涵洞与隧洞

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1、第七章 水工隧洞与坝下埋管第一节 概述一、水工隧洞得类型 分类方法：按功用分、按受力状态分。(一) 按功用分：(1) 泄洪(2) 引水：发电、灌溉、供水；航运输水。(3) 排沙(4) 放空水库(5) 施工导流(二) 按受压状态分：1(1) 有压：水力计算、管流计算I在工程布置1受力情况(2) 无压：明渠流计算J运行条件上差别较大。(同一条洞前段有压，后段无压) 禁忌：明满流交替 危害：( 1 )易引起振动、空蚀。(2)影响泄流能力。 具体道一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。二、水工隧洞得工作特点( 1 ) 水力特点：深泄水孔：a泄水能力于H1/2成正比。B 进口位置低，

2、能预泄。C 承受得水头较高，易引起空化、空蚀。D 水流脉动会引起闸门等振动。E 出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。( 2) 结构特点：a 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。B 承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。( 3) 施工特点： 隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。三、水工隧洞得组成主要包括下列三部分：( 1 ) 进口段( 2) 洞身段( 3 ) 出口段四、水工隧洞得布置及线路选择(一) 总体布置及线路选择1总体布置( 1) 应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。( 2) 在合

3、理得选定洞线得基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口得位置及进口 结构形成，确定闸门在洞口中得位置。( 3) 确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。( 4) 根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间得相互关系，选定出口得位置，底扳 高程及消能方式。（二）线路选择 选线室设计中得一个至关重要得问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运 行可靠性等方面。（1） 隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，渗流 量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。（2） 洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，方便施工、减少水头损 失，便于施工。必须转弯时，其直线半

4、径不宜小于5倍得洞径或洞宽，转角不宜大于600弯道 两端得直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）（3）隧洞应有一定得埋藏深度。（4）隧洞感的纵坡，应根据水利条件运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等 因素综合分析比较后确定。（5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、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。（6）要考虑进出口于其它建筑物的关系：如果水库所建的坝时土石坝，则进口应距离坝坡50M以上，出口应距离坝坡100M 以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞，为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电 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

5、沙漏斗范围内。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。 每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示： 平面图表示出：地形、隧洞和其它建筑物的关系，进口位置、闸门位置、施工旁洞、 竖井、堆渣地点等。纵剖面图表示出：地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，以及进出口及闸门位置、 底坡的坡率、洞底高程。（三）闸门在隧洞中的布置 泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门） 1 检修门：设在进口 2工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。（1）布置在进口：一般为无压洞也可以是有压洞。（平时利用闸门挡水，保持洞内无水）（2）布置在出口：有压洞。（3）布置在洞身某一位置A 由于

6、地形、地质、施工和枢纽布置1 的原因，隧洞线路需要转弯，闸门室易 布置在转弯段后的直线段上。B 洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受 闸门传输的水动力。（ 四） 多用途隧洞的布置一洞多用，或临时任务与永久任务相结合 这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置1 的困难。 1泄洪洞与导流洞合一布置常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头”式泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，为了避免空蚀， 应做好体形设计，控制施工质量。限制不平跨度，并选用适当的掺气减蚀措施。 2泄洪洞与发电洞合一布

7、置布置型式：存在问题：1）岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压合空蚀。2）泄洪时堆发电不利。3泄洪洞与排沙洞合一布置 排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。 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，闸门不易开启第二节 进出口段建筑物、形式及计算要点 按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式。适用条件优缺点计算要点竖井式：地质条件好 地形适宜 干井一弧门 湿井一平门优：结构简单、不受风浪、水 的影响，抗震及稳定好，地形 条件适宜时，工程量较小。缺:竖井前的一段隧洞检修不 便。沿井的不同高度，截取断面， 按单位高度的封闭或框架进 行分析。塔式：岸坡低缓，

8、岩石破碎 或覆盖层较厚。优：对于取水用的封闭塔，可 在不同咼程设置取水口，取用 上层温度较咼的清水。缺：受风浪、地震、冰的影响 大，稳定性相对较差，需要工 作桥与库岸相连。塔身时直立的悬臂结构，需计 算塔身的抗倾、抗滑稳定。按 封闭框架计算单位的高度的 横断面的水平应力，按悬臂计 算铅直应力（将立体框架简化 成平面问题计算）岸塔式：岸坡较陡，岩石比 较坚固稳定。优：稳定性比塔式好，施工、 安装比较方便，无须接岸桥 梁。缺：受风浪、冰、地震优一定 影响。基本方法同塔式，另外应考虑 塔背是否作用有岩石压力。斜坡式：完整的岩坡，地形 适宜，闸门及拦污栅的轨道 直接安装在斜坡的护砌上。优：结构简单，施

9、工、安装方 便，稳定性好，工程量小。缺：闸门面积加大，关门时不 易靠自垂下降。、进口段的组成部分： 包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。（一）进水喇叭口位置：在隧洞的首部要求：其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。 避免产生不利的负压合空隙破坏。 减少局部水头损失，以提咼泄流能力。体型：常采用矩形断面，顶板和边墙顺水流方向三面收缩，平底。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：x2y 2+ = 1 a 2b2式中：a 长半轴顶板约等于闸门处的孔口高度（H）边墙约等于闸门处的孔口宽度（B） b短半轴顶板：H/3边墙：（ 1/31/5） B 对于重要的

10、工程，进口曲线，应通过水工模型试验确定。 无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常式一段倾斜的椭圆曲线，以便与检修闸 门和工作门之间的顶板衔接，此顶板以1： 41： 6的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防 止发生空蚀。检修门槽前的入口段长度可控制在（0。81。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：收缩断面进一步改善进口的压力分布 和水流流态）。（二）通气孔1. 位置：设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。设在检修门和工作门之间。2. 作用： 工作闸门在各级开度情况下：补气 检修时：补气。 检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平压，此

11、时排气。3. 布置上注意点： 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。VW4045m/s 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。4. 通气量的计算及通气孔设计 通气孔应按正常的泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。 通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。目前多采用一些经验公式或半经验公式。对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔：Q = 0.09V AawQaV aA隧洞断面积对于高水头大型工程中重要闸门后的通气孔（无压隧洞或管道）式中：9 风速系数，取0。6aB闸门处孔口宽度（M） a通气孔断面面积L 闸门后的

12、隧洞的长度aV 闸门孔口处的水流流速，m/sowA 闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（m2）,通常AvO.3AaaA闸门后的隧洞或管道断面积计算的先假定a、求得Q后，再以V = Qa，验算V，确定其是否超过允许风速aa aaV 1，显然b b，这表明衬砌内壁的切向应力恒大于外壁的切向应力.当不考虑 r. e.弹性抗力时，即K0 =0,则A=l.如果1。围岩厚度大于3倍开挖洞径衬砌计算只考虑2. fK 61混凝土衬砌洞径D6时内水压力求混凝土的衬砌厚度在821式中泠泠b. = -hi混凝土允许轴心抗拉强度。Rb =卜hi KiRl 抗拉极限强度K 抗拉安全系数i解出 t 得：t2b + Phlb

13、 - Phirh t = e = 1 + rrii:b + Ph = r -Ahi 一 -1Tb - p1hl823）（823）式存在缺点：当b h与P的数值逐渐接近时，h逐渐扩大到不合理程度。Q T p时，h T 8hlQ p时，h为虚数hl为了不使混凝土衬砌过厚，对坚固岩体内的混凝土衬砌，一般限制水头不大于20m，超过时，宜用钢筋混凝土。bi混凝土应力校核：bet 2 + A=p bt 2 Ahl1 + A=p bt 2 Ahl除内水压力外，还有其它的荷载作用，计算各种荷载单独作用时产生的轴向力和弯矩，再 按下式校核混凝土衬砌的切向拉应力：工M 工Nb =b -i WeFRQ =i-hl

14、Ki式中：W抗力矩（学）6F断面积，即F=bh如需求出在均匀水压力作用下的断面内力，可先算b.、b i然后近似按直线分布，求出轴向拉力N和弯矩。b + bN = ieh2hh“bl (b ib e ) h(2 3)Y23 钢筋混凝土衬砌用b 代替b即得:ghhlgh + P -1h = r Agh P825)b gh衬砌边缘应力钢筋混凝土的允许轴心抗拉强度826)Ft 2 + Ap b F12 AghnF沿洞线1m长衬砌混凝土的纵断面面积。F F 中包括钢筋在内的折算面积。 n混凝土设计抗裂强度抗裂系数如果(825)式中，求出h为负值，或小于结构的最小厚度时，则应采用结构的最小厚度，钢筋采用最

15、小配筋率，对称配置。(二)其它荷载作用下的内力计算1. 考虑弹性抗力的内力计算(1)基本假定和计算方法.如果围岩较好,在围岩压力、衬砌自重、无水头洞内满水 压力作用下，应考虑弹性抗力的存在。根据研究，约在顶拱中心角90 0范围以下部分， 衬砌变形指向围岩，作用有弹性抗力(如图829)，其分布规律为兀兀甲 一,Ko = - Ko cos2 42=KO sin2 申 + KO cos2 申ab兀 k,K兀2其中K、K分别为申=三,申=兀 处衬砌受到的弹性抗力。a b 2现以铅直围岩压力为例，说明内力的计算方法和步骤829 (d)。自洞顶切开，引刚臂至圆心，亦即弹性中心，由于荷载及结构左右对称，故切

16、力X二0。取一半计算，力法方程为3X O +A =01o11 1p 0( 827)X O + A 02 22 2 pA 、 A 都包含有特定的 O , O ，解之得1 p 2 p a b828)X1 f1(O ,O )1 1 a bX 2 f2 (O ,O )2 2 a b根据向下的总荷载与向上的弹性抗力合力相平衡(E y 0)及在x,X和外力作12兀用下，申-处的变位应为O的两个补充条件，可以解得0 ,0。将0 ,0代入公2 a a b a b式(828)，即可求出 X ,X ，从而可解出各断面的弯矩和轴向力。计算中忽略了12轴向力对压缩变形的影响以及衬砌与围岩间的摩擦力，弯矩M以内缘手拉力

17、为正， 轴向力N以受压为正。3) 各种荷载作用下的内力计算。按上述方法，可求得圆形隧洞衬砌在各种荷载作用下考虑 弹性抗力时的内力计算公式。关于在各种荷载作用下，圆形衬砌各断面的弯矩和轴力有现成的解答。(弯矩以衬砌内 缘受拉为正，轴力以受压为正) 铅直山岩压力作用下的内力计算(计算简图见前页)X qrr 0.375a - 0.125 + 0.0140n(1 + a)1eX qr 0.2121(a -1)+ 0.0210(1+ a)2e829)M 二 qrr Aa + B + cn(1 + a)eN 二 qr Da + F + Gn(l + a)e式中符号见书系数A、B、C、D、F及G查表。 衬砌

18、自重作用下的内力计算X 二 gr2(0.17803 + 0.04392n)X 二 gr(-1 + 0.06592n)26M 二 gr2(A + Bn)11N = gr(C + D n)11glm衬砌的重量，衬砌厚度为h时，则g = hYc丫 一一混凝土的容重，系数见表。c 无水头洞内满水压力作用下的内力计算X =yrr (-0.41098 + 0.02197n) 1eX =yr (-0.58335 + 0.03294n) 2eM = yr2 r(A + B n)i 2 2N = yr 2 (C + D n)i2M = gr 2 ( A + B n)11N= gr(C +Dn)11g1m衬砌的重

19、量，衬砌厚度为h时，则g = hycy 混凝土的容重，系数见表。c 外水压力作用下的内力计算1 ) 不考虑内水压力时I)当兀r 2 y 2(qr + 兀gr)时ee(衬砌所受的浮力 2（qr +兀gr）时，应按不考虑弹性抗力的公式计算内力，表89ee中第五项兀r2eY 2（qr +兀gr）条件下的公式。ee2） 当荷载组合中包括内水压力a 当荷载组合中包括内水压力，浮力通常小于自重，计算外水压力作用下不受兀r2eY 2（qr +兀gr）条件的限制，ee（实际这个条件已不存在，满洞内水重量+衬砌自重浮力，此处尚未计入山岩 压力） 迭加后衬砌变形指向围岩，弹性抗力为止，因此都要计算弹性抗力。B 当

20、均匀内水压力 P 和均匀外水压力组合时yh r如Pr yh r，.以P作为均匀水压力，不再计算均匀外水压力产生时的内力。i w eriPr如 Pr yh r，以 yhj作为均匀外水压力，计算内力，不再计算均匀内水压力所i w e w r e产生的内力。2不考虑弹性抗力时的内力计算 对外水压力很大时，或岩石软弱，不考虑弹性抗力。 当岩石坚固系数的K 1.5时，不仅考虑弹性抗力；而且尚需计入侧向山岩压力的影响。K此时不计入弹性抗力但计地基反力（与其它荷载相平衡）并认为地基反力以余弦分布（见 上图）。作用范围：下半部与直径等宽。计算方法：同考虑抗力，只是更简单些 最大反力R 又工y =0即可求得。（

21、考虑弹性抗力时有S ,8两项）i a b 分布规律也简单些（此考虑弹性抗力时）（三）隧洞衬砌设计中的几个问题1水工隧洞沿线的地质条件及计算参数常是变化的，内、外水压力同样也随断面位 置的不同而不同。要使衬砌设计达到安全和经济的目的，应当根据变化情况将隧洞沿 轴线分成若干段落，分段进行设计。2一般有压隧洞的内水压力是主要的荷载，当内书一压力较大时，断面多属小偏心 受拉情况，可布置同一直径的环向受拉钢筋。但如洞径、围岩压力均较大，而内水压 力相对较小时，包括无压隧洞，断面内的正负弯矩变化较大，应力分布很不均匀。此 时，应按应力分段配筋，将几段不同直径的环向钢筋焊轧起来。3 目前工程设计中，在设计钢

22、筋混凝土，混凝土衬砌时，有控制抗裂稳定性和允许 开裂而限制裂缝开展宽度两种不同的考虑和要求。对于无压隧洞和围岩较厚而渗水不 会对附近围岩、岸坡和建筑物产生有害影响的有压隧洞，可按允许开裂限制裂缝开展 宽度设计。否则应按控制混凝土的抗裂稳定性要求设计。按限裂设计，裂缝的最大允 许值，根据水力梯度和水质有无侵蚀性，一般限制在0.150.30mm。限裂设计可以大量节省混凝土和钢筋用量，而对混凝土的耐久性和钢筋的锈蚀不会产生影响，所以， 目前在水工隧洞设计中已广泛应用。4对高水头的有压 隧洞，当围岩条件较差，单层衬砌需要的厚度过大时，可采用 外层为混凝土或钢筋混凝土，内层为钢板的组合式双层衬砌。我国冯

23、家山水库有压泄 洪洞出口段图88 （g）、图813 （a）及西南地区一些高压引水道斜井均采用这种 衬砌。如外层混凝土不开裂，且围岩有一定承载能力时，内水压力将又内层衬砌、外 层混凝土和围岩共同承受，设计中只要能求出内、外层衬砌之间的均布压力计算。如 外层混凝土开裂，外层衬砌只起向围岩 传力的作用，而内水压力将由内层和围岩来承 担，但应考虑混凝土受压后径向压缩的影响，外层衬砌厚度可按施工要求或按施工期 荷载用单层衬砌计算确定。因此，双层衬砌计算的主要问题，在于确定在内水压力作 用下两层衬砌之间的作用力，其值可根据外层内边缘和内层外边缘径向变位一致的条 件来确定。第五节 喷锚支护一、喷锚支护的类型

24、及适用条件 定义：喷锚支护是喷混凝土、设置锚杆式联合使用喷混凝土与锚杆支护的总称。有时还加钢筋 网。（根据工程情况、地质条件选用）优点：节省三材，降低造价，减轻劳动强度，缩短工期，与常用衬砌比较：支护快、顶部紧帖 柔性大、糙率大。在水利水电工程中的应用；1 施工期临时支护及导流隧洞等临时工程2. 永久性：无压隧洞的顶部部分有压隧洞的低水头、低流速类型： 喷锚支护：喷锚支护与围岩共同工作，改善支护工作条件，也加固了围岩。喷了混凝土， 隔绝围岩与大气的接触，堵塞渗水通道，给围岩的自身稳定性创造了有利的条件。 锚杆支护（节理发育的围岩常采用）：利用锚杆将松动岩体或较软弱岩体联结在稳定的岩 体上。 喷

25、混凝土+锚杆支护：用于强度不高或完整性很差的岩层。 喷混凝土+锚杆+钢筋网支护：对于软弱的不良地质岩层的喷锚支护中，一般加设钢筋网以 承受拉应力，提高喷混凝土层的强度，并减少温度裂缝。二、喷锚支护的工作原理及计算方法 原理：岩体中开挖洞室后，破坏了原有岩层的平衡状态，洞室附近应力分配，并有、向临空面 产生位移。当围岩应力不超过弹性极限时岩体是稳定的；当围岩应力超过此极限强度时，这个 区域内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区（日松弛区）。由于塑性影响，在洞壁处应力减小而在 深处应力增大，并认为在该塑性区内形成一个承重圈，有一定承受周围岩石的能力（即自承作 用），如能及时进行支护，给岩体以反力，阻止其

26、变形的发展，防止坍塌，保持围岩稳定。 要求：喷锚支护与围岩紧密贴接既有一定刚度，又有一定柔性。计算方法：1. 危石理论的计算方法：节理、裂隙、裂缝切割围岩的块体。块体间相互咬合主动力：为岩体重量，阻“掉”力：为咬合力 按“冲切”破坏（喷锚情况）KG KGhu0 T u0式中： T 喷混凝土抗剪强度0K安全系数u 危石边长G危石重h 喷层厚度 按粘结破坏（撕开）（喷混凝土情况）h 3.65（-）笃（）13R u E粘式中：R粘喷混凝土计算黏结强度K危石弹性抗力系数E喷混凝土的弹性模量 悬吊理论（锚杆不拉断）（喷锚联合）可能坠落的岩体重量=锚杆承受的拉力KS 2 h Y =兀（da ）2 RB 2

27、 a式中：S锚杆的间距（米）R 锚杆的抗拉强度（kg /cm2）a丫岩石容重da锚杆的直径（cm）K安全系数，可用1.5。h松动圈的厚度（m）B锚杆锚入稳定岩体的长度rKyh S 2L =B2100KdaTT 锚杆与沙浆间的黏结力（kg/cm2），光面钢筋36kg/cm2、螺旋钢筋72kg/cm2。锚杆总长度L 二 L + Kh + L1 B 2L 外露长度（m）,约为喷混凝土层的厚度，并可作为固定钢筋网之用。1缺点：1。未反映支护的整体作用。2 未反映应力场的调整 3 分析危石困难2组合拱理论： 认为衬砌与围岩共同承受山岩压力 根据不同岩层决定山岩压力 按组合拱计算 M、Q、T缺点：不是M、

28、Q、T作用的内力破坏，与实际有差异。4 剪切破坏理论：奥地利 赖伯塞佳“剪切破坏理论”认为剪切破坏是唯一的形式，地层压力采用弹塑性 理论计算。以上理论，尚处于探索、研究阶段，计算方法不尽完全合理，工程设计中大都采用类比法 和进行某些粗略计算。水工隧洞中喷锚支护的几个问题1 锚喷衬砌的承载能力锚喷衬砌的厚度一般只有模浇衬砌的1/31/4。 在隧洞进、出口等薄弱部位，担心开裂，内水外渗而造成失稳。规范规定，这些部位仍用 模浇混凝土。2糙率系数问题锚喷糙率系数比模浇混凝土大的多引水发电洞一水头损失（电能损失）只作施工稳定围岩用，泄水隧洞一易出现空蚀破坏卜另外加模浇混凝土。3. 抗冲刷能力问题-锚喷衬砌的厚度较薄、且表面粗糙，但规范仍规定v W8m/s4. 施工技术方法 重视开挖：光面爆破或预裂爆破避免过大地对围岩的扰动。最大限度保持围岩的稳定性，减小洞壁表面的起伏差，在此基础上喷锚支护，大大降低糙率（n）。