水工建筑物第七章.ppt
水工建筑物 第7章,第7章 水工隧洞与坝下涵管 定义：在蓄水枢纽中，为了灌溉、发电、城镇供水、泄洪、排沙、放空水库以及施工导流等目的而穿山凿石、修建在岩层之中或埋设在土石坝坝体下面的取水及泄水建筑物。,小资料：我国水工隧洞发展概况 截止20世纪末，我国已建成水工隧洞的总长超过500km，其中5km以上的有41条。较典型的有四川太平驿水电站的有压引水隧洞，长10.6km，直径9m（开挖直径10m），于90年代初兴建。此外还有贵州南盘江上兴建的天生桥二级水电站的三条引水洞，总长30km，直径8.79.8m（开挖直径10.8m），并在国内首次使用全断面掘进机开挖（美国引进）。,进入21世纪以来，我国的水工隧洞有了更快的发展，在建最长的水工隧洞为引黄入晋工程的南干线7号洞，洞长42.9km。在南水北调工程中尚有待建的长73km的隧洞（西线一期）。以上两工程的隧洞总长将超过400km。我国已建断面积最大的水工隧洞为龙滩右岸导流洞，其最大开挖断面面积达596平方米（24.8826.15)，号称亚洲第一。,三峡地下厂房引水洞,隔河岩水电站 导流洞,7.1水工隧洞的类型和工作特点 7.1.1 水工隧洞的类型 引水洞引水发电 泄洪洞宣泄洪水 导流洞施工期导流 输水洞输送生活、生产用水 其他：排砂洞等 按工作时水力条件分：有压隧洞、无压隧洞,在水工隧洞设计时，为节省工程投资，可采用“临时变永久”或“二洞合一”等型式。,临时改永久布置,二洞合一布置,7.1.2 水工隧洞的特点（1）水流特点：高速水流的隧洞，设计时如考虑不周，极易产生空蚀破坏。（2）结构特点：隧洞开挖改变了围岩的应力平衡状态，常需设置临时支护和永久衬砌。（3）施工特点：开挖、衬砌的工作面小，洞线长、工序多、干扰大，工期长。,7.2 水工隧洞的选线与总体布置 7.2.1 隧洞选线 一般原则：（1）尽量避开地质条件不良地段。（2）力求洞线短、水流平顺。（3）进出口位置合适。（4）洞顶以上和傍山隧洞岸边一侧的岩体应有足够的围岩厚度，以保证围岩稳定。（5）应兼顾施工方便。,7.2.2 水工隧洞的布置 一、总体布置（1）拟定进口的位置、高程；（2）确定闸门在隧洞中的布置；（3）确定洞身的纵向底坡和横断面的形状及尺寸；（4）确定出口位置和底板高程，选用合理的消能方式。,二、闸门在隧洞中的位置 工作闸门应能在动水中启闭，可设在进口、出口或任一适宜位置。检修闸门应能在动水中关闭，静水中开启，设在隧洞进口。事故闸门同检修闸门。无压隧洞一般将闸门设置在隧洞进口处，进水口分为表孔溢流式、和深孔式。,（1）表孔溢流式多属于龙抬头的布置形式,（2）深孔式进水口也可采用无压泄水隧洞,有压隧洞一般将工作闸门设置在出口处，有些隧洞将工作闸门布置在洞内，工作闸门前为有压洞段，工作闸门后为无压洞段。,7.3 水工隧洞各组成部分的形式及构造 7.3.1 进水口的形式及构造 一、进水口高程的确定 主要根据其担负的任务确定，发电有压隧洞的进水口，应保证在上游最低运行水位以下有足够的淹没深度，以免产生贯通式旋涡，引起振动，降低水轮机出力。淹没深度经验公式：,S的最小值不得小于1m。,二、深孔式进水口建筑物的形式1.竖井式进水口适于岩体完整、稳定、坚固的岸坡。,2.塔式进水口 适于岸坡较缓或地质情况较差的岸坡。塔的型式有封闭式和框架式。,塔独立于岸坡用钢筋混凝土建造；通过工作桥与岸边或坝顶相联系。,3.岸塔式及斜坡式进水口,岸塔式就是将控制塔斜靠在洞口岩坡上；易满足稳定要求，对岸坡也起一定的支撑作用。,7.3.2 洞身断面型式及构造一、洞身断面形式和尺寸1.无压隧洞的断面型式和尺寸,圆拱直墙形适用于地质条件较好、垂直山岩压力较小而无侧向山岩压力的情况。当地质条件较差、侧向山岩压力较大时，宜采用马蹄形或蛋形断面。,当地质条件差或地下水压力很大时，也可采用圆形断面。无压隧洞的断面尺寸应根据水力条件（低速水流或高速水流）确定。考虑施工要求的最小断面尺寸：高度1.8m，宽度1.5m；圆形断面内径1.8m。2.有压隧洞的断面型式和尺寸 断面型式多为圆形，当围岩坚硬且内水压力不大时，也可采用更便于施工的非圆形断面。断面尺寸应根据水力计算确定。,二、隧洞衬砌 1.衬砌的作用 承受荷载、保护围岩、减小隧洞表面糙率，防止渗漏等。,英法海底隧道拱楔块衬砌,总共用了72万块,2.衬砌的类型（1）平整衬砌 当围岩坚固、内水压力不大时，用混凝土、喷浆、砌石等做成平整的护面。（2）混凝土、钢筋混凝土衬砌 当承受较大的荷载或围岩条件教差时，采用钢筋混凝土衬砌。（3）预应力衬砌 对混凝土或钢筋混凝土衬砌施加预压应力，以抵消水压力产生的拉应力。,（4）喷锚支护 指利用锚杆和喷混凝土进行围岩加固的总称。锚杆支护的作用：,(a)悬吊作用；(b)组合作用；(c)固结作用,隧洞喷锚支护,喷混凝土衬砌的主要作用：使围岩结成整体，缓和应力集中，保护岩体表面。一般分层施工，必要时加设钢筋网。新奥法基本原理：支护要适时；支护刚度要适中；支护应与围岩紧贴。,隧洞钢支撑施工,三、衬砌的构造1.衬砌的分缝和止水变形缝是为防止不均匀沉陷而设置。,其位置应设于荷载大小、断面尺寸和地质条件发生变化之处。,施工缝有纵向与横向两种。横向施工缝间距一般为612m；纵向施工缝的位置及数目则应根据结构型式及施工条件确定。,2.灌浆、防渗与排水 回填灌浆：充填衬砌与围岩之间的缝隙。固结灌浆：提高围岩的强度和整体性。,衬砌施工时，在顶拱及边拱部分预留灌浆管，待衬砌完成后进行灌浆。,无压隧洞可在洞内水面高程以上设置排水孔实现排水；有压隧洞一般不设排水。,7.3.3 出口段构造 有压隧洞的出口常设工作闸门和启闭机室，闸门后设有消能设施。,为不使洞身出现负压，其出口断面应逐渐收缩，收缩比一般为0.80.9。,泄水隧洞常在出口外设置扩散段，使单宽流量减小；常用的消能方式有挑流消能和底流消能。底流式消能具有工作可靠，对下游水面波动影响范围小的优点。,7.4 隧洞衬砌的荷载及结构计算 7.4.1 隧洞衬砌的荷载及其组合一、荷载作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：自重、围岩压力、内水压力、外水压力、温度荷载、灌浆压力，地震荷载等。当与围岩紧密接触的衬砌受荷载后，有趋向围岩变形时，围岩可施加反作用于衬砌的荷载，即为弹性抗力。,1.围岩压力 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。按作用的方向有两种：作用于衬砌顶部的垂直山岩压力和作用于衬砌两侧的侧向山岩压力。常用的计算方法主要有自然平衡法和经验法。,设计规范对围岩压力计算的规定：（1）自稳条件好，可不计围岩压力；（2）薄层状及碎裂散体结构的围岩：,垂直方向水平方向,（3）不能形成稳定拱的浅埋隧洞，宜按洞室顶拱的上覆盖层岩体重力作用计算围岩压力；,（4）块状、中厚层至厚层状结构的围岩，可根据不稳定块体的作用力计算；（5）采取了支护或加固措施的围岩，可不计或少计围岩压力；（6）采用掘进机开挖的围岩，可适当少计围岩的压力；（7）具有流变性质的围岩，要进行专门研究。,2.弹性抗力 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。计算时，近似的认为弹性抗力与衬砌的变位成正比：,实际常以隧洞半径为1m时的单位弹性抗力系数k0表示围岩的抗力特性：k=100k0/r。,3.内、外水压力（1）内水压力 无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。有压隧洞：内水压力是有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制作用。为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：均匀内水压力+非均匀内水压力。均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位先之间水头引起的，其值为h。,非均匀内水压力是指洞内刚刚充满水的情况，洞顶压力为0，洞壁各点的压强值d(1-cos)/2。,有压引水发电隧洞：内水压力=全水头+水击引起的压力增值。,（2）外水压力（地下水压力）外水压力是地下水头引起的，规范规定：外水压力是作用在衬砌外表的边界力。地下渗流的情况十分复杂，影响因素也多，准确值无法确定，常用的方法：规范：将地下水面以上的水柱高乘以折减系数作为外水压力值。值 视地质、水文地质及防渗、排水等情况而言。,4.衬砌自重 衬砌自重是指沿隧洞轴线1m长的衬砌的自重，均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应考虑平均超挖回填部分。单位面积上的自重强度g为：,温度荷载、灌浆压力，地震荷载等由于对衬砌影响较小,荷载组合时均不考虑。,二、荷载组合（1）正常运用情况 山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时的内水压力+外水压力（2）施工检修情况 山岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力（3）非常运用情况 山岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压力,7.4.2 衬砌结构计算 目的：确定衬砌厚度、材料强度等级及配筋量。1.结构力学法 将衬砌与围岩相互分开,以衬砌本身为研究工作对象。2.弹性力学法 将围岩与衬砌视为整体，两者共同承受荷载。,7.5 坝下涵管 当土石坝枢纽两岸地质条件或其他原因不宜开挖隧洞时,可采用坝下设涵管的方法满足泄、放水要求。优点：结构简单、施工方便、造价较低。缺点：如设计施工不良或运用管理不当，极易影响土石坝的安全。一般在软基上不得采用；对于高坝和多地震区的坝，在岩基上也应尽量避免采用坝下涵管。,涵管的类型和位置选择 1.坝下涵管的类型,按过流形态分：无压涵管、有压涵管、半有压涵管。按断面型式分：圆形、圆拱直墙形、箱形。,2.涵管的位置选择（1）地质条件应尽可能将涵管设在岩基上。（2）地形条件涵管应选在与进口高程相适应的位置。（3）运用要求引水灌溉的涵管，应布置与灌区同岸。（4）管线宜直涵管的轴线应为直线并与坝轴线垂直。,7.5.2 涵管的布置与构造1.涵管的进口型式（1）分级斜卧管式（2）斜拉闸门式,（3）塔式和井式进水口,2.管身布置与构造（1）管座 是防止管身断裂的主要结构措施之一。（2）伸缩缝 一般将伸缩缝与沉陷缝统一考虑。,（3）截渗环 每隔2030m设置一道。3.涵管出口布置,
