隧洞设计方法
隧洞设计方法黑龙江农垦林业职业技术学院
隧洞设计方法
一、概述
在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等任务而设置的隧洞称为水工隧洞。
水工隧洞按洞内水流状态分为有压洞和无压洞。一般隧洞可设成有压，也可设成无压，或设成前段有压而后段无压。但在同一洞段内，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象，以防止不利流态。
在设计水工隧洞时，应根据枢纽的规划任务，尽量一洞多用，以降低工程造价。如导流洞与永久隧洞相结合，泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。
二、水工隧洞的线路选择
隧洞选线关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等。影响因素多，如地质、地形、施工条件等。因此，应综合考虑，进行技术比较后加以选定。
1.地质条件
隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整坚硬的地区，尽量避开不利地质构造，尽量避开地下水位高、渗水严重地段，以减少隧洞衬砌上的外水压力。洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角。在高地应力地区，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。根据以往工程经验，对于围岩坚硬完整无不利构造的岩体，有压隧洞的最小覆盖厚度不小于0.4H（H为压力水头），如不加衬砌，则应不小于1.0H。
在隧洞进、出口处，围岩厚度往往较薄，应根据地质、施工、结构等因素综合分析确定，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽。
2.地形条件
洞线应尽量短直，如因地形、地质、等原因需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞设弯道时，最好通过试验确定。
3.水流条件
隧洞进口应力求水流顺畅，出口水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。
4.施工条件
洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。设置曲线时，其弯曲半径应考虑施工所要求的转弯半径。对于长洞，应利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖井。以便进料、出渣和通风，改善施工条件，加快施工进度。
此外，洞线选择应满足总体布置和运行要求，避免对其它建筑物的干扰。
三、水工隧洞的布置
隧洞的布置主要包括：进口段、出口段和洞身段。
1．进口段的形式和构造
进口建筑物按其布置及结构形式，分为竖井式、塔式、岸塔式和斜坡式等，在工程中常
根据地形、地质、施工等具体条件采用。
进口段的组成包括进水喇叭口、闸室、通气孔、平压管和渐变段等几部分。
（1）进水喇叭口 进水口是隧洞首部，其体形应与孔口水流流态相适应，避免产生
不利的负压和空蚀破坏，同时还应尽量减小局部水头损失，以提高泄流能力。
隧洞进口常采用顶板和两侧边墙顺水流方向三向逐渐收缩的平底矩形断面，形成喇叭口状。收缩曲线常采用四分之一椭圆曲线，椭圆方程为：
122
22=+b
y a x (1) 式中：a —椭圆长半轴，对于顶板曲线，约等于闸门处孔口高度H ，对于边墙曲线，约等于
闸门处的孔口宽度B ；
b —椭圆短半轴，顶板曲线可用H/3，边墙曲线约为（1/3～1/5）B 。
深式无压隧洞进水口是一短管型压力段，为了增加压力段压力，改善压力分布，常在进口段顶部设置倾斜压坡（图1）。这种形式的压力进口段顶部曲线由椭圆曲线AB 、直线段BC 、及EF 组成。通常BC 段稍缓于EF 段，压板长度L 应满足塔顶启闭机的布置和闸门检修的要求，可采用3～6米。
图1 进口段洞顶压坡布置
（2 ）通气孔 当闸门部分开启时，孔口处的水流流速很大，门后的空气会被水流带
走，形成负压区，引起空蚀破坏使闸门振动，危及工程的安全运行。因此，对设在泄水隧洞
进口或中部的闸门之后应设通气孔，通气孔在隧洞运用中，承担着补气、排气的双重任务，对改善流态、避免运行事故起着重要的作用。
通气孔进口必须与闸门启闭机室分开设置，以免充气或排气时，因风速太大，影响工作人员的安全。通气孔在洞内出口应仅靠闸门的下游面，并尽量在洞顶，以保证在任何流态下都能充分通气。通气孔管身应顺直，减少转弯突变，以减小阻力。
（3）平压管为了减小启门力，往往要求检修门在静水中开启。为此，应设置平压管。检修工作结束后，在开启检修门之前，先打开平压管的阀门，将水放进两道门之间，使检修门两侧的水压平衡，此时在静水中开启检修门，可大大减小启门力。
平压管的尺寸根据灌水时间、两道门间的灌水空间及后一道门漏水量来确定。
（4）拦污栅拦污栅是为防止水库中漂浮物进入隧洞而设置的。泄水隧洞一般不设拦污栅。需要拦截水库中较大浮沉物时，可在进口设置固定栅梁或粗拦污栅。
引水发电洞进口应设置较密的细栅，以防污物阻塞和破坏阀门及水轮机叶片。
（5）渐变段、闸室可参见重力坝的有关内容。
2．洞身段
（1）洞身断面形式及尺寸无压洞多采用圆拱直墙形断面，由于顶部为圆拱形，适宜于承受垂直围岩压力，且施工时便于开挖和衬砌。顶拱中心角一般在90°～180°之间。如围岩条件较差还可用马蹄形断面。当围岩条件差，而且又有较大的地下水压力时，可以考虑采用圆形断面。有压隧洞由于内水压力较大，从水流及受力条件考虑，一般用圆形断面无压隧洞断面尺寸主要根据其泄流能力及洞内水面线确定。对于表孔溢流式进口，泄流能力按堰流计算；对于深式进口，泄流能力可按管流计算。
洞内水面曲线用能量方程分段求出。为保证洞内无压流状态，水面以上应有足够的净空。当洞内流速大于15～20m/s时，应考虑高速水流引起的掺气和冲击波影响。流速较低、通气良好的隧洞，要求净空不小于洞身断面面积的15%，其高度不小于40cm；流速较高的隧洞，在掺气升高的水面以上净空面积一般为洞身断面面积的15%～25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。
有压隧洞的断面尺寸应根据泄流能力及沿程压坡线确定。有压隧洞的泄流能力按管流计算。在隧洞出口应设有压坡段，以保证洞内水流始终处于有压状态，并要求洞顶有2m以上的压力余幅。洞内流速越大，要求压力余幅越大，对于高流速的有压泄水隧洞，压力余幅可高达10m左右。
在确定隧洞断面尺寸时，应考虑到施工和检查维修等要求，圆形断面内径一般不小于1.8m，非圆形断面尺寸不小于1.5m×1.8m（宽×高）。
（2）洞身衬砌隧洞衬砌主要可分为以下几种类型：平整衬砌、单层衬砌、喷锚衬砌、组合式衬砌、预应力衬砌等。洞身衬砌类型的选择，应根据隧洞的任务、地质条件、断面尺寸、受力状态、施工方法及运行条件等因素，通过综合分析技术经济比较后确定。
在混凝土及钢筋混凝土衬砌中，一般设有施工缝和永久横向变形缝。
隧洞在穿过断层、软弱破碎带以及和竖井交接处，或其它可能产生较大的相对变位时，衬砌需要加厚应设置横向变形缝。围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。根据浇筑能力和温度收缩等因素确定沿洞线的分段长度，一般采用6～12m，底拱和边拱、顶拱的环向缝不得错开。
隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。
隧洞应设置排水设备以降低作用在衬砌外壁上的外水压力。对于无压隧洞衬砌，当地下水位较高时，外水压力为衬砌的主要荷载，对衬砌结构应力影响很大。为此，可在洞底设纵向排水管通向下游，或在洞内水面线以上，通过衬砌设置排水孔，将地下水直接引入洞内（图2）。排水孔间距、排距以及孔深一般为2～4m。
图2 无压隧洞排水布置
对有压圆形隧洞，外水压力一般不起控制作用，可不设置排水设备。当外水位很高，外水压力很大，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游，纵向排水管由无砂混凝土管或多孔缸瓦管做成。必要时，可沿洞轴线每隔6～8m，设一道环向排水槽，可用砾石铺筑，将渗水汇入纵向排水管（图3）。
图3 有压隧洞排水布置
3．出口段及消能设施
有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室，闸门前有渐变段，出口之后即为消能设施。无压隧洞出口仅设有门框，其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌，并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接。
泄水隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以常在出口处设置扩散段，使水流扩散，减小单宽流量，然后再以适当形式消能。
泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能，其次是底流消能。近年来国内也在研究和采用新的消能方式：如窄缝挑流消能和洞内突扩消能等。
四、水力计算的内容
水工隧洞水力计算的内容，一般有：泄流能力计算、水头损失计算、绘制压坡线（有压流）、水面线的计算（无压流）。
1、泄流能力
水工隧洞泄流能力计算，分有压流和无压流两种情况。实际工程中，多半是根据用途先拟定隧洞设置高程及洞身断面和孔口尺寸，然后通过计算校核其泄流量。若不满足要求，再修改断面或变更高程，重新计算流量，如此反复计算比较，直至满意为止。
（1）有压流的泄流能力
有压流的泄流能力按公式（1）计算：
02gH A Q μ= (1)
式中Q ——泄流量；
μ——流量系数；
A ——隧洞出口断面面积；
g ——重力加速度。
g H H 220
0υ+=
式中 H ——出口孔口静水头；
g
220υ——隧洞进口上游行近流速水头。 流量系数μ随出流条件不同而略有差异，自由出流和淹没出流分别按公式（2）和
公式（3）计算：
∑∑???? ??+???? ?
?+=
222211i j i j j j A A R C gl A A ζμ (2) ∑∑???? ??+???? ??+???? ??=
2222221i I I i J j A A R C gl A A A A ζμ (3)
式中 A ——隧洞出口断面面积；
A 2——隧洞出口下游渠道过水断面面积；
ζj ——局部水头损失系数；
A j ——与ζj 相应流速之断面面积；
L i 、A i 、R i 、C i ——某均匀洞段之长度、面积、水力半径和谢才系数。
上述泄流能力计算公工适用于有压泄水隧洞，对发电的有压引水隧洞，其过流能力决定