水压力及其它荷载 防止渗漏 保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏
减小隧洞的表面糙率等
y
8.4 水工隧洞洞身段 2 衬砌的类型
平整衬砌(护面、抹平衬砌) 作用：不承受作用力，仅起减小糙率、防止渗漏和风化
的作用
适用：围岩较好，可自行稳定，水头、流速较低的情况 材料：混凝土、浆砌石、喷混凝土等 单层衬砌 组合式衬砌
的长度、转角的要求。
隧洞应有一定的埋藏深度(围岩厚度)，需满足成洞条件。 隧洞的纵坡，应根据运用要求、上下游衔接、施工和检修 等因素综合分析而定。
8.2 水工隧洞的布置
对于长隧洞，选择洞线时应注意利用地形、地质条件、布臵
一些施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。 要考虑进出口与其它建筑物的关系
应布臵成压坡段，目的在于收缩断面，进一步改善进口的
压力分布和水流流态。 双孔进水口：进水短管中间布臵中隔墩，现很少用。
8.3 水工隧洞进口段
通气孔 位臵 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检修放空时补气。
③检修完毕后，工作闸门和检修门之间充水平压时：排气。
8.4 水工隧洞洞身段
5 排水
作用：降低作用在衬砌上的外水压力 有压圆形隧洞的外水压力一般不控制衬砌设计 外水压力对城门洞形无压隧洞衬砌的结构应力影响较大， 可设臵纵向排水管和径向排水管。
8.5 出口段及消能设施
一、出口段的体形 1 有压洞
常设工作闸门、启闭机室、闸门前有渐变段(洞圆门方)， 出门之后为消能设施。 自由出流的有压洞,因主流跌落,出口前段洞顶常出现负压。 出口收缩，减小负压 顶板、侧墙三面收缩，底板水平，下接一段没有突扩的 水平渠槽（图8-3） 出口应采用正方形或接近正方形
工作闸门：调节流量、封闭孔口，能在动水中启闭 ①布臵在进口：常为无压洞, 也可是有压洞 ②布臵在出口：有压洞 ③布臵在洞身某适宜位臵 检修闸门：检修工作闸门或隧洞，动水关闭、静水开启 ①一般位于进口 ②有时需于出口设检修门以挡下游水
8.2 水工隧洞的布置 三、多用途隧洞的位置
优点
一洞多用或临时任务与永久任务相结合，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总体布臵的 困难。
工作桥与库岸相连。
适用条件：岸坡岩石较差，岸坡低缓，覆盖层较厚的情况。 作用力：风、浪、冰、地震
计算要点：塔身是悬臂结构
，需计算塔身的抗倾、 抗滑稳定。
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
3 岸塔式
布臵：靠在开挖后洞脸岩坡上直立 或倾斜的进水塔(Fig8-5)。 优点：稳定性比塔式好，施工、安
要的水力计算及水工模型试验确定。 有压隧洞的水力计算 计算内容：①泄流能力 泄流能力：按管流计算 ②沿程压坡线(测压管水头线)
作用水头
Q 出 2gH
流量系数 隧洞出口断面面积
沿程压坡线：按能量方程分段推求。
8.4 水工隧洞洞身段
无压隧洞的水力计算 计算内容：①泄流能力 ②洞内水面线 ③高速时需研究掺 气、冲击波、空蚀问题
按进水口的布臵和结构型式分类
竖井式 塔式 岸塔式 斜坡式
8.3 水工隧洞进口段
1 竖井式
布臵：进口附近开挖竖井，井底设闸门，井顶设启闭设备 及操纵室(Fig8-4) 。 优点：结构简单，不受风浪和冰的影响，抗震和稳定性好， 地形条件适宜时，工程量较小。 缺点：竖井开挖较困难，竖井前的洞段检修不便。 适用条件：地质条件好，岩体比较完整
竖井衬砌上的作用力：
①干井(弧形闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用 ②湿井(平板闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用、内水
压力
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段 2 塔式进水口
布臵：塔底设闸门，操纵室多设在塔顶，水平截面多为矩 形(Fig8-2a)。 缺点：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需
轨道的情况。
一般只用于中、 小型工程，或
只用于设检修
闸门。
5 组合式
8.3 水工隧洞进口段
8.3 水工隧洞进口段
二、进水口的组成部分
组成部分 进水喇叭口 闸门室 通气孔 平压管
渐变段
8.3 水工隧洞进口段
进水喇叭口 要求 ①体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，不致 脱壁。 ②避免产生不利的负压和空蚀破坏。 ③减少局部水头损失，以提高泄流能力。 体型 顶板和边墙顺水流方向三面收缩。顶板和边墙常能量方程分段推求 洞顶净空：为保证属无压隧洞，要求洞顶应有一定净空 洞身尺寸的其他要求
应考虑施工和检查维修等方面的需要
非圆形断面不小于1.5m×1.8m(高) 圆形断面内径不小于1.8m
8.4 水工隧洞洞身段 三、洞身衬砌 1 衬砌的功用
线。
8.3 水工隧洞进口段
短管式进水口：深式无压隧洞前的一短压力段。 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1:4~1:6的坡度向下游收缩,以便与检 修闸门和工作门之间的顶板衔接，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
8.4 水工隧洞洞身段 4 灌浆（图）
回填灌浆 目的：为了充填衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合， 共同工作，改善传力条件和减少渗漏。 做法：在顶拱部位预留灌浆管，在衬砌完成后，通过预 埋管进行灌浆。 固结灌浆 目的：加固围岩，提高围岩整体性，减小围岩压力，保 证岩石的弹性抗力，减小渗漏。 范围：整个断面。 时机：固结灌浆在回填灌浆7～14天后进行，并与回填灌 浆孔错开布臵。
2 无压洞
出口仅设有门框(以防洞脸及上部岩石崩塌)
8.5 出口段及消能设施
二、消能设施
主要消能方式
挑流消能：应用最广 底流消能：
洞内突扩消能：新型消能方式
8.1 概述
结构特点
洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，
为此常布臵临时支护和永久性衬砌。 承受较大的内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和
必要的衬砌。
施工特点
断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较 长。
8.1 概述
三、水工隧洞的组成
进口段：控制水流，含拦污栅、喇叭口、闸门室、渐变段 洞身段：输送水流 出口段：连接消能设施，无压隧洞仅设门框，有压隧洞含渐 变段和工作闸门室
对于土石坝，进出口与坝坡应保持一定距离，以免水流冲
刷坝坡。 对于排沙洞，进口设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，为了保 证电站进水口免受泥沙淤积威胁。 泄水隧洞的出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸 边的冲刷。
8.2 水工隧洞的布置
二、闸门在隧洞中的位置 闸门类型及位臵
8.2 水工隧洞的布置
世界最大规模水工隧洞--锦屏二级水电站
8.2 水工隧洞的布置
8.2 水工隧洞的布置
8.2 水工隧洞的布置 2 线路选择
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、渗流量丰富等地段，以减少作用于衬砌上的
围岩压力和外水压力。
洞线在平面上应力求短直，这样可减少工程量、方便施工、 减少水头损失；必须转弯时，需满足弯曲半径、直线过渡段
水工建筑物 第八章 水工隧洞
8.1 概述
一、水工隧洞的类型 隧洞的功能
泄洪，引水发电、输水，排沙，放空水库，施工导流(图)
隧洞的类型
按功能分：泄洪、引水输水、灌溉供水、放空排沙、施工 导流等隧洞。
按流态分：有压隧洞、无压隧洞。
按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混 凝土衬砌等。
8.4 水工隧洞洞身段
一、洞身断面形式(图)
1 无压隧洞断面形式
城门洞形(圆拱直墙)
优点：适宜承受铅直围岩压力，便于开挖和衬砌，应用较 广。
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。 马蹄形：适用于岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山
岩压力均较大的情况
圆形：适用围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。
8.4 水工隧洞洞身段 2 有压隧洞的断面型式
一般采用圆形 水流条件和受力条件均有利
圆形为最佳水力断面
也可用无压隧洞常用的断面形式 在围岩较好,内水压力不大时,为了施工方便。
8.4 水工隧洞洞身段 二、洞身断面尺寸
尺寸确定的原则和方法
根据运用要求、泄流量、作用水头及纵断面布臵，通过必
补气的作用：降低门后负压，稳定流态，避免振动和空蚀。
8.3 水工隧洞进口段
通气孔布臵注意事项 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。 ② 孔管应力求减少转弯、突变，以减少阻力。 拦污栅 泄洪隧洞一般不设拦污栅，发电引水洞需设拦污栅。
8.2 水工隧洞的布置 泄洪洞与排沙洞合一布臵
存在问题 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。 排沙洞进口高程低，可做施工导流用，完后改成泄洪排沙洞。
8.2 水工隧洞的布置
8.3 水工隧洞进口段
一、进水口的型式和计算要点
按照进水口后洞内流态分类
有压进水口 无压进水口
8.4 水工隧洞洞身段 3 衬砌分缝
分缝的原因 混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝 不均匀沉降产生裂缝 施工分块分段浇筑 施工缝(临时) 横向：一般与伸缩缝、沉降缝重合 纵向：设在顶拱、边墙及底板分界处或内力较小部位 沉降缝(永久) 通过断层破碎带或软弱带 洞身与进口渐变段等接头处 伸缩缝(永久)