1、 5.6 5.6 高流速泄水隧洞的水流脉动压力高流速泄水隧洞的水流脉动压力 与空蚀与空蚀 5.75.7水工隧洞的围岩稳定性水工隧洞的围岩稳定性 5.85.8水工隧洞衬砌的荷载及组合水工隧洞衬砌的荷载及组合 5.95.9水工隧洞衬砌计算与支护设计水工隧洞衬砌计算与支护设计5.1 5.1 概述概述 一、水工隧洞的作用和类型一、水工隧洞的作用和类型 1. 1. 作用作用 （1 1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石头河，刘家峡；）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石头河，刘家峡；也可作为主要泄洪建筑物，例石砭峪。也可作为主要泄洪建筑物，例石砭峪。 （2 2）引水兴利：发电、灌溉、供水、航运、生态输水。）引水兴利：发电
2、、灌溉、供水、航运、生态输水。 （3 3）排沙：延长水库使用年限，有利于水电站等正常）排沙：延长水库使用年限，有利于水电站等正常运行。例三门峡左岸排沙洞，刘家峡的河口排沙洞。运行。例三门峡左岸排沙洞，刘家峡的河口排沙洞。 （4 4）放空水库：满足人防和检修。）放空水库：满足人防和检修。 （5 5）施工导流：例龙羊峡：）施工导流：例龙羊峡：151516m16m2 2；二滩；二滩20.520.525.525.5；黑河金盆；黑河金盆10101313。 2. 2. 类型类型 （1 1）按功用分：）按功用分：可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、放空可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、
3、放空和排沙洞、施工导流洞等。和排沙洞、施工导流洞等。 （2 2）按流态分：）按流态分： 有压：水力计算：按管流计算。有压：水力计算：按管流计算。 无压：明渠流计算。无压：明渠流计算。 、运行条件上差别较大，应避免出现时而有压时、运行条件上差别较大，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替流态。而无压的明满流交替流态。危害：（危害：（a a）易引起振动、空蚀。）易引起振动、空蚀。 （b b）影响泄流能力。）影响泄流能力。1. 1. 水力特点（进口位于水下）水力特点（进口位于水下） Q HQ H1/21/2，比表口超泄能力低，但进口，比表口超泄能力低，但进口位置低，可以提前预泄。位置低，可以提前预泄
4、。 H H较高，较高，P P较大，启闭力也就要大，止水较大，启闭力也就要大，止水要求严格。承受得水头较高，要求严格。承受得水头较高， v v较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起较大，易引起空化、空蚀，脉动会引起闸门振动。闸门振动。 q q出口较大，能量集中，需采取适当的防出口较大，能量集中，需采取适当的防冲设施。冲设施。二、工作特点二、工作特点2.2.结构特点（洞身处于地下）结构特点（洞身处于地下） 洞室开挖后，引起应力重分布，导致围洞室开挖后，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岩变形甚至崩塌，为此常布置临时支护和永久性衬砌。衬砌。 在运行期，承受较大内水压力的隧洞
5、，要在运行期，承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要的衬砌求围岩具有足够得厚度和必要的衬砌 3.3.施工特点施工特点 隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，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。施工条件差，工期较长。 例：冯家山例：冯家山12.6km12.6km；引大入秦工程的盘道岭；引大入秦工程的盘道岭洞长洞长15.7km15.7km；引黄南线；引黄南线7 7洞长洞长42.9km42.9km；昆明掌鸠；昆明掌鸠河、宁波白溪河、宁波白溪100km100km。 (1) (1)进口段进口段 控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门控制水流。包括拦污栅、进水喇叭
6、口、闸门室及渐变段等。室及渐变段等。 (2)(2)洞身段洞身段 输送水流。一般都需进行衬砌。输送水流。一般都需进行衬砌。 (3)(3)出口段出口段 连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门连接消能设施。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。框，压力泄水隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。三、水工隧洞的组成三、水工隧洞的组成一、水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置8.2 8.2 水工隧洞的布置水工隧洞的布置 1.1.总体布置总体布置 (1)(1)应根据枢纽承担的任务，对泄水建筑物进行总体规划。应根据枢纽承担的任务，对泄水建筑物进行总体规划。 (2)(2)在选定
7、洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，在选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及进结构形成，确定闸门在洞中的位置。选定进口位置及进结构形成，确定闸门在洞中的位置。 (3)(3)确定纵坡确定纵坡i i、横断面形状及尺寸。、横断面形状及尺寸。 (4)(4)根据地形、地质、尾水位等条件确定出口位置，底板根据地形、地质、尾水位等条件确定出口位置，底板高程及消能方式。高程及消能方式。 (5)(5)还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土
8、保持的要求。要求。2.2.线路选择线路选择 选线关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可选线关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。靠性等方面。 (1)(1)隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造、围岩可能围岩可能不稳定及地下水位高不稳定及地下水位高、渗流量丰富得地段，以减少作用于渗流量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。衬砌上得围岩压力和外水压力。 (2)(2)在平面上应力求短、直，这样既可以减少工程费用，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。方便施工、减少水头损失，便于施工。 转弯时转弯
9、时: : 当当v v20m/s20m/s，R5BR5B（5D5D）；）； 当当v v20m/s20m/s，R3BR3B（3D3D）。）。 转角转角60o60o。 弯道两端得直线段弯道两端得直线段S5BS5B（5D5D）。）。 (3)(3)隧洞应有一定得埋藏深度隧洞应有一定得埋藏深度 进、出口：顶部岩体厚度进、出口：顶部岩体厚度1B1B（1D1D）。）。 有压隧洞洞身，围岩厚度有压隧洞洞身，围岩厚度3D3D。工程经验：。工程经验： 衬砌：围岩厚度衬砌：围岩厚度T0.4HT0.4H（H H为内水压力水头）；为内水压力水头）； 不衬砌或锚喷：围岩厚度不衬砌或锚喷：围岩厚度T1.0HT1.0H，应满足
10、不发生渗流失稳，应满足不发生渗流失稳和水力劈裂的要求。和水力劈裂的要求。(4)(4)纵坡纵坡: :应根据水利条件运用要求、用途、上下游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。衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。无压洞：无压洞：i iikik。有压洞：取决于进口高程和出口高程，要求保持不有压洞：取决于进口高程和出口高程，要求保持不小于小于2m2m的压力水头。不宜采用平坡或反坡，因其不利于检的压力水头。不宜采用平坡或反坡，因其不利于检修排水。修排水。施工：有轨运输施工：有轨运输i=3i=355，但，但i10i10； 无轨运输无轨运输i=3i=31515，
11、最大，最大i20i20。 (5)(5)对于长隧洞，应利用地形、地质条件、布置一些对于长隧洞，应利用地形、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。施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。例引滦入津工程在例引滦入津工程在9.68km9.68km的引水隧洞中布置了的引水隧洞中布置了1515个斜支个斜支洞、洞、4 4个竖井。个竖井。9680/20=484m9680/20=484m。 二、闸门在隧洞中的布置二、闸门在隧洞中的布置 一般布置工作闸门，检修闸门两道门（或事故闸门）。一般布置工作闸门，检修闸门两道门（或事故闸门）。1.1.检修门：一般设在进口，有时也设在出
12、口。检修门：一般设在进口，有时也设在出口。例刘家峡泄洪洞例刘家峡泄洪洞P386P386图图8-28-2（a a）。）。 事故检修门：大、中型工程为满足发电事故的需要。事故检修门：大、中型工程为满足发电事故的需要。 2.2.工作门：可以布置在进口、出口或隧工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。洞中某一位置。 （1 1）设在进口：一般为无压洞。）设在进口：一般为无压洞。优点：检修门和工作门都在首部，运行管理方便；洞内无优点：检修门和工作门都在首部，运行管理方便；洞内无压，有利于山坡稳定；易于检查和维修。压，有利于山坡稳定；易于检查和维修。缺点：如体形设计不当或施工质量不良，流速大的部位会缺
13、点：如体形设计不当或施工质量不良，流速大的部位会发生空蚀。冯家山、流溪河。发生空蚀。冯家山、流溪河。 （2 2）布置在出口：有压洞。）布置在出口：有压洞。 优点优点：洞内流态平稳；门后通气条件好，便于部分开：洞内流态平稳；门后通气条件好，便于部分开启；工作闸门的控制结构也较简单，管理方便；隧洞线路布启；工作闸门的控制结构也较简单，管理方便；隧洞线路布置适应性强。置适应性强。 缺点缺点：洞内经常承受较大的内水压力，一旦衬砌漏水，：洞内经常承受较大的内水压力，一旦衬砌漏水，对岩坡及土石坝等建筑物的稳定将产生不利影响。对岩坡及土石坝等建筑物的稳定将产生不利影响。实际工程中，常在进口设事故检修门，平时
14、也可用以挡水。实际工程中，常在进口设事故检修门，平时也可用以挡水。 （3 3）布置在洞身某一位置）布置在洞身某一位置 由于隧洞线路平面上需要转弯，工作闸门室设在转由于隧洞线路平面上需要转弯，工作闸门室设在转弯后，弯道为有压，直线段为无压。例三门峡排沙、泄洪弯后，弯道为有压，直线段为无压。例三门峡排沙、泄洪洞；东江右岸泄洪洞；碧口岸泄洪洞。洞；东江右岸泄洪洞；碧口岸泄洪洞。 洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在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。洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水动力。 1.1.泄洪洞与导流洞合一布置泄洪洞与导流洞合一布置
15、常作成常作成“龙抬头龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、式，在进口之后用抛物线段、斜坡斜坡段、及反弧段与较低的洞身相连接。段、及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头龙抬头”式式泄泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空洪洞，一般式水头高，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工质量。限制不平跨度，并选用适当的掺气减蚀措施。如：刘家峡、碧口、石头河、毛家村等工程施。如：刘家峡、碧口、石头河、毛家村等工程三、多用途隧洞的布置三、多用途隧洞的布置2.2.泄洪洞与发电洞合一布置布置型
16、式泄洪洞与发电洞合一布置布置型式 主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞发电（岔洞发电）。洞内流主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞发电（岔洞发电）。洞内流态较好，岔尖附近的负压相对较小，发电支洞回流强度弱，范围态较好，岔尖附近的负压相对较小，发电支洞回流强度弱，范围也小。但泄洪时，由于洞内流速加大，有效水头降低，出力相应也小。但泄洪时，由于洞内流速加大，有效水头降低，出力相应减小。减小。 主洞发电、支洞泄洪。主洞发电、支洞泄洪。存在问题：存在问题： 1.1.岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀。岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀。 2.2.泄洪时对发电不利。分岔角一般在泄洪时对发电不利。分岔角一
17、般在30306060之间。之间。 当主洞泄洪时：当主洞泄洪时：0.850.85；支洞泄洪：；支洞泄洪：0.70.7。（指泄洪的主洞或支洞，指泄洪的主洞或支洞， ） 洞身出口 3 3其他任务隧洞的合一布置其他任务隧洞的合一布置 发电与灌溉洞合一。发电后的尾水用于发电与灌溉洞合一。发电后的尾水用于灌溉。主要问题是用水上的矛盾。灌溉。主要问题是用水上的矛盾。 泄洪与排沙隧洞合一。由于排沙洞的进泄洪与排沙隧洞合一。由于排沙洞的进口高程较低，施工期还可结合导流，导流完口高程较低，施工期还可结合导流，导流完成后改建为泄洪排沙洞。但对于高水头情成后改建为泄洪排沙洞。但对于高水头情况，在设计中需要认真研究高流
18、速含沙水流况，在设计中需要认真研究高流速含沙水流的冲蚀、磨损及消能问题。的冲蚀、磨损及消能问题。8-3 8-3 隧洞进口段隧洞进口段一、进口型式及计算要点一、进口型式及计算要点1. 1. 竖井式竖井式 390390 竖井式进水口是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁竖井式进水口是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁衬砌，闸门设在井的底部，井的顶部布置启闭机械及操纵室。衬砌，闸门设在井的底部，井的顶部布置启闭机械及操纵室。 优：结构简单、不受风浪、水的影响，抗震及稳定好，地优：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。形条件适宜时，工程量较小。 缺：竖井开挖比较困难
19、，竖井前的一段隧洞检修不便。缺：竖井开挖比较困难，竖井前的一段隧洞检修不便。 适用：地质条件较好情况。例：新丰江增建的泄洪洞。适用：地质条件较好情况。例：新丰江增建的泄洪洞。 干井干井弧门，井后为无压。弧门，井后为无压。 湿井湿井平门，井后为压力洞，只有检修时井内无水。平门，井后为压力洞，只有检修时井内无水。 计算要点：沿井的不同高度，截取断面，按单位高度的封计算要点：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。闭或框架进行分析。 2. 2. 塔式塔式 独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔，塔底装设闸独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔，塔底装设闸门。门。 例
20、：石头河泄洪洞（封闭式）、陆浑（框架）、刘家峡导流洞、例：石头河泄洪洞（封闭式）、陆浑（框架）、刘家峡导流洞、碧口和南水泄洪洞。碧口和南水泄洪洞。 封闭式塔断面：矩形，大、中型多采用；圆形；多边形。封闭式塔断面：矩形，大、中型多采用；圆形；多边形。 优：开挖量小，可在不同高程设置取水口，取用上层温度较高的优：开挖量小，可在不同高程设置取水口，取用上层温度较高的清水。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。与库岸相连。 适用：岸坡岩石较差，覆盖层较厚，不宜采用靠岸进水口时。适用：岸坡岩石较差，覆盖层较厚，
21、不宜采用靠岸进水口时。 计算要点：塔身时直立的悬臂结构，需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。计算要点：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）。（将立体框架简化成平面问题计算）。3. 3. 岸塔式岸塔式 391391 靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔。有直靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔。有直立地、倾斜的（图立地、倾斜的（图8 85 5） 优：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便，无须接优：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便
22、，无须接岸桥梁。岸桥梁。 缺：受风浪、冰、地震优一定影响。缺：受风浪、冰、地震优一定影响。 适用：于岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。适用：于岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。 计算要点：基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作计算要点：基本方法同塔式，另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。用有岩石压力。4. 4. 斜坡式斜坡式 在较为完整的岩坡上进行平整开挖、护砌而成在较为完整的岩坡上进行平整开挖、护砌而成的一种进水口。的一种进水口。 例：响洪甸、磨子潭泄洪洞。例：响洪甸、磨子潭泄洪洞。 优：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，优：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。工程量小。 缺：闸门面
23、积加大，关门时不易靠自垂下降。缺：闸门面积加大，关门时不易靠自垂下降。 适用：于中、小型工程，或只用于安设检修闸适用：于中、小型工程，或只用于安设检修闸门的进水口。门的进水口。5.5.组合式组合式 387387 上塔下井式，图上塔下井式，图8 83 3（a a）；）； 上塔下岸塔式，图上塔下岸塔式，图8 83 3（b b）。）。 包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。1.1.进水喇叭口进水喇叭口 位置：在隧洞的首部位置：在隧洞的首部 要求：要求： 其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱其体形与孔口水流
24、的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。壁。 避免产生不利的负压合空隙破坏。避免产生不利的负压合空隙破坏。 减少局部水头损失，以提高泄流能力。减少局部水头损失，以提高泄流能力。 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。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：喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：二、进口段的组成二、进口段的组成12222byax式式中：中：a a 长半轴，顶板：长半轴，顶板：a=Ha=H（孔口高）；（孔口高）； 边墙边墙: a=B: a=B（孔口宽）（孔口宽） b b短半轴短半轴 顶板：顶板
25、：b=H/3 b=H/3 边墙：边墙：b=b=（1/31/31/51/5）B B对于重要的工程，进口曲线，应通过水工模型试验确定。对于重要的工程，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，此顶板以接，此顶板以1 1：4 41 1：6 6的坡度向下游缩，以增加进口段的的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。压力，防止发生空蚀。 检修门槽前的入口段长度检修门槽前的入口段长度L=L=（0.80.81
26、 1）H H（孔口（孔口高）。检修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段，高）。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态）。（目的：收缩断面进一步改善进口的压力分布和水流态）。 （1 1）位置：）位置： 设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后。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。设在检修门和工作门之间。 （2 2）作用：）作用： 工作闸门在各级开度情况下补气；检修时补气。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检修完毕，工作闸门和检修门之间充分输水直至平压，在此过程中
27、排气。平压，在此过程中排气。2.2.通气孔通气孔（3 3）布置上注意点：）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，影响工作人员口处气流速度大，以免在补气、排气时，影响工作人员的安全。的安全。Va40Va4045m/s45m/s 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。 （4 4）通气量的计算及通气孔设计）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。通气量与泄水流形，
28、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。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。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对于泄水隧洞中的工作闸门和事故闸门的通气孔：（同重力坝）孔：（同重力坝）09. 0aawaVQaAVQ 其中：其中：A A隧洞断面积隧洞断面积 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）压隧洞或管道） 2/122 .211LgaBVAAVQwaaawa式中式中 A Aa a闸门后隧洞或管道水面以上的断面面积，闸门后隧洞或管道水面以上的断面
29、面积，m m2 2，A Aa a一般小一般小于于0.30.3倍隧洞或管道的断面积；倍隧洞或管道的断面积； 通气孔的风速系数，可取通气孔的风速系数，可取0.60.6； B B闸门处孔口宽度，闸门处孔口宽度，m m； a a通气孔的断面面积，通气孔的断面面积，m m2 2； L L闸门后隧洞的长度，闸门后隧洞的长度，m m； VwVw闸门孔口处的水流流速，闸门孔口处的水流流速，m/sm/s； g g重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2。 aa a、求得、求得Q Qa a后，再以后，再以 aQVaa ，验算，验算smVVaa/5040 。否则，。否则，重复上述计算，直到满足为止。重复上述计算，
30、直到满足为止。 检修门后得通气孔面积，一般以大于或等于充水平压阀的面积为检修门后得通气孔面积，一般以大于或等于充水平压阀的面积为宜。宜。 计算的先假定计算的先假定a、求得、求得Qa后，再以后，再以 ， 验算验算 。 否则，重复上述计算，直到满足为止。否则，重复上述计算，直到满足为止。 计算的先假定计算的先假定aQVaasmVVaa/50401.21.2，这主要是构造运动影响的结果，这主要是构造运动影响的结果 由于影响因素多，目前无法用数学，力学法分析计算，由于影响因素多，目前无法用数学，力学法分析计算，只能现场实测。只能现场实测。3.3.地应力实测方法地应力实测方法 应力解除法：通过切槽或钻孔
31、解除应力而测得岩石应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得岩石的应变以推求其初始应力。的应变以推求其初始应力。 应力恢复法：岩体中的应力解除后，不是通过应力恢复法：岩体中的应力解除后，不是通过岩体的变形特性来推求岩体中的应力值，而是通过施加压岩体的变形特性来推求岩体中的应力值，而是通过施加压力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前的应力值。的应力值。 以上测得的是岩体中一点的应力，至于整个岩体中以上测得的是岩体中一点的应力，至于整个岩体中初始应力的分布情况，目前还不能根据有限的测点的结果初始应力的分布情况，目前还不能根据有限的测点的结
32、果来加以确定。来加以确定。 岩体及上覆岩石的重量是形成岩体初始应力的基本原因之一，岩体及上覆岩石的重量是形成岩体初始应力的基本原因之一，岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且借助岩体自重作用不仅产生垂直应力，而且借助“泊松效应泊松效应”和流变效应和流变效应而产生水平应力。而产生水平应力。 初始应力的形成，取决于地形及地壳结构运动，这通常有是初始应力的形成，取决于地形及地壳结构运动，这通常有是高的水平应力产生的主要原因。高的水平应力产生的主要原因。 许多地区岩体初始应力实测结果表明：水平应力大大超过上许多地区岩体初始应力实测结果表明：水平应力大大超过上覆岩体的重量算得的结果，这是由于构造动力学方面的
33、原因，或地质覆岩体的重量算得的结果，这是由于构造动力学方面的原因，或地质剥蚀的原因。剥蚀的原因。 天然岩体中的断层，对初始应力起着解除或部分解除的作用。天然岩体中的断层，对初始应力起着解除或部分解除的作用。4.4.对岩体初始应力的初步认识对岩体初始应力的初步认识在高地应力地区坚硬完整的岩石，在一定地质条件下，在高地应力地区坚硬完整的岩石，在一定地质条件下，可以聚集大量的能量，从而形成高的天然内应力，一旦可以聚集大量的能量，从而形成高的天然内应力，一旦开挖，出现自由边界，切向应力急剧增加，能量进一步开挖，出现自由边界，切向应力急剧增加，能量进一步集中，在高应力作用下，岩块会产生突发性脆性破裂、集
34、中，在高应力作用下，岩块会产生突发性脆性破裂、飞散，伴随着巨大的声响，形成飞散，伴随着巨大的声响，形成 “岩爆岩爆”现象。岩爆现象。岩爆会危及人身安全，影响施工。目前，防止岩爆多采用锚会危及人身安全，影响施工。目前，防止岩爆多采用锚杆、喷砼等措施，但实施时要在岩爆发生前或发生期间杆、喷砼等措施，但实施时要在岩爆发生前或发生期间进行，对施工人员不安全。近年来有的工程采用预钻排进行，对施工人员不安全。近年来有的工程采用预钻排孔（超前排孔）法，以防止或削弱岩爆的发生。孔（超前排孔）法，以防止或削弱岩爆的发生。P419P419 应力重分布：当在岩体中开挖洞室时，洞室围岩的初应力重分布：当在岩体中开挖洞
35、室时，洞室围岩的初始应力状态发生变化，这种现象叫应力重分布。始应力状态发生变化，这种现象叫应力重分布。 围岩：产生应力重分布的这部分岩体叫围岩。围岩：产生应力重分布的这部分岩体叫围岩。 在洞室周边某些部位（形状突变、薄弱区）出现应在洞室周边某些部位（形状突变、薄弱区）出现应力集中，对围岩稳定不利。力集中，对围岩稳定不利。 应力重分布在洞室周边最为显著，远离洞壁，影响应力重分布在洞室周边最为显著，远离洞壁，影响减小；应力重分布与初始应力状态，洞室的断面形状和减小；应力重分布与初始应力状态，洞室的断面形状和尺寸，岩体的结构和性质有关尺寸，岩体的结构和性质有关。 二、围岩的应力集中二、围岩的应力集中
36、 假定岩体为连续、均匀、各向同性的弹塑性体，初始应力假定岩体为连续、均匀、各向同性的弹塑性体，初始应力符合静水压力条件，对于圆形洞室，按轴对称问题的平衡微分符合静水压力条件，对于圆形洞室，按轴对称问题的平衡微分方程，利用莫尔一库仑（方程，利用莫尔一库仑（MohrMohrCoulomb Coulomb ） 塑性准则及弹塑性界面上的应力相等条件，当洞室周边不塑性准则及弹塑性界面上的应力相等条件，当洞室周边不存在支护抗力时，可求得任意点的径向应力存在支护抗力时，可求得任意点的径向应力rr、切向应力、切向应力tt及塑性区半径及塑性区半径R R的计算式为的计算式为1)(sin1sin11)(sin1si
37、n2sin1sin2otorrrcctgrrcctgsin2sin1)sin1 (1cctgprRoo（1） （2 2） 岩石的内摩擦角；岩石的内摩擦角；c c岩石的凝聚力；岩石的凝聚力；r ro o圆形洞室的开挖半径；圆形洞室的开挖半径；r r塑性区内任一点的半径；塑性区内任一点的半径；p po o岩体的初始应力。岩体的初始应力。公式（公式（1 1）、（）、（2 2）只能用于）只能用于=1=1的圆洞情况，应力分布见图的圆洞情况，应力分布见图8 82525。其他情况可用弹塑性有限元法计算。（参看其他情况可用弹塑性有限元法计算。（参看岩石力学岩石力学）式中式中 1.1.目的：预估可能出现的破坏形
38、态、部位、范围及其发生目的：预估可能出现的破坏形态、部位、范围及其发生和发展过程，选择适宜的支护方案，保证安全施工，改进设计。和发展过程，选择适宜的支护方案，保证安全施工，改进设计。 2.2.分析方法：主要凭经验和现场量测作出判断（影响因分析方法：主要凭经验和现场量测作出判断（影响因素多，而且错综复杂，到目前为止，还不能完全依靠理论计算）素多，而且错综复杂，到目前为止，还不能完全依靠理论计算） 3.3.分析内容：分析内容： 对初选隧洞断面，结合地质条件及其力学性质，初始应对初选隧洞断面，结合地质条件及其力学性质，初始应力，施工方法等，采用弹性理论公式或有限元计算围岩压力。力，施工方法等，采用弹
39、性理论公式或有限元计算围岩压力。 三、围岩稳定分析三、围岩稳定分析 如围岩压力超过岩体的弹性极限，可按弹塑性理论如围岩压力超过岩体的弹性极限，可按弹塑性理论计算塑性区的应力，确定塑性区的范围。计算塑性区的应力，确定塑性区的范围。 对洞室周边可能出露的危石，按块体平衡法进行分对洞室周边可能出露的危石，按块体平衡法进行分析。析。 现场量测，主要测量一些选定点的位移，和点与点现场量测，主要测量一些选定点的位移，和点与点之间的相对位移，画出位移时间关系曲线，如位移超过之间的相对位移，画出位移时间关系曲线，如位移超过“允许位移量允许位移量”或位移曲线突然变陡，表明围岩将要失稳，或位移曲线突然变陡，表明围
40、岩将要失稳，椐此采用支护措施。椐此采用支护措施。 8-8 8-8 水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合水工隧洞衬砌的荷载和荷载组合 目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之使之 满足规范要求。满足规范要求。一、荷载一、荷载 荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重及荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重及灌浆压力，温度荷载、地震力等。其中内水压力，自重比较灌浆压力，温度荷载、地震力等。其中内水压力，自重比较明确，而他力只能进行近似计算。明确，而他力只能进行近似计算。 ( (一一) )围岩压力（山岩压力）围岩压力（山岩压力） 隧洞
41、开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。 影响山岩压力大小的因素：围岩的地质条件和力学特影响山岩压力大小的因素：围岩的地质条件和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的分布和发征（强度和变形性能节理，裂隙的分布和发育情况）；初始育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；应力，地下水，隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形式。衬护时间，衬护形式。 1.1.塌落拱法（松散介质理论）（自然平衡拱法）塌落拱法（松散介质理论）（自然平衡拱法） 此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在洞此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散
42、介质，在洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成室开挖后，由于岩体失去平衡形成“塔落拱塔落拱”，拱处的围，拱处的围岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的山岩岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的山岩压力。压力。 普氏公式：用普氏公式：用“坚固系数坚固系数”fKfK（亦称拟摩擦系数），（亦称拟摩擦系数），代替岩石颗粒间的真实摩擦系数：代替岩石颗粒间的真实摩擦系数： 平顶隧洞平顶隧洞kRRfBhq2 式中式中 B B洞室开挖宽度，洞室开挖宽度，m m； f fk k岩石的坚固系数，它反映岩石的坚固性，其岩石的坚固系数，它反映岩石的坚固性，其一般数值为：砂、碎石、填土一般数值为：砂、碎石、填土f
43、 fk k=0.5=0.5，致密粘土，致密粘土f fk k=1.0=1.0，软质岩石软质岩石f fk k=2.0=2.0，中等坚固岩石，中等坚固岩石f fk k=4.0=4.0，比较坚固的岩，比较坚固的岩石石f fk k=6.0=6.0，坚固岩石，坚固岩石f fk k=10=10或更大；或更大； 圆弧等曲线形洞顶：（铅直山岩压力可以减少圆弧等曲线形洞顶：（铅直山岩压力可以减少30%30%） 当当f fk k22时，可以不计侧向围岩压力。时，可以不计侧向围岩压力。水工隧洞设水工隧洞设计规范计规范（SD134SD134 8484）提出，松散介质理论公式可用于）提出，松散介质理论公式可用于按规范中围
44、岩稳定性五级分类中的不稳定和极不稳定围按规范中围岩稳定性五级分类中的不稳定和极不稳定围岩的围岩压力计算。岩的围岩压力计算。Rhoq7 . 2 2围岩压力系数法围岩压力系数法 水工隧洞设计规范水工隧洞设计规范（SL279SL27920022002）规定，自稳条件）规定，自稳条件好，开挖后变形很快稳定的围岩，可不计围岩压力；薄层好，开挖后变形很快稳定的围岩，可不计围岩压力；薄层状及碎裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力算式状及碎裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力算式如下：如下：式中式中 q q v v、q q h h分别为铅直及水平向围岩压力强度；分别为铅直及水平向围岩压力强度；B B、
45、H H分别为洞室的开挖宽度及高度；分别为洞室的开挖宽度及高度；RRHqBq）1 .005.0()3 .02 .0(hv 对于圆洞周边上作用有支护力对于圆洞周边上作用有支护力p ip i时（图时（图8 82727），按弹），按弹塑性理论及相应的假定，同样可求得塑性区内任一点的径向塑性理论及相应的假定，同样可求得塑性区内任一点的径向应力应力rr和切向应力和切向应力tt的计算式的计算式: :3 3弹塑性理论法弹塑性理论法sin1sin1)()(sin1sin2sin1sin2oitoirrrcctgpcctgrrcctgpcctg（1） 支护或衬砌对围岩的反力，亦即围岩压力支护或衬砌对围岩的反力，亦
46、即围岩压力pipi，其与，其与塑性区半径塑性区半径R R的关系为的关系为式中式中 p p0 0岩体初始应力；岩体初始应力； 以上就是修正的芬诺（以上就是修正的芬诺（Fenner,R.Fenner,R.）公式。）公式。 分析上式可知，支护抗力分析上式可知，支护抗力pipi愈小，愈小，R R愈大；愈大；pipi愈大，出现塑性区的范围也就愈小。当愈大，出现塑性区的范围也就愈小。当R=r0R=r0时，时，pipi达到达到最大值最大值sin2sin10)sin1(cctgpcctgprRiosin1sin20)(sin1)(Rrcctgpcctgpoi（2） （3） cos)sin1 (0maxcppi
47、（4） 愈小，愈小， R R愈大，有可能洞壁失稳，应及时支护；愈大，有可能洞壁失稳，应及时支护； 当当c=0c=0，则，则pipi大于零，说明破碎岩体需要支护；当岩石比较大于零，说明破碎岩体需要支护；当岩石比较完整完整c c值较大时，洞壁有可能不加支护而自行稳定。值较大时，洞壁有可能不加支护而自行稳定。 弹塑性理论法也只能用于简单而理想的情况，一般很难弹塑性理论法也只能用于简单而理想的情况，一般很难符合实际。符合实际。 塑性区半径塑性区半径R R的发展与支护的时间有关。因此，采用适的发展与支护的时间有关。因此，采用适宜的柔性材料及时支护，既可保证施工安全，又可发挥围宜的柔性材料及时支护，既可保
48、证施工安全，又可发挥围岩的自承作用，减轻作用在支护上的压力。岩的自承作用，减轻作用在支护上的压力。 4 4设计中对围岩压力的考虑设计中对围岩压力的考虑 由于工程地质、水文地质条件的复杂性，围岩压力不可由于工程地质、水文地质条件的复杂性，围岩压力不可能用一种理论公式予以概括。为此，需要根据工程经验，对能用一种理论公式予以概括。为此，需要根据工程经验，对不同围岩采用不同的方法估算围岩压力。不同围岩采用不同的方法估算围岩压力。 对于地质条件好，开挖宽度不大且能自身维持稳定的对于地质条件好，开挖宽度不大且能自身维持稳定的坚固完整或仅有少量密闭裂隙的岩体，可以不考虑围岩压力。坚固完整或仅有少量密闭裂隙的
49、岩体，可以不考虑围岩压力。 对有明显的构造断裂或节理裂隙切割的岩体，可用块对有明显的构造断裂或节理裂隙切割的岩体，可用块体平衡法估计可能塌落的岩块以计算围岩压力。在洞室开挖体平衡法估计可能塌落的岩块以计算围岩压力。在洞室开挖前可采用围岩压力系数法估算围岩压力。前可采用围岩压力系数法估算围岩压力。 对于松软碎裂的岩体，可采用塌落拱法确定围岩压力。对于松软碎裂的岩体，可采用塌落拱法确定围岩压力。 对于重要而围岩条件又复杂的工程，最好能进行现场实对于重要而围岩条件又复杂的工程，最好能进行现场实测以确定围岩压力。测以确定围岩压力。 （二）围岩的弹性抗力二）围岩的弹性抗力1.1.弹性抗力弹性抗力 当衬砌
50、承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。弹性抗力的大小和性质抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系：坚固完整的岩石，弹性与工程地质条件有密切的关系：坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。 为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。衬砌与围岩紧密相接。 文
