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(dǎo)流洞一洞多用原則：應(yīng)根據(jù)樞紐任務(wù)，盡量設(shè)計(jì)為多用途隧洞，以降低工程造價(jià)。一、

隧洞類型

①有壓隧洞：按管流計(jì)算。②無(wú)壓隧洞：按明渠流計(jì)算。引水發(fā)電隧洞一般是有壓洞；灌溉輸水隧洞常為無(wú)壓洞；同一條隧洞可以設(shè)計(jì)成前段有壓、后段無(wú)壓。在同一洞段，應(yīng)避免時(shí)而有壓時(shí)而無(wú)壓的明滿流交替流態(tài)，其危害：a）易引起振動(dòng)、空蝕；b）影響泄流能力。究竟選用有壓或是無(wú)壓隧洞，應(yīng)根據(jù)工程任務(wù)、地形地質(zhì)及水頭等條件，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。（2）按流態(tài)分類二、水工地下洞室的工作特點(diǎn)⑴泄水隧洞大多數(shù)是深式進(jìn)口，Q∝H1/2，超泄能力不如表孔；但進(jìn)口位置低，可以提前預(yù)泄。⑵承受水頭H高，P較大，閘門(mén)需啟閉力大，止水要求嚴(yán)格。⑶流速v較大，易引起空化、空蝕，脈動(dòng)會(huì)引起閘門(mén)振動(dòng)。⑷出口單寬流量q較大，需采取適當(dāng)?shù)南芊罌_設(shè)施。1.水力特點(diǎn)（進(jìn)口位于水下）隧洞為地下結(jié)構(gòu)，洞室開(kāi)挖引起應(yīng)力重分布，可能導(dǎo)致圍巖變形甚至崩塌，為此，常需設(shè)置臨時(shí)支護(hù)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(kāi)不利的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)地段。2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（洞身處于地下）隧洞一般斷面小，洞線長(zhǎng)，施工工序多，干擾大，施工條件差，工期長(zhǎng)。例：馮家山12.6km；引黃南線7＃洞長(zhǎng)42.9km；昆明掌鳩河洞長(zhǎng)＞100km。施工導(dǎo)流隧洞或兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞，其施工進(jìn)度往往控制整個(gè)工程的工期。采用先進(jìn)施工方法，改善施工條件，加快施工進(jìn)度，提高施工質(zhì)量是隧洞建設(shè)中值得研究的重要課題。3.施工特點(diǎn)(1)進(jìn)口段：控制水流。包括攔污柵、進(jìn)水喇叭口、閘門(mén)室及漸變段等。(2)洞身段：輸送水流。一般需進(jìn)行襯砌。(3)出口段：連接消能設(shè)施。無(wú)壓隧洞的出口一般僅設(shè)門(mén)框；有壓隧洞的出口一般設(shè)漸變段和工作閘門(mén)室。三、水工隧洞的組成1.總體布置

(1)應(yīng)根據(jù)樞紐任務(wù)、泄洪流量、地形、地質(zhì)、施工、運(yùn)行等條件，對(duì)泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃和綜合研究，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。當(dāng)同時(shí)采用溢洪道和泄水隧洞時(shí)，宜分別布置于兩岸，以便于施工和運(yùn)行。

(2)在合理選定隧洞路線（洞線）基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進(jìn)口位置及其結(jié)構(gòu)形成，確定閘門(mén)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(yīng)考慮臨時(shí)占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運(yùn)行期地下水位變化等對(duì)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(guān)鍵，關(guān)系到工程造價(jià)、施工難易、工期長(zhǎng)短和運(yùn)行可靠性等。應(yīng)在地質(zhì)勘測(cè)基礎(chǔ)上，擬定不同洞線方案，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選后確定。洞線選擇的原則和要求（1）洞線應(yīng)盡量避開(kāi)不利的地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造破碎帶和節(jié)理面有較大的交角（不小于30~45°）。在高地應(yīng)力地區(qū)，應(yīng)使洞線與最大水平地應(yīng)力方向有較小交角，以減小隧洞的側(cè)向圍巖壓力。隧洞進(jìn)、出口應(yīng)選在覆蓋層、風(fēng)化層淺，巖石比較堅(jiān)固完整的地段，避開(kāi)有嚴(yán)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(zhǎng)度S≥5B（5D）。無(wú)壓隧洞：低流速v＜

20m/s時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑R≮5B（5D），轉(zhuǎn)角＜60o；高流速時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)角最好通過(guò)試驗(yàn)確定。有壓隧洞：低流速v＜20m/s時(shí)，R≮3B（3D），轉(zhuǎn)角＜60o；高流速時(shí)，水流流態(tài)特別不利，應(yīng)力求采取直線布置。進(jìn)、出口要求:進(jìn)口要力求水流順暢，否則會(huì)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(yīng)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(yùn)行。

（2）洞線在平面上應(yīng)力求短直，這樣既可減小工程費(fèi)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(shí)，應(yīng)以曲線相連。有壓隧洞洞身段：圍巖厚度＞3D。最小圍巖厚度應(yīng)滿足不發(fā)生滲流失穩(wěn)和水力劈裂的要求。工程經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于堅(jiān)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(shí)，T≮1.0H。進(jìn)、出口段：一般頂部巖體厚度≮1B（1D）。（3）隧洞應(yīng)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(jié)構(gòu)計(jì)算邊界條件和工程造價(jià)等。最小圍巖厚度要求：（4）隧洞的縱坡，應(yīng)根據(jù)用途、運(yùn)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(wú)壓隧洞：i＞ik

。（ik—臨界坡降，確保不雍水）有壓隧洞：

i取決于進(jìn)、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(yùn)輸i=3‰~5‰，但i≯10‰；無(wú)軌運(yùn)輸

i=3‰~15‰?？v坡比降要求：（5）對(duì)于長(zhǎng)隧洞，應(yīng)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(jìn)度。工程實(shí)例：引灤入津隧洞工程：在9.68km長(zhǎng)的引水隧洞中，布置了15個(gè)斜支洞、4個(gè)豎井。平均間隔9680/20=484m。

一般布置兩道門(mén)：工作閘門(mén)（調(diào)節(jié)流量和封閉孔口，能在動(dòng)水中啟、閉），檢修閘門(mén)（事故檢修門(mén)）。1.檢修門(mén)（事故檢修門(mén)）一般設(shè)在進(jìn)口，用來(lái)?yè)跛?，以便檢修工作閘門(mén)或隧洞。如：劉家峽泄洪洞。大中型隧洞的深式進(jìn)水口常要求檢修閘門(mén)能在動(dòng)水中關(guān)閉、靜水中開(kāi)啟，以滿足發(fā)生事故時(shí)的需要，所以也稱事故檢修門(mén)。五、閘門(mén)在隧洞中的布置工作門(mén)：可布置在進(jìn)口、出口或隧洞中某一適宜位置。（1）工作門(mén)設(shè)在進(jìn)口：一般為無(wú)壓隧洞。優(yōu)點(diǎn)：檢修門(mén)和工作門(mén)都在首部，運(yùn)行管理方便；易于檢查和維修；工作門(mén)后的洞內(nèi)無(wú)壓，有利于山體穩(wěn)定。缺點(diǎn):

如體形設(shè)計(jì)不當(dāng)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(wú)壓隧洞進(jìn)口與水面的相對(duì)位置，可分為兩種：表孔溢流式進(jìn)口、深式進(jìn)口。表孔溢流式進(jìn)口：進(jìn)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(dǎo)流隧洞相結(jié)合，以達(dá)到一洞多用的目的。深式進(jìn)口：為保證洞內(nèi)為無(wú)壓流態(tài)，工作門(mén)后洞頂應(yīng)高出洞內(nèi)水面一定高度，并需向閘門(mén)后通氣。（2）工作門(mén)布置在出口：有壓隧洞。

優(yōu)點(diǎn)：洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門(mén)后通氣條件好，便于部分開(kāi)啟；工作閘門(mén)的控制結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，管理方便；隧洞線路布置適應(yīng)性強(qiáng)。

缺點(diǎn)：洞內(nèi)承受較大的內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，對(duì)巖體及大壩等建筑物的穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。實(shí)際工程中，常在進(jìn)口設(shè)事故檢修門(mén)，平時(shí)也可用于擋水。（3）工作門(mén)布置在洞身某一位置：門(mén)前為有壓洞段，門(mén)后為無(wú)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(mén)設(shè)在彎道后的直線段上。彎道為有壓，閘門(mén)后的直線段為無(wú)壓。②洞內(nèi)某處的地質(zhì)條件較出口處好，工作閘門(mén)布置在洞中，可以利用較強(qiáng)的巖體承受閘門(mén)傳輸?shù)乃畡?dòng)力。近年來(lái)不少泄洪洞采用這種布置，如：三門(mén)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(shí)任務(wù)與永久任務(wù)相結(jié)合的隧洞布置，不僅可以解決樞紐中單項(xiàng)工程過(guò)多而帶來(lái)的布置困難，還可以減小工程量，降低造價(jià)。但一洞多用隧洞必須妥善解決由于不同任務(wù)結(jié)合所帶來(lái)的一些矛盾問(wèn)題。封堵導(dǎo)流洞而改建的泄洪洞，可為無(wú)壓洞或有壓洞。由于導(dǎo)流洞高程較低，泄洪洞進(jìn)口可以較高，因此常在導(dǎo)流洞上方另設(shè)泄洪洞進(jìn)口，將其布置成“龍?zhí)ь^”形式；其進(jìn)口之后用拋物線段、斜坡段、反弧段與較低的洞身相連接。當(dāng)兩洞進(jìn)口之間巖體厚度較薄或巖石較差時(shí)，應(yīng)盡量將泄洪洞（永久建筑物）布置成直線，而將導(dǎo)流洞（臨時(shí)建筑物）進(jìn)口段偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，如：劉家峽導(dǎo)流洞進(jìn)口段偏轉(zhuǎn)32°，碧口偏轉(zhuǎn)14°。如果導(dǎo)流洞寬度較大，則需設(shè)擴(kuò)散段以解決其與泄洪洞的銜接。擴(kuò)散段應(yīng)設(shè)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(yīng)做好體形設(shè)計(jì)，控制施工質(zhì)量，設(shè)置適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施。1.導(dǎo)流洞與泄洪洞合一布置優(yōu)點(diǎn)：工程量小，工程進(jìn)度快，布置緊湊，管理集中。注意：應(yīng)保證各自的運(yùn)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(dāng)?shù)拇胧?，防止機(jī)組振動(dòng)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(fù)壓相對(duì)較小，發(fā)電支洞回流強(qiáng)度弱，范圍也小。但泄洪時(shí)，由于洞內(nèi)流速加大，有效水頭降低，出力相應(yīng)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(wèn)題：

1）岔尖處流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生負(fù)壓和空蝕。

2）泄洪時(shí)對(duì)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(mén)開(kāi)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(huì)因出口斷面面積縮小而降低。為防止岔尖發(fā)生空蝕，當(dāng)主洞泄洪時(shí)孔口收縮比η≤0.85，支洞泄洪時(shí)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(wù)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(wèn)題是用水上的矛盾。泄洪與排沙隧洞合一。排沙洞進(jìn)口高程往往較低，施工期還可結(jié)合導(dǎo)流，導(dǎo)流完成后改建成泄洪排沙洞。但對(duì)于高水頭情況，在設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真研究高速含沙水流的沖蝕、磨損及消能問(wèn)題。六、進(jìn)口段的組成部分隧洞進(jìn)口段包括：進(jìn)水喇叭口、閘門(mén)室、通氣孔、平壓管、漸變段等。

1.進(jìn)水喇叭口位置：隧洞首部要求：①體形應(yīng)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(fù)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(shè)在泄水隧洞進(jìn)口或洞身中部的工作閘門(mén)之后。②設(shè)在檢修門(mén)和工作門(mén)之間。（2）作用：通氣孔在泄水隧洞的正常泄流、放空和充水過(guò)程中，承擔(dān)補(bǔ)氣和排氣任務(wù)，對(duì)改善流態(tài)，避免運(yùn)行事故起著重要作用。

①對(duì)工作閘門(mén)在各級(jí)開(kāi)度情況下承擔(dān)補(bǔ)氣，以降低門(mén)后負(fù)壓，穩(wěn)定流態(tài)，避免建筑物振動(dòng)和空蝕；②檢修時(shí)，在放空洞內(nèi)水流過(guò)程中補(bǔ)氣；檢修完成后，向工作門(mén)和檢修門(mén)之間充水時(shí)承擔(dān)排氣。（3）布置上須注意①由于通氣孔氣流速度大，其進(jìn)口必須與閘門(mén)啟閉機(jī)室分開(kāi)，以免在補(bǔ)氣、排氣時(shí)，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(shè)攔污柵。當(dāng)需要攔截水庫(kù)中較大浮沉物時(shí)，可在進(jìn)口設(shè)固定柵梁或粗?jǐn)r污柵。引水發(fā)電的有壓隧洞進(jìn)口應(yīng)設(shè)細(xì)柵，以防污物阻塞和破壞閥門(mén)及水輪機(jī)葉片。4.漸變段、閘門(mén)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(yùn)行等條件。（1）城門(mén)洞形（圓拱直墻形）優(yōu)點(diǎn)：施工（開(kāi)挖、立模、襯砌）簡(jiǎn)單，無(wú)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(shí)φ＝90~120°。斷面寬高比：1~1.5，水深變化大時(shí)，采用較大值。1.無(wú)壓隧洞斷面型式（2）馬蹄形結(jié)構(gòu)：由三個(gè)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(shí)；采用掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)。（1）圓形斷面有壓隧洞一般采用圓形斷面。優(yōu)點(diǎn)：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(guò)流能力最大。（2）也可采用無(wú)壓洞的斷面形式適用：圍巖條件較好、內(nèi)水壓力不大時(shí)，為了施工方便，也可采用無(wú)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(hù)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(hù)面或抹平襯砌。采用砼、噴漿、砌石等，護(hù)面不承受荷載。作用：減小糙率，防止?jié)B漏，保護(hù)巖石不受風(fēng)化。適用：圍巖條件較好，水頭、流速較低的情況。優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，施工方便。對(duì)無(wú)壓洞，如巖石不易風(fēng)化，可只襯護(hù)過(guò)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(guò)襯砌計(jì)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(hù)；邊墻和底板：砼或鋼筋砼（無(wú)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(kāi)挖的隧洞。（4）預(yù)應(yīng)力襯砌適用：高水頭有壓隧洞。（5）洞身襯砌型式選擇應(yīng)根據(jù)隧洞任務(wù)、地質(zhì)條件、斷面尺寸、受力狀態(tài)、施工條件等因素，通過(guò)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(dāng)內(nèi)水壓力較大、圍巖較差時(shí)，可采用內(nèi)層為鋼板的雙層襯砌或預(yù)應(yīng)力襯砌。無(wú)壓泄洪隧洞：常采用城門(mén)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(jì)、快速的襯砌型式。不加襯砌：當(dāng)圍巖狀況很好時(shí)，對(duì)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(yīng)小于地應(yīng)力的最小主應(yīng)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(kāi)挖斷面，因此是否采用不襯砌隧洞，應(yīng)由技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(yīng)力，可能產(chǎn)生裂縫。③當(dāng)隧洞穿過(guò)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(shí)，可能由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫。（1）施工縫（臨時(shí)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(shè)在頂拱、邊墻及底板分界處，或設(shè)在內(nèi)力較小部位。要求：進(jìn)行鑿毛處理或設(shè)插筋，以加強(qiáng)整體性。（2）伸縮縫（永久縫）

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

設(shè)置部位：①通過(guò)斷層破碎帶或軟弱帶，襯砌加厚的厚度突變處。②洞身與進(jìn)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(shè)止水，填瀝青油氈或其他填料。實(shí)際工程中，橫向施工縫、沉降縫、伸縮縫等，應(yīng)盡量結(jié)合在一起布置。七、水工隧洞出口段及消能設(shè)施

1.無(wú)壓隧洞出口段僅設(shè)門(mén)框，以防洞