水利工程概論34泄水隧洞

（1）按功用分類泄洪洞引水發(fā)電和尾水洞灌溉和供水洞放空和排沙洞施工導流洞一洞多用原則：應根據(jù)樞紐任務，盡量設計為多用途隧洞，以降低工程造價。一、

隧洞類型

①有壓隧洞：按管流計算。②無壓隧洞：按明渠流計算。引水發(fā)電隧洞一般是有壓洞；灌溉輸水隧洞常為無壓洞；同一條隧洞可以設計成前段有壓、后段無壓。在同一洞段，應避免時而有壓時而無壓的明滿流交替流態(tài)，其危害：a）易引起振動、空蝕；b）影響泄流能力。究竟選用有壓或是無壓隧洞，應根據(jù)工程任務、地形地質(zhì)及水頭等條件，通過技術經(jīng)濟比較選定。（2）按流態(tài)分類二、水工地下洞室的工作特點⑴泄水隧洞大多數(shù)是深式進口，Q∝H1/2，超泄能力不如表孔；但進口位置低，可以提前預泄。⑵承受水頭H高，P較大，閘門需啟閉力大，止水要求嚴格。⑶流速v較大，易引起空化、空蝕，脈動會引起閘門振動。⑷出口單寬流量q較大，需采取適當?shù)南芊罌_設施。1.水力特點（進口位于水下）隧洞為地下結構，洞室開挖引起應力重分布，可能導致圍巖變形甚至崩塌，為此，常需設置臨時支護和永久性襯砌，以承受圍巖壓力。隧洞可能承受較大的內(nèi)水壓力和外水壓力，要求有足夠的圍巖厚度和必要的襯砌。須做好地質(zhì)勘探工作，盡量避開不利的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)地段。2.結構特點（洞身處于地下）隧洞一般斷面小，洞線長，施工工序多，干擾大，施工條件差，工期長。例：馮家山12.6km；引黃南線7＃洞長42.9km；昆明掌鳩河洞長＞100km。施工導流隧洞或兼有導流任務的隧洞，其施工進度往往控制整個工程的工期。采用先進施工方法，改善施工條件，加快施工進度，提高施工質(zhì)量是隧洞建設中值得研究的重要課題。3.施工特點(1)進口段：控制水流。包括攔污柵、進水喇叭口、閘門室及漸變段等。(2)洞身段：輸送水流。一般需進行襯砌。(3)出口段：連接消能設施。無壓隧洞的出口一般僅設門框；有壓隧洞的出口一般設漸變段和工作閘門室。三、水工隧洞的組成1.總體布置

(1)應根據(jù)樞紐任務、泄洪流量、地形、地質(zhì)、施工、運行等條件，對泄水建筑物進行總體規(guī)劃和綜合研究，并經(jīng)技術經(jīng)濟比較后確定。當同時采用溢洪道和泄水隧洞時，宜分別布置于兩岸，以便于施工和運行。

(2)在合理選定隧洞路線（洞線）基礎上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進口位置及其結構形成，確定閘門在隧洞中的位置。四、水工隧洞的布置(3)確定洞身縱坡i、橫斷面形狀及尺寸。

(4)根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位等條件確定出口位置，底板高程及消能方式。

(5)還應考慮臨時占地、永久占地、植被破壞和恢復、施工污染、運行期地下水位變化等對環(huán)境的影響和水土保持的要求。2.洞線選擇洞線選擇十分關鍵，關系到工程造價、施工難易、工期長短和運行可靠性等。應在地質(zhì)勘測基礎上，擬定不同洞線方案，經(jīng)技術、經(jīng)濟比選后確定。洞線選擇的原則和要求（1）洞線應盡量避開不利的地質(zhì)構造、不穩(wěn)定圍巖及地下水位高、滲水量豐富的地段，以減小作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。洞線要與巖層層面、構造破碎帶和節(jié)理面有較大的交角（不小于30~45°）。在高地應力地區(qū)，應使洞線與最大水平地應力方向有較小交角，以減小隧洞的側(cè)向圍巖壓力。隧洞進、出口應選在覆蓋層、風化層淺，巖石比較堅固完整的地段，避開有嚴重的順坡卸荷裂隙、滑坡或危巖地帶。轉(zhuǎn)彎要求:彎道兩端的直線段長度S≥5B（5D）。無壓隧洞：低流速v＜

20m/s時，轉(zhuǎn)彎半徑R≮5B（5D），轉(zhuǎn)角＜60o；高流速時，轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)角最好通過試驗確定。有壓隧洞：低流速v＜20m/s時，R≮3B（3D），轉(zhuǎn)角＜60o；高流速時，水流流態(tài)特別不利，應力求采取直線布置。進、出口要求:進口要力求水流順暢，否則會減小泄流能力，引起不利的流態(tài)或間歇性漩渦。出口水流應能與下游河道平順銜接，并與其它建筑物保持一定距離，以防沖刷和影響樞紐正常運行。

（2）洞線在平面上應力求短直，這樣既可減小工程費用，方便施工，且有良好的水流條件。若因地形、地質(zhì)、樞紐布置等原因必須轉(zhuǎn)彎時，應以曲線相連。有壓隧洞洞身段：圍巖厚度＞3D。最小圍巖厚度應滿足不發(fā)生滲流失穩(wěn)和水力劈裂的要求。工程經(jīng)驗：對于堅硬完整巖體，加襯砌隧洞的最小圍巖厚度T≮0.4H（H為內(nèi)水壓力水頭）；如不加襯砌或采用錨噴襯砌時，T≮1.0H。進、出口段：一般頂部巖體厚度≮1B（1D）。（3）隧洞應有一定的埋藏深度和圍巖厚度（包括洞頂覆蓋厚度和傍山隧洞靠邊坡一側(cè)的巖體厚度）。它涉及成洞條件，圍巖穩(wěn)定性，結構計算邊界條件和工程造價等。最小圍巖厚度要求：（4）隧洞的縱坡，應根據(jù)用途、運行要求、上下游銜接、施工、檢修等因素綜合比較分析后確定。無壓隧洞：i＞ik

。（ik—臨界坡降，確保不雍水）有壓隧洞：

i取決于進、出口高程，要求在最不利條件下全線洞頂保持不小于2m的壓力水頭。不宜采用平坡或反坡，以利于檢修排水。施工及檢修排水：有軌運輸i=3‰~5‰，但i≯10‰；無軌運輸

i=3‰~15‰?？v坡比降要求：（5）對于長隧洞，應利用地形地質(zhì)條件，布置一些施工支洞、斜井、豎井，以增加工作面，加快施工進度。工程實例：引灤入津隧洞工程：在9.68km長的引水隧洞中，布置了15個斜支洞、4個豎井。平均間隔9680/20=484m。

一般布置兩道門：工作閘門（調(diào)節(jié)流量和封閉孔口，能在動水中啟、閉），檢修閘門（事故檢修門）。1.檢修門（事故檢修門）一般設在進口，用來擋水，以便檢修工作閘門或隧洞。如：劉家峽泄洪洞。大中型隧洞的深式進水口常要求檢修閘門能在動水中關閉、靜水中開啟，以滿足發(fā)生事故時的需要，所以也稱事故檢修門。五、閘門在隧洞中的布置工作門：可布置在進口、出口或隧洞中某一適宜位置。（1）工作門設在進口：一般為無壓隧洞。優(yōu)點：檢修門和工作門都在首部，運行管理方便；易于檢查和維修；工作門后的洞內(nèi)無壓，有利于山體穩(wěn)定。缺點:

如體形設計不當或施工質(zhì)量不佳，流速大的部位可能發(fā)生空蝕破壞。按照無壓隧洞進口與水面的相對位置，可分為兩種：表孔溢流式進口、深式進口。表孔溢流式進口：進口布置與岸邊溢洪道相似，只是用隧洞代替了泄槽。其超泄能力較大，但泄流能力受到隧洞斷面的限制。此種隧洞一般屬龍?zhí)ь^布置型式，常與施工導流隧洞相結合，以達到一洞多用的目的。深式進口：為保證洞內(nèi)為無壓流態(tài)，工作門后洞頂應高出洞內(nèi)水面一定高度，并需向閘門后通氣。（2）工作門布置在出口：有壓隧洞。

優(yōu)點：洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門后通氣條件好，便于部分開啟；工作閘門的控制結構也較簡單，管理方便；隧洞線路布置適應性強。

缺點：洞內(nèi)承受較大的內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，對巖體及大壩等建筑物的穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。實際工程中，常在進口設事故檢修門，平時也可用于擋水。（3）工作門布置在洞身某一位置：門前為有壓洞段，門后為無壓洞段。采用這種布置的主要原因是：

①由于地形、地質(zhì)、樞紐布置和施工等原因，隧洞線路需要轉(zhuǎn)彎，為了滿足水流條件的要求，將工作閘門設在彎道后的直線段上。彎道為有壓，閘門后的直線段為無壓。②洞內(nèi)某處的地質(zhì)條件較出口處好，工作閘門布置在洞中，可以利用較強的巖體承受閘門傳輸?shù)乃畡恿Α＝陙聿簧傩购槎床捎眠@種布置，如：三門峽泄洪洞、碧口左岸泄洪洞

等.3、多用途隧洞的布置一洞多用或臨時任務與永久任務相結合的隧洞布置，不僅可以解決樞紐中單項工程過多而帶來的布置困難，還可以減小工程量，降低造價。但一洞多用隧洞必須妥善解決由于不同任務結合所帶來的一些矛盾問題。封堵導流洞而改建的泄洪洞，可為無壓洞或有壓洞。由于導流洞高程較低，泄洪洞進口可以較高，因此常在導流洞上方另設泄洪洞進口，將其布置成“龍?zhí)ь^”形式；其進口之后用拋物線段、斜坡段、反弧段與較低的洞身相連接。當兩洞進口之間巖體厚度較薄或巖石較差時，應盡量將泄洪洞（永久建筑物）布置成直線，而將導流洞（臨時建筑物）進口段偏轉(zhuǎn)一個角度，如：劉家峽導流洞進口段偏轉(zhuǎn)32°，碧口偏轉(zhuǎn)14°。如果導流洞寬度較大，則需設擴散段以解決其與泄洪洞的銜接。擴散段應設在水流比較均勻平穩(wěn)的部位，以防流態(tài)惡化?！褒?zhí)ь^”泄洪洞，一般水頭高、流速大，反弧及下游易遭空蝕破壞，因此應做好體形設計，控制施工質(zhì)量，設置適當?shù)膿綒鉁p蝕措施。1.導流洞與泄洪洞合一布置優(yōu)點：工程量小，工程進度快，布置緊湊，管理集中。注意：應保證各自的運行要求和較好的水力條件，安全宣泄泄洪流量，保證發(fā)電隧洞的壓力狀態(tài)及發(fā)電最小水頭，并采取適當?shù)拇胧?，防止機組振動和分岔附近空蝕破壞。兩種布置型式：⑴主洞（直洞）泄洪、支洞（岔洞）發(fā)電。洞內(nèi)流態(tài)較好，岔尖附近的負壓相對較小，發(fā)電支洞回流強度弱，范圍也小。但泄洪時，由于洞內(nèi)流速加大，有效水頭降低，出力相應減小。2.泄洪洞與發(fā)電洞合一布置

⑵主洞（直洞）發(fā)電、支洞（岔洞）泄洪。存在問題：

1）岔尖處流態(tài)復雜，容易產(chǎn)生負壓和空蝕。

2）泄洪時對發(fā)電不利。分岔角一般在30~60°之間。收縮泄洪洞出口面積或減小其閘門開度，是提高洞內(nèi)及岔尖部位壓力、減免空蝕的有效措施；但泄洪能力會因出口斷面面積縮小而降低。為防止岔尖發(fā)生空蝕，當主洞泄洪時孔口收縮比η≤0.85，支洞泄洪時η≤0.7?？卓谑湛s比η是指用于泄洪的主洞或支洞，其出口面積與其洞身斷面積之比。3．其它任務隧洞的合一布置灌溉與發(fā)電隧洞合一布置。發(fā)電后的尾水用于灌溉。其主要問題是用水上的矛盾。泄洪與排沙隧洞合一。排沙洞進口高程往往較低，施工期還可結合導流，導流完成后改建成泄洪排沙洞。但對于高水頭情況，在設計中需要認真研究高速含沙水流的沖蝕、磨損及消能問題。六、進口段的組成部分隧洞進口段包括：進水喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管、漸變段等。

1.進水喇叭口位置：隧洞首部要求：①體形應符合孔口泄流形態(tài)，確保水流平順、不脫壁。②避免產(chǎn)生不利的負壓和空蝕破壞。③盡力減少局部水頭損失，以提高泄流能力。2.通氣孔（1）位置①設在泄水隧洞進口或洞身中部的工作閘門之后。②設在檢修門和工作門之間。（2）作用：通氣孔在泄水隧洞的正常泄流、放空和充水過程中，承擔補氣和排氣任務，對改善流態(tài)，避免運行事故起著重要作用。

①對工作閘門在各級開度情況下承擔補氣，以降低門后負壓，穩(wěn)定流態(tài)，避免建筑物振動和空蝕；②檢修時，在放空洞內(nèi)水流過程中補氣；檢修完成后，向工作門和檢修門之間充水時承擔排氣。（3）布置上須注意①由于通氣孔氣流速度大，其進口必須與閘門啟閉機室分開，以免在補氣、排氣時，影響工作人員的安全。

②盡可能減少通氣孔的孔管轉(zhuǎn)彎和突變，以減少阻力。3.攔污柵泄水隧洞一般不設攔污柵。當需要攔截水庫中較大浮沉物時，可在進口設固定柵梁或粗攔污柵。引水發(fā)電的有壓隧洞進口應設細柵，以防污物阻塞和破壞閥門及水輪機葉片。4.漸變段、閘門室及平壓管七、

水工隧洞斷面型式洞身斷面型式取決于流態(tài)、地質(zhì)、施工及運行等條件。（1）城門洞形（圓拱直墻形）優(yōu)點：施工（開挖、立模、襯砌）簡單，無壓洞廣泛采用。適用：垂直山巖壓力較大、側(cè)向山巖壓力很小的情況。為減小側(cè)向山巖壓力，可把邊墻做成傾斜的。頂拱中心角：φ＝90~180°，跨度較大時φ＝90~120°。斷面寬高比：1~1.5，水深變化大時，采用較大值。1.無壓隧洞斷面型式（2）馬蹄形結構：由三個不同半徑的圓弧組成。適用：巖石比較軟弱破碎，垂直山巖壓力和側(cè)向山巖壓力均較大的情況。（3）圓形適用：圍巖條件較差，且外水壓力較大時；采用掘進機施工時。（1）圓形斷面有壓隧洞一般采用圓形斷面。優(yōu)點：1）水流條件和受力條件均有利。

2）在面積一定的條件下，圓形過流能力最大。（2）也可采用無壓洞的斷面形式適用：圍巖條件較好、內(nèi)水壓力不大時，為了施工方便，也可采用無壓隧洞常用的斷面型式。2.有壓隧洞斷面型式3、洞身襯砌1.襯砌的作用（1）阻止圍巖變形的發(fā)展，確保圍巖穩(wěn)定。（2）承受荷載：山巖壓力、內(nèi)水壓力等。（3）防止?jié)B漏。（4）保護巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化等破壞。（5）減小隧洞的表面糙率。2.襯砌的類型（1）平整襯砌也稱護面或抹平襯砌。采用砼、噴漿、砌石等，護面不承受荷載。作用：減小糙率，防止?jié)B漏，保護巖石不受風化。適用：圍巖條件較好，水頭、流速較低的情況。優(yōu)點：造價低，施工方便。對無壓洞，如巖石不易風化，可只襯護過水部分。（2）單層襯砌襯砌材料：砼、鋼筋砼、漿砌石等。襯砌厚度：取洞徑或洞寬的1/8~1/12，且≥25cm，通過襯砌計算確定。適用：中等地質(zhì)條件，斷面較大，水頭、流速較高的情況。（3）組合式襯砌①內(nèi)層：鋼板、鋼筋網(wǎng)噴漿；外層：砼或鋼筋砼。②頂拱：砼；邊墻和底板：漿砌石。③頂拱：噴錨支護；邊墻和底板：砼或鋼筋砼（無壓洞）。④頂拱、邊墻：先噴錨，再用砼或鋼筋砼襯砌。特別適用于自穩(wěn)能力差、容易發(fā)生塌方的軟弱破碎巖體中開挖的隧洞。（4）預應力襯砌適用：高水頭有壓隧洞。（5）洞身襯砌型式選擇應根據(jù)隧洞任務、地質(zhì)條件、斷面尺寸、受力狀態(tài)、施工條件等因素，通過綜合分析比較后確定隧洞襯砌型式。有壓圓形隧洞：砼、鋼筋砼單層襯砌最常用。當內(nèi)水壓力較大、圍巖較差時，可采用內(nèi)層為鋼板的雙層襯砌或預應力襯砌。無壓泄洪隧洞：常采用城門洞形斷面、整體鋼筋砼襯砌。有些工程采用噴砼或加鋼筋網(wǎng)與砼或鋼筋砼的組合襯砌方式。噴錨：配合光面爆破，噴錨是一種經(jīng)濟、快速的襯砌型式。不加襯砌：當圍巖狀況很好時，對流速低、流量小的引水發(fā)電隧洞或?qū)Я鞫?，可不加襯砌。不襯砌的有壓隧洞，其內(nèi)水壓力應小于地應力的最小主應力，以保證圍巖穩(wěn)定。不襯砌隧洞的糙率大，泄放同樣流量要增加開挖斷面，因此是否采用不襯砌隧洞，應由技術經(jīng)濟比較后確定。3.襯砌分縫分縫原因：①砼或鋼筋砼襯砌施工是分塊分段澆筑的。②襯砌混凝土的干縮和溫度應力，可能產(chǎn)生裂縫。③當隧洞穿過地質(zhì)條件變化顯著地區(qū)（如斷層、破碎帶及其它軟弱地帶）時，可能由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫。（1）施工縫（臨時縫）

橫向（垂直洞軸線）：間距6～12m，由澆筑能力定；縱向（平行洞軸線）：縫設在頂拱、邊墻及底板分界處，或設在內(nèi)力較小部位。要求：進行鑿毛處理或設插筋，以加強整體性。（2）伸縮縫（永久縫）

作用：防止砼干縮和溫度應力而產(chǎn)生的裂縫。要求：間距6～12m，縫中設止水。（3）沉降縫（永久縫）

設置部位：①通過斷層破碎帶或軟弱帶，襯砌加厚的厚度突變處。②洞身與進口漸變段等連接處，可能產(chǎn)生較大位移的地段。要求：縫中設止水，填瀝青油氈或其他填料。實際工程中，橫向施工縫、沉降縫、伸縮縫等，應盡量結合在一起布置。七、水工隧洞出口段及消能設施

1.無壓隧洞出口段僅設門框，以防洞