水工隧洞的布置荷载计算与支护设计PPT课件

三、水工隧洞的组成
水工隧洞的组成（图8-2）
(1)进口段：控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门室 及渐变段等。
(2)洞身段：输送水流。一般需进行衬砌。 (3)出口段：连接消能设施。
无压隧洞的出口一般仅设门框； 有压隧洞的出口一般设渐变段和工作闸门室。
水工隧洞的建设和研究现状
水工隧洞的建设规模不断加大。近年来在设计理论、施 工方法和建筑结构等各方面有了新的发展，但因水工隧 洞属地下结构，影响其工作状态的因素多而复杂，一些 作用力的计算和设计理论还存在与实际不太相符的假定， 有待完善和提高。
2. 结构特点（洞身处于地下）
隧洞为地下结构，洞室开挖引起应力重分布，可能导致 围岩变形甚至崩塌，为此，常需设置临时支护和永久性 衬砌，以承受围岩压力。 隧洞可能承受较大的内水压力和外水压力，要求有足够 的围岩厚度和必要的衬砌。 须做好地质勘探工作，尽量避开不利的工程地质、水文 地质地段。
3. 施工特点
转弯要求:
➢ 弯道两端的直线段长度S≥5B（5D）。 ➢ 无压隧洞：低流速v＜ 20m/s时，转弯半径R≮5B（5D），转
角＜60o；高流速时，转弯半径及转角最好通过试验确定。 ➢ 有压隧洞：低流速v＜20m/s时，R≮3B（3D），转角＜60o；
高流速时，水流流态特别不利，应力求采取直线布置。
进、出口要求:
最小围岩厚度要求：
➢ 有压隧洞洞身段：围岩厚度＞3D。最小围岩厚度应满足不发 生渗流失稳和水力劈裂的要求。工程经验：对于坚硬完整岩体， 加衬砌隧洞的最小围岩厚度T≮0.4H（H为内水压力水头）；如 不加衬砌或采用锚喷衬砌时， T≮ 1.0H。
➢ 进、出口段：一般顶部岩体厚度≮1B（1D）。
（4）隧洞的纵坡，应根据用途、运行要求、上下游衔接、 施工、检修等因素综合比较分析后确定。
➢ 进口要力求水流顺畅，否则会减小泄流能力，引起不利的流态 或间歇性漩涡。
➢ 出口水流应能与下游河道平顺衔接，并与其它建筑物保持一定 距离，以防冲刷和影响枢纽正常运行。
（3）隧洞应有一定的埋藏深度和围岩厚度（包括洞顶覆盖 厚度和傍山隧洞靠边坡一侧的岩体厚度）。它涉及成洞条 件，围岩稳定性，结构计算边界条件和工程造价等。
➢泄洪洞 ➢引水发电和尾水洞 ➢灌溉和供水洞 ➢放空和排沙洞 ➢施工导流洞
一洞多用原则：应根据枢纽任务，尽量设计为多用途隧
洞，以降低工程造价。
（2）按流态分类
① 有压隧洞：按管流计算。 ② 无压隧洞：按明渠流计算。 ➢引水发电隧洞一般是有压洞；灌溉输水隧洞常为无压洞； ➢同一条隧洞可以设计成前段有压、后段无压。 ➢在同一洞段，应避免时而有压时而无压的明满流交替流 态，其危害：a）易引起振动、空蚀；b）影响泄流能力。 ➢究竟选用有压或是无压隧洞，应根据工程任务、地形地 质及水头等条件，通过技术经济比较选定。
2.洞线选择
洞线选择十分关键，关系到工程造价、施工 难易、工期长短和运行可靠性等。 应在地质勘测基础上，拟定不同洞线方案， 经技术、经济比选后确定。
洞线选择的原则和要求
（1）洞线应尽量避开不利的地质构造、不稳定围岩及地下 水位高、渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围 岩压力和外水压力。
➢ 洞线要与岩层层面、构造破碎带和节理面有较大的交角（不小 于30~45°）。
➢ 在高地应力地区，应使洞线与最大水平地应力方向有较小交角， 以减小隧洞的侧向围岩压力。
➢ 隧洞进、出口应选在覆盖层、风化层浅，岩石比较坚固完整的 地段，避开有严重的顺坡卸荷裂隙、滑坡或危岩地带。
（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可减小工程费用， 方便施工，且有良好的水流条件。若因地形、地质、枢纽布 置等原因必须转弯时，应以曲线相连。
水工隧洞虽然任务不同，工作条件不同，但设计方法基 本相同。为此，本章重点讲述泄水隧洞的布置、结构型 式、构造和衬砌计算方法等。
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8.2 水工隧洞的布置
一、隧洞布置
1.总体布置
➢ (1)应根据枢纽任务、泄洪流量、地形、地质、施工、运行 等条件，对泄水建筑物进行总体规划和综合研究，并经技术 经济比较后确定。当同时采用溢洪道和泄水隧洞时，宜分别 布置于两岸，以便于施工和运行。
水工隧洞的布置、荷 载计算与支护设计
1 概述 2 水工隧洞的布置 3 水工隧洞进口段 4 水工隧洞洞身段 5 水工隧洞出口段及消能设施 6 高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀 7 水工地下洞室的围岩稳定性 8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合 9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计
2. 类型
（1）按功用分类
隧洞一般断面小，洞线长，施工工序多，干扰大，施工 条件差，工期长。例：冯家山12.6km；引黄南线7＃洞长 42.9km；昆明掌鸠河洞长＞100km。
施工导流隧洞或兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往 控制整个工程的工期。
采用先进施工方法，改善施工条件，加快施工进度，提 高施工质量是隧洞建设中值得研究的重要课题。
纵坡比降要求：
➢无压隧洞：i＞ik 。（ ik—临界坡降，确保不雍水） ➢有压隧洞： i 取决于进、出口高程，要求在最不利条件下全 线洞顶保持不小于2m的压力水头。不宜采用平坡或反坡，以 利于检修排水。 ➢施工及检修排水：有轨运输i=3‰~5‰，但i≯10‰；无轨运 输 i=3‰~15‰ 。
（5）对于长隧洞，应利用地形地质条件，布置一些施工支 洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。
➢ (2)在合理选定隧洞路线（洞线）基础上，根据地形、地质、 水流条件，选定进口位置及其结构形成，确定闸门在隧洞中 的位置。
➢ (3)确定洞身纵坡i、横断面形状及尺寸。
➢ (4)根据地形、地质、尾水位等条件确定出口位置，底板 高程及消能方式。
➢ (5)还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施 工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持 的要求。
二、水工地下洞室的工作特点
1. 水力特点（进口位于水下）
⑴ 泄水隧洞大多数是深式进口，Q∝H1/2，超泄能力不如表 孔；但进口位置低，可以提前预泄。
⑵ 承受水头H高，P较大，闸门需启闭力大，止水要求严格。 ⑶ 流速v较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起闸门振动。 ⑷ 出口单宽流量q较大，需采取适当的消能防冲设施。