水工建筑物水工隧洞概述

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 应布置成压坡段，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：进水短管中间布置中隔墩，现很少用。
2 水工隧洞的布置
一、总体布置和线路选择
1 总体布置
❖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，
选定进口位置及进口结构形式，确定闸门在洞口中的位置。 ❖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，
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
❖布置：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 工作桥与库岸相连。
❖优点：稳定性比塔式好，施工、安 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
❖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。
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、布置 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
➢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。
❖ 单层衬砌 ❖ 组合式衬砌
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
❖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
❖布置：靠在开挖后洞脸岩坡上直立 或倾斜的进水塔(Fig8-5)。
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置，通过必要 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 ②沿程压坡线(测压管水头线)
➢泄流能力：按管流计算
Q 出 2gH
作用水头
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。
❖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
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 ➢洞内旋流消能
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 分岔位置、洞径比例、分岔角度、主支洞连接曲线、面积收 缩比……
水工建筑物 水工隧洞
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。 ➢按流速大小分：高速隧洞（>16m/s）,低速隧洞(<16m/s)
❖ 伸缩缝(永久)
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 灌浆孔错开布置。
➢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
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置的困 难。
❖泄洪洞与导流洞合一布置
➢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 。
2 水工隧洞的布置
❖泄洪洞与发电洞合一布置
➢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
➢布置形式 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
8.3 水工隧洞进口段
❖ 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。 ➢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
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。顶板和边墙常用椭圆曲线。
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，
可设置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。
➢ 通气孔布置注意事项 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。
8.4 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。
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 ➢泄流能力：深孔按管流计算，表孔按堰流计算 ➢洞内水面线：按能量方程分段推求 ➢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
❖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
➢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。
2 水工隧洞的布置
二、闸门在隧洞中的位置
❖闸门类型及位置
➢工作闸门：调节流量、封闭孔口，能在动水中启闭 ①布置在进口：常为无压洞, 也可是有压洞 ②布置在出口：有压洞 ③布置在洞身某适宜位置
❖ 特点 ➢基本与溢洪道消能相似，只是隧洞出口宽度小，单宽流量大， 能量集中，所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。
8.5 出口段及消能设施
1 概述
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。 ➢进口位置低，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。
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， 为此常布置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。
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
➢竖井式 ➢塔式 ➢岸塔式 ➢斜坡式
3 水工隧洞进口段
1 竖井式
❖布置：进口附近开挖竖井，井底设闸门，井顶设启闭设备 及操纵室。
❖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：
选定出口位置，底板高程及消能方式。
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
2 水工隧洞的布置
2 水工隧洞的布置
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 的长度、转角的要求。
2 水工隧洞的布置
❖泄洪洞与排沙洞合一布置
➢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。
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
❖ 按进水口的布置和结构型式分类
❖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。