1、第八章水工隧洞1 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 水工隧洞的出口段及消能设施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和荷载组合9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计 10 地下厂房的布置和支护型式1.概述第八章水工隧洞发电引水隧洞泄洪隧洞泄水隧洞施工导流隧洞排沙、放空隧洞一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型用途进口建筑物：控制水流洞身：岩体内开挖而成出口建筑物：消能有压隧洞无压隧洞一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型组成流态第八章水工隧洞1. 概述一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型第八章水工隧洞1. 概述一、水工一、
2、水工隧洞的隧洞的类型类型泄水隧洞的种类第八章水工隧洞1. 概述一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型陆浑泄洪洞第八章水工隧洞1. 概述一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型毛家村泄洪洞第八章水工隧洞1. 概述一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型刘家峡泄水隧洞第八章水工隧洞1. 概述一、水工一、水工隧洞隧洞的类型的类型走马庄泄水隧洞第八章水工隧洞1. 概述（1）水力特点：深式进口、高速水流、闸门振动。能量集中下游冲刷。（2）结构特点：开挖变形甚至崩塌、临时支护和永久性衬砌、内水、外水压力。（3）施工特点：断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件较差，施工进度控制整个工程的工期。二二、水工、水工隧洞隧
3、洞的的特点特点第八章水工隧洞1. 概述比较有压洞与无压洞的断面特点、水流特性、优缺点、闸门位置及应用范围。作业作业第八章水工隧洞1. 概述水利枢纽中的泄水隧洞主要包括下列三个部分：（1）进口段进口段。位于隧洞进口部位，用以控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段等。（2）洞身段洞身段。用以输送水流。一般都需进行衬砌。（3）出口段出口段。用以连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门框，压力泄水隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。一、一、水工隧洞的组成水工隧洞的组成第八章水工隧洞2. 水工隧洞的布置1、结构（Structure）地下建筑物围岩即是荷载又是承载物围岩的变形有时间效应水对隧洞
4、的影响2、水力学（Hydraulics）低水位可以工作超泄能力低一般流速大，注意空蚀水工隧洞的工作条件二、水工隧洞的布置二、水工隧洞的布置3、施工（Construction）断面小、洞线长、施工条件差施工进度控制工程进度时间效应第八章水工隧洞2. 水工隧洞的布置5#5#施工支洞施工支洞进 厂 交 通进 厂 交 通洞洞6#6#施工支洞施工支洞7#7#施工支洞施工支洞尾水洞尾水洞引水洞引水洞主厂房主厂房主变室主变室4#4#施工支洞施工支洞尾闸室尾闸室3#3#施工支洞施工支洞1#1#施工支洞施工支洞尾闸交通洞尾闸交通洞2#2#施工支洞施工支洞典型布置I:表面溢洪式泄洪洞用明流隧洞代替溢洪道保证是急流
5、二、水工隧洞的布置二、水工隧洞的布置第八章水工隧洞2. 水工隧洞的布置第八章水工隧洞有压洞：Pressure Tunnel流态平稳压力大，减少空蚀明流洞：Free-flow Tunnel地质条件要求低水头可以很大2. 水工隧洞的布置二、水工隧洞的布置二、水工隧洞的布置典型布置II:深水式泄水隧洞第八章水工隧洞l地质条件：避开不利的地质构造l线路短、直，减少水头损失和工程量l隧洞埋深不宜太小，一般大于一倍洞径或洞宽l相邻隧洞保证一定距离，最好3倍洞径以上，起码1倍洞径l隧洞的坡度受水力学条件和施工影响l高流速隧洞的洞线有水平和竖向变化应注意水力学条件，必要时需进行水力学试验l考虑施工支洞，加快施
6、工进度2. 水工隧洞的布置洞线选择l工作闸门用来调节流量和封闭孔口，能在动水中启闭。l检修闸门进口、出口。l事故检修门在动水中关闭，静水中开启。l工作闸门 设在进口无压洞 设在出口有压洞 设在洞中前有压、后无压洞闸门在隧洞中的布置第八章水工隧洞2. 水工隧洞的布置l 1导流洞与泄洪洞合一布置l 2泄洪洞与发电洞合一布置l 3发电与灌溉隧洞合一布置l 4泄洪与排沙隧洞合一布置l 5发电与排沙隧洞合一布置二、水工隧洞的布置二、水工隧洞的布置多用途隧洞的布置第八章水工隧洞2. 水工隧洞的布置第八章水工隧洞塔式岸塔式竖井式斜坡式3.水工隧洞进口段一、进水口的型式和计算要点一、进水口的型式和计算要点塔式
7、进水口一、进水口的型式和计算要点一、进水口的型式和计算要点第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段封闭式塔式进水口一、进水口的型式和计算要点一、进水口的型式和计算要点第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段岸塔式进水口一、进水口的型式和计算要点一、进水口的型式和计算要点第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段竖井式进水口一、进水口的型式和计算要点一、进水口的型式和计算要点第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段斜坡式进水口一、进水口的型式和计算要点一、进水口的型式和计算要点第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段二、进口段的组成部分二、进口段的组成部分进水喇叭口 第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段通气孔拦污栅渐变段闸门室平压管二、进口
8、段的组成部分二、进口段的组成部分其他第八章水工隧洞3.水工隧洞进口段第八章水工隧洞减少阻力，增加泄量减少磨损和空蚀，防止破坏分无压洞和有压洞4.水工隧洞的洞身段 一、洞身断面形式一、洞身断面形式无压洞的断面设计城门洞形：围岩压力小的情况马蹄形：围岩压力大的情况圆形：受力状况好，但施工困难，过水断面不经济一、洞身断面形式一、洞身断面形式无压隧洞的断面形式第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身段 断面尺寸根据泄量确定足够的超高，以保证明流状态保证施工要求闸墩大隧洞时采用多孔进水闸需要闸墩需要高度重视闸墩的影响尽可能采用单孔二、洞身断面尺寸二、洞身断面尺寸无压洞的体形设计I第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身
9、段 反弧段空蚀空化问题减少不平整度掺气槽、抗空蚀材料等等二、洞身断面尺寸二、洞身断面尺寸无压洞的体形设计II第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身段 溪洛渡衬砌后的导流洞净空断面18*20米(宽*高), 衬砌厚度为：1.0米-1.5米。世界上最大的导流洞.断面一般均为圆形，个别小规模的也有采用城门洞形或矩形断面尺寸的考虑要保证洞顶处在最不利的条件下，考虑脉动压力以后的水头不小于2m进水口一般为矩形采用椭圆曲线防止库水从闸门井串水尽量避免立轴漩涡二、洞身断面尺寸二、洞身断面尺寸有压洞的体形设计第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身段 二、洞身断面尺寸二、洞身断面尺寸有压洞的体形设计I方变圆的渐变段第八章水工
10、隧洞4.水工隧洞的洞身段 弯段半径大于5倍洞径弯段后保持5倍洞径的直线段出水口收缩比二、洞身断面尺寸二、洞身断面尺寸有压洞的体形设计II第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身段 三、洞身衬砌三、洞身衬砌衬砌分缝 第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身段 灌浆 回填灌浆充填衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，共同受力，以发挥围岩的弹性抗力作用，并减少渗漏。 固结灌浆加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证围岩的弹性抗力，减小渗漏。 三、洞身衬砌三、洞身衬砌第八章水工隧洞4.水工隧洞的洞身段 灌浆孔布置灌浆孔布置三、洞身衬砌三、洞身衬砌排水 无压隧洞排水布置图无压隧洞排水布置图第八章水工隧洞4.水工隧洞
11、的洞身段 我国国产的首台可伸缩式砼浇筑布料机首次在溪洛渡运用（国产第一台），设备价值约300多万，由业主供应施工单位使用。 我国国产的首台可伸缩式砼浇筑布料机首次在溪洛渡运用（国产第一台），设备价值约300多万，由业主供应施工单位使用。 洞内冷却机组。用于砼浇筑防裂的。 大型液压钻机5.水工隧洞的出口段及消能设施 有压泄水隧洞由于自由出流时，主流下跌，在出口段一定长度范围内洞顶易出现负压。有的圆形隧洞，出口段没有收缩，洞顶负压范围很大 一、一、出口段的体形出口段的体形第八章水工隧洞l 挑流消能l 底流消能l 窄缝挑流消能l 洞内突扩消能l 洞内旋流消能二、消能设施二、消能设施挑流消能 5.水工
12、隧洞的出口段及消能设施 第八章水工隧洞第八章水工隧洞底流消能 5.水工隧洞的出口段及消能设施 一、出口段的体形洞中突扩消能 一、出口段的体形第八章水工隧洞5.水工隧洞的出口段及消能设施 螺旋流沿流程均匀消能螺旋流在消能室中集中消能；按消能工结构可分为: 旋流式竖井消能 水平螺旋流消能。一、出口段的体形洞内旋流消能 第八章水工隧洞5.水工隧洞的出口段及消能设施 6.高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀 第八章水工隧洞l高水头泄水隧洞内，水流的流速很高，有的已达到50m/s以上。l高速水流现象：l水流脉动压力及脉动可能引起建筑物的振动，l水流的空化而产生的空蚀破坏l水流的掺气和冲刷等。水流脉动压力是
13、否诱发隧洞结构振动，应视脉动压力大小、频率特性、隧洞结构形状、尺寸和自振特性等因素设计中应做到水流的最小空化数大于其初生空化数。一、脉动压力、空化与空蚀 6.高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀 第八章水工隧洞泄洪洞的空蚀破坏1空蚀破坏区；2导流洞堵塞段黄尾泄洪洞掺气槽布置（单位：m）1掺气槽；2挑坎，高度从洞底至水平中心线以上3.8cm处，由7.6cm渐变到06.高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀 二、减蚀措施第八章水工隧洞石头河泄洪洞掺气槽布置（单位：m）1通气孔；2掺气槽图822 常用的掺气设施类型（a）掺气槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑坎跌坎式；（e）突扩突跌式石砭峪泄洪洞掺
14、气跌坎布置（单位：cm）1通气孔；2喷混凝土7.水工地下洞室的围岩稳定性 l 岩石的力学特性l 作用在水工隧洞上的荷载l 衬砌的结构计算岩石的变形特性与破坏形式7.水工地下洞室的围岩稳定性 第八章水工隧洞分类名称主要特征地下水活动稳定能力I稳定坚硬，大块，新鲜或微风化节理不发育几乎没有能长期稳定II基本稳定坚硬或中硬岩节理较发育，但连续性不强微弱较长时间维持稳定III稳定性差地质影响大的硬岩，影响较大中硬岩或影响较小的软岩显著局部塌落，短时间维持稳定IV不稳定有软弱夹层等强烈自稳能力差V极不稳定散体结构剧烈边挖边塌7.水工地下洞室的围岩稳定性 围岩的分类第八章水工隧洞zzyx)1(为岩体的泊松
15、比 称为侧压力系数 以自重作用为主的重力应力场以构造运动为主的构造应力场 一、岩体初始应力7.水工地下洞室的围岩稳定性 第八章水工隧洞预钻排孔防止岩爆1掌子面；2预钻排孔；3岩爆部位岩爆 一、岩体初始应力7.水工地下洞室的围岩稳定性 第八章水工隧洞弹塑性岩体中圆洞围岩应力分布二、围岩的应力集中7.水工地下洞室的围岩稳定性 第八章水工隧洞布置洞轴线时应尽量使之与最大水平应力相平行。应使洞轴线与主要节理、断层等有较大的交角（大于3040）以利洞室的稳定。 7.水工地下洞室的围岩稳定性 第八章水工隧洞在低应力区，围岩变形、失稳，具有自重塌滑的特征在高地应力区则表现为强烈挤压、塑性变形或产生岩爆现象。
16、在许多高地应力区，其最大主应力是水平向的，洞室轴线若和最大水平应力方向垂直，往往会产生严重的边墙变形和洞体失稳破坏。 7.水工地下洞室的围岩稳定性 三、围岩稳定分析 第八章水工隧洞弹性理论公式或有限元方法计算围岩应力，并与围岩的极限强度进行比较。 计算出无支护力时塑性区的半径R，近似判断是否失稳。 对洞室周边有可能塌落的岩块，可按块体平衡法进行分析 现场位移观测反馈分析，求得围岩应力及岩体力学参数，更好地控制围岩稳定。判断围岩稳定 7.水工地下洞室的围岩稳定性 三、围岩稳定分析 第八章水工隧洞湖北保康寺地坪水电站,引水隧洞出口段因地质问题,造成先后两次坍塌冒顶,后用管棚施工法艰难贯通。 8.水
17、工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 第八章水工隧洞基本荷载围岩压力衬砌自重设计洪水位时洞内的静、动水压力稳定渗流时的地下水压力特殊荷载校核洪水位时洞内的静、动水压力校核洪水位时相应的地下水压力温度荷载灌浆压力地震荷载一、一、荷载荷载围岩压力第八章水工隧洞围岩压力是在衬砌完成以后，围岩变形受到衬砌限制而作用在衬砌上的压力围岩压力的估算：I类岩石：一般可以不计围岩压力II、III类岩石：(0.10.2)BIV类围岩：普氏理论V类：不宜修建也可以按经验公式计算8.水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 一、一、荷载荷载第八章水工隧洞围岩的弹性抗力是衬砌受力朝向围岩变形，围岩对衬砌呈现出的一种被动抗力。 弹性抗力p可以
18、近似地表示为与衬砌表面外法线方向的位移y (cm) 成正比，即p=Ky，此外，K为弹性抗力系数（kN/cm3）围岩的弹性抗力8.水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 一、一、荷载荷载表82 岩石抗力系数表岩石坚硬程度代表的岩石名称节理裂隙多少或风化程度单位岩石抗力系数K0（kN/cm3）无压隧洞的岩石抗力系数K*（kN/cm3）坚硬岩石石英岩、花岗岩、流纹班岩、安山岩、玄武岩、厚层矽质灰岩等节理裂隙少新鲜102025节理裂隙不太发育微风化5101.22节理裂隙发育弱风化350.51.2中等坚硬岩石砂岩、石灰岩、白云岩、砾岩等节理裂隙少新鲜5101.22节理裂隙不太发育微风化350.81.2节理裂隙发育
19、弱风化130.20.8较软岩石砂页岩互层、粘土质岩石、致密的泥灰岩等节理裂隙少新鲜250.51.2节理裂隙不太发育微风化120.20.5节理裂隙发育弱风化小于1小于0.2松软岩 石严重风化及十分破碎的岩石、断层破碎带等小于0.5小于0.1rKK0100r注 ： 本表不适用于竖井以及埋藏特别深或特别浅的隧洞。 表列数据适用于H1.5B的隧洞断面，H和B分别为隧洞的开挖高度和宽度。 单位岩石抗力系数K0值一般适用于有压隧洞，洞壁岩石抗力系数K值，可根据下式确定：为隧洞开挖半径，以cm计。 无压隧洞的K*值仅适用于开挖宽度为510m的隧洞。当开挖宽度大于10m时，K*值应适当减小。第八章水工隧洞内水
20、压力8.水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 一、一、荷载荷载级 别12345地下水活动状态洞壁干燥或潮湿沿结构面有渗水或滴水沿裂隙或软弱结构面有大量滴水、线状流水或喷水严重滴水，沿软弱结构面有小量涌水严重股状流水，断层等软弱带有大量涌水值00.200.100.400.250.600.400.800.651.00第八章水工隧洞地下水位线以下的水柱高乘以折减系数作为外水压力的计算值。 外水压力8.水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 一、一、荷载荷载第八章水工隧洞衬砌自重水压力渗透压力：水头折减系数温度荷载：一般依靠构造措施灌浆压力地震荷载8.水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 一、一、荷载荷载其他第八章水工地下洞室
21、基本荷载组合设计洪水工作闸门关闭设计洪水闸门全开设计洪水检修闸门关闭，工作闸门开启特殊荷载组合校核洪水闸门开启设计洪水遇地震施工期8.水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 二二、荷载组合荷载组合9.水工隧洞的衬砌计算与支护设计 （自学）第八章水工隧洞结构力学Structural Mechanics方法弹性理论Elastic Theory方法有限元Finite Element方法第八章水工隧洞选取代表性断面设计内力组合的考虑最大内水压力最小外水压力最大外水压力应力分布不均匀，按段配筋限制混凝土裂缝9.水工隧洞的衬砌计算与支护设计 （自学）一、衬砌设计一、衬砌设计喷锚支护是喷混凝土支护和锚杆支护的总称锚杆的工作原理与构造二、喷锚支护二、喷锚支护楔缝式锚杆楔缝式锚杆锚杆支护的工作原理锚杆支护的工作原理第八章水工隧洞9.水工隧洞的衬砌计算与支护设计 （自学）喷混凝土支护的工作原理为加强支护效果，可以在锚杆基础上采用挂钢筋网喷混凝土支护，钢筋网与锚杆用焊接喷锚支护的糙率大，要求采用光面爆破控制起伏差允许流速建议小于8m/s二、喷锚支护二、喷锚支护冲切破坏示意图冲切破坏示意图第八章水工隧洞9.水工隧洞的衬砌计算与支护设计 （自学）三臂钻孔台车在隧洞内作业
