水工隧洞

摘要在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物称为水工隧洞。 水工隧洞特点 水工隧洞的结构特性及工作条件,决定了它有以下三方面的特点。 (一)结构特点 隧洞是位于岩层中的地下建筑物,与周围岩层密切相关。在岩层中开挖隧洞后,破坏了原有的平衡状态,引起洞孔附近应...

水工隧洞

水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物称为水工隧洞。

水工隧洞特点

水工隧洞的结构特性及工作条件,决定了它有以下三方面的特点。

(一)结构特点

隧洞是位于岩层中的地下建筑物,与周围岩层密切相关。在岩层中开挖隧洞后,破坏了原有的平衡状态,引起洞孔附近应力重新分布,岩体产生新的变形,严重的会导致岩石崩塌。因此,隧洞中常需要临时性支护和永久性衬砌,以承受围岩压力。围岩除了产生作用在衬砌上的围岩压力以外,同时又具有承载能力,可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。围岩压力与岩体承载能力的大小,主要取决于地质条件。因此,应做好隧洞的工程地质勘探工作,使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。

(二)水流特点

枢纽中的泄水隧洞,其进口通常位于水下较深处,属深式泄水洞。它的泄水能力与作用水头H的1/2次方成正比,当H增大时,泄流量增大较慢。但深式进口位置较低,可以提前泄水,提高水库的利用率,故常用来配合溢洪道宣泄洪水。

由于作用在隧洞上的水头较高,流速较大,如果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整,都可能出现气蚀而引起破坏,所以要求隧洞体型设计得当、施工质量良好。泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集中,在出口处有较强的冲刷能力,必须采取有效的消能防冲措施。

(三)施工特点

隧洞是地下建筑物,与地面建筑物相比,洞身断面小,施工场地狭窄,洞线长,施工作业工序多、干扰大、难度也较大,工期一般较长。尤其是兼有导流任务的隧洞,其施工进度往往控制着整个工程的工期。因此,采用新的施工方法,改善施工条件,加快施工进度和提高施工质量在隧洞工程建设中需要引起足够的重视。

水工隧洞类型

1.按用途分类

(1)泄洪洞。配合溢洪道宣泄洪水,保证枢纽安全。

(2)引水洞。引水发电、灌溉或供水。

(3)排沙洞。排放水库泥沙,延长水库的使用年限,有利于水电站的正常运行。

(4)放空洞。在必要的情况下放空水库里的水,用于人防或检修大坝。

(5)导流洞。在水利枢纽的建设施工期用来施工导流。

在设计水工隧洞时,应根据枢纽的规划任务,尽量考虑一洞多用,以降低工程造价。如施工导流洞与永久隧洞相结合,枢纽中的泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。

2.按洞内水流状态分类

(1)有压洞。隧洞工作闸门布置在隧洞出口,洞身全断面均被水流充满,隧洞内壁承受较大的内水压力。引水发电隧洞一般是有压隧洞。

(2)无压洞。隧洞的工作闸门布置在隧洞的进口,水流没有充满全断面,有自由水面。灌溉渠道上的隧洞一般是无压的。

一般说来,隧洞根据需要可以设计成有压的,也可以设计成无压的,还可以设计成前段是有压的而后段是无压的。但应注意的是,在同一洞段内,应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象,以防止引起振动、空蚀等不利流态。

水工隧洞构造

(一)进口段的形式和构造

1.进口建筑物的形式

进口建筑物按其布置及结构形式不同,可分为竖井式、塔式、岸塔式和斜坡式等。

(1)竖井式。竖井式进口是在隧洞进口附近的岩体中开凿竖井,井壁用混凝土或钢筋混凝土加以衬砌,井底设置闸门,井顶布置启闭设备及操纵室。其优点是结构比较简单,不需要工作桥,不受风浪和冰的影响,抗震性及稳定性好,运行比较可靠。缺点是竖井开凿比较困难,竖井前的隧洞段经常处于水下,检修不便。当隧洞进口段岩石坚固,岩体比较完整时多采用这种形式。

无压隧洞设置弧形闸门的竖井,关闭闸门时井内无水,称为“干井”。压力隧洞设置平面闸门的竖井,关闸后井内仍充满水,称为“湿井”。

(2)塔式。塔式进口建筑物是独立于隧洞的进口处而不依靠山坡的建筑物。塔底设闸门,塔顶设操纵平台和启闭机,用工作桥与岸坡相连。这种进口建筑物的优点是布置比较紧凑,闸门开启比较方便可靠。其缺点是受风浪、冰、地震的影响大,稳定性相对较差,需要较长的工作桥。常用于岸坡岩石较差,覆盖层较薄,不宜修建靠岸进口建筑物的情况。

塔的结构形式有封闭式和框架式两种。封闭式塔的横断面形式为矩形和圆形。矩形断面结构简单、施工方便。圆形断面的受力条件较好,采用较多。封闭式塔身上在不同高程处设置进水口,可引取水库上层温度较高的清水,以满足灌溉农作物的需求。框架式结构具有结构轻便、受风浪影响小、节省材料、造价较低的优点,但只能在低水位时进行检修,不太方便,而且泄水时门槽进水,水流流态不好,容易产生空蚀,一般大型泄水隧洞较少采用。

(3)岸塔式。此种进口是靠在开挖后洞脸岩坡上的进水塔。根据岩坡的稳定情况,塔身可以是直立的或倾斜的。岸塔式的稳定性较塔式的好,甚至可对岩坡有一定的支撑作用,施工安装也比较方便,不需工作桥,比较经济。适用于岸坡较陡,岩体比较坚固稳定的情况。

(4)斜坡式。斜坡式进水口是在较完整的岩坡上进行平整、开挖、护砌而修建的一种进水口。闸门和拦污栅的轨道直接安装在斜坡的护砌上。这种布置的优点是,结构简单,施工、安装方便,稳定性好,工程量小。缺点是由于闸门倾斜,闸门不易依靠自重下降,闸门面积加大。斜坡式进口一般只用于中、小型工程,或只用于安装检修闸门的进口。

以上是几种基本的进水口形式,在实际工程中常根据地形、地质、施工等具体条件采用,如半竖井半塔式进水口,下部靠岸的塔式进水口等。

2.进口段的组成及构造

进口段的组成包括进水喇叭口、通气孔、平压管拦污栅、渐变段和闸门室等几部分。

(1)进水喇叭口。进水口是隧洞的首部,其体形应与孔口水流的流态相适应,避免产生不利的负压和空蚀破坏,同时还应尽量减小局部水头损失,以提高泄流能力。

(2)通气孔。当闸门部分开启时,孔口处的水流流速很大,门后的空气会被水流带走,形成负压区,可能会引起空蚀破坏使闸门振动,危及工程的安全运行。因此,对设在泄水隧洞进口或中部的闸门之后应设通气孔,其作用是:①在工作闸门各级开度下承担补气任务,补气可以缓解门后负压,稳定流态,避免建筑物发生振动和空蚀破坏,同时可减小由于负压而引起作用在闸门上的下拖力和附加水压力;②检修时,在放下检修闸门之后,放空洞内水流时给予补气;③检修完成后,需要向检修闸门和工作闸门之间充水,以便平压来开启检修闸门,此时,通气孔用以排气。对于无压洞,设通气孔是为了适应高速水流水面自然掺气的需要。所以,通气孔在隧洞运用中,承担着补气、排气的双重任务,对改善流态、避免运行事故起着重要的作用。

通气孔的上部进口必须与闸门启闭机室分开设置,以免在充气或排气时,由于风速太大,影响工作人员的安全。通气孔在洞内的出口应仅靠闸门的下游面,并尽量在洞顶,以保证在任何流态下都能充分通气。通气孔管身应力求顺直,减少转弯突变,以减小阻力。

(3)平压管。检修门设在工作闸门之前,仅在隧洞或工作闸门检修时才使用,由于使用的机会较少,启闭设备尽可能简单些。为了减小启门力,往往要求检修门在静水中开启。为此,常在闸墙内设置绕过检修门槽的平压管。当检修工作结束后,在开启检修门之前,首先打开平压管的阀门,将水放进检修门与工作门之间的空间,使检修门两侧的水位相同,水压平衡,此时再开启检修门,由于是在静水中开启,可以大大减小启门力。

(4)拦污栅。进口处的拦污栅是为了防止水库中的漂浮物进入隧洞而设置的。泄水隧洞一般不设拦污栅。当需要拦截水库中的较大浮沉物时,可在进口设置固定的栅梁或粗拦污栅。引水发电的有压隧洞进口应设置较密的细栅,以防污物阻塞和破坏阀门及水轮机叶片。

(5)渐变段、闸门室。渐变段及闸门室等,可参见第二章第七节重力坝深式泄水孔有关内容。

水工隧洞线路选择

隧洞的路线选择是隧洞设计的关键问题之一,它关系到工程造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等。影响隧洞线路选择的因素很多,如地质、地形、施工条件等。因此,应该在做好勘测工作的基础上,根据隧洞的用途,拟定出若干方案,综合考虑各种因素,进行技术比较后加以选定。

隧洞的线路选择主要考虑以下几个方面的因素。

1.地质条件

隧洞路线应选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地区,尽量避开不利的地质构造,如向斜构造、断层及构造破碎带。要尽量避开地下水位高、渗水严重的地段,以减少隧洞衬砌上的外水压力。洞线要与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向有较大的交角,对于整体块状结构的岩体及胶结紧密的厚岩层,夹角不宜小于30°,对于薄层以及层间连接较弱,特别是层间结合疏松的薄层高倾角岩层,夹角不小于45°。在高地应力地区,洞线宜与最大水平地应力方向有较小夹角,以减少隧洞的侧向围岩压力。隧洞应有足够的覆盖厚度,对于有压隧洞,当考虑弹性抗力时,围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。根据以往工程经验,对于围岩坚硬完整无不利构造的岩体,有压隧洞的最小覆盖厚度不小于0.4H(H为压力水头),如不加衬砌,则应不小于1.0H。

在隧洞的进、出口处,围岩的厚度往往较薄,应在保证岩体稳定的前提下,避免高边坡的开挖导致工程量的增大和工期的延长。故进、出口的围岩最小厚度应根据地质、施工、结构等因素综合分析确定,一般情况下,进、出口顶部的岩体厚度不宜小于洞径或洞宽。

2.地形条件

隧洞的路线在平面上应尽量短而直,以减小工程费用和水头损失。如因地形、地质、枢纽布置等原因需要转弯时,对于低流速的隧洞弯道曲率半径不应小于5倍洞径或洞宽,转弯转角不宜大于60°,弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞应避免设置曲线段,如设弯道时,其曲率半径和转角最好通过试验确定。

3.水流条件

隧洞的进口应力求水流顺畅,减少水头损失。重视隧洞出口轴线与河流主流的相对位置,水流应与下游河道平顺衔接,与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离,防止出现冲刷。

4.施工条件

洞线选择应考虑施工出渣通道及施工场地布置问题。洞线设置曲线时,其弯曲半径应考虑施工方法及施工大型机械设备所要求的转弯半径。

对于长隧洞,还应注意利用地形、地质条件布置施工支洞、斜洞、竖井。

以便进料、出渣和通风,增加总工作面,改善施工条件,加快施工进度。此外,洞线选择应满足枢纽总体布置和运行要求,避免在隧洞施工和运行中对其他建筑物产生干扰。

水工隧洞工程布置

水利枢纽中的泄水和引水隧洞的工程布置主要包括隧洞进、出口和洞身及闸门的布置。

1.隧洞进、出口的布置

进、出口建筑物的布置,应根据枢纽总体布置,考虑地形、地质条件,使水流顺畅,进流均匀,出流平稳,下泄安全。

隧洞的进口高程应根据隧洞的用途及实际运用要求加以确定。用于发电引水的隧洞,要保证其有压工作状态时,其进口顶部高程应在水库最低工作水位以下0.5~1.0m,以免吸入空气;底部应高出水库淤沙高程最少1.0m以上,防止粗颗粒泥沙进入洞内,造成磨损。灌溉隧洞的进口高程应保证在水库最低工作水位时,能引入设计流量,并应与下游灌区布置在同一侧,若为自由灌溉,应满足引水高程的要求。排沙洞应设置在需要排沙的发电、灌溉引水洞进口附近,其高程宜较低。用于放空水库和施工导流的隧洞进口高程一般都较低。

进口的进水方式有表孔溢流式和深水进口式两种。前者的进口布置方式与岸边溢洪道相似,只是用隧洞代替了泄槽,泄水时,洞内为无压流。我国采用这种布置形式的有毛家村、流溪河、冯家山等无压泄洪洞。这种布置形式的表孔进口虽有较大的超泄能力,但其泄流能力受到隧洞断面的限制。深式泄水隧洞,可以是无压的或有压的。这种布置形式与重力坝上的泄水孔布置形式相似。

2.隧洞的纵坡选择

隧洞的坡度主要涉及泄流能力、压力分布、过水断面大小、工程量、空蚀特性及工程安全。应根据运用要求及上、下游的水位衔接在总体布置中综合比较确定。

有压洞的纵坡主要取决于进出口高程,要求在最不利的条件下,全线洞顶保持不小于2m的压力水头。有压洞的底坡不宜采取平坡或反坡,因其会出现压力余幅不足且不利于检修排水。有压洞的纵坡从施工排水和检修隧洞排水来考虑,一般取坡度为3‰~10‰。

无压隧洞的纵坡应根据水力计算加以确定,一般要求在任何运用情况下,纵坡均应大于临界坡度。

3.闸门位置布置

泄水隧洞中一般要设置两道闸门。

检修闸门设置在隧洞进口,用来挡水,以便对工作闸门或隧洞进行检修。检修闸门一般要求在静水中启闭,一些大、中型隧洞的深式进水口常要求检修闸门能在动水中关闭、静水中开启,以满足出现事故时的需要,此时也称为事故闸门。当隧洞出口低于下游水位时,出口处还需设置叠梁式检修门。

工作闸门用来调节流量和封闭孔口,要求能在动水中启闭。工作闸门可根据需要设置在隧洞的进口、出口或洞中的某一适宜位置。

4.多用途隧洞的布置

为了减小工程量,降低工程造价,同时也为了避免枢纽中单项工程过多,给布置上带来困难,在隧洞设计上,往往考虑一洞多用或临时任务与永久任务相结合的布置方式。但由于需要满足不同的要求,所以必须妥善解决由此带来的一些矛盾。

水工隧洞的洞身形式

1.洞身断面形式及尺寸

(1)无压隧洞的断面形式及尺寸。无压隧洞多采用圆拱直墙形(城门洞)断面。由于这种断面的顶部为圆拱形,适宜于承受垂直围岩压力,并且在施工时便于开挖和衬砌。顶拱中心角一般在90°~180°之间,当垂直围岩压力较小时,可采用较小的中心角。一般情况下,较大跨度泄水隧洞的中心角常采用120°左右。断面的高宽比一般为1~1.5,水深变化大时,采用较大值。在侧向围岩压力较大时,为了减小或消除作用在边墙上的侧向围岩压力,也可把边墙做成向内倾斜状。如围岩条件较差还可以采用马蹄形断面,马蹄形断面由上部半圆和下部三心圆或多心圆构成,以尽量减小衬砌截面弯矩。当围岩条件差,而且又有较大的地下水压力时,可以考虑采用圆形断面。

无压隧洞的断面尺寸主要根据其泄流能力要求及洞内水面线来确定。

(2)有压隧洞的断面形式及尺寸。有压隧洞由于内水压力较大,从水流条件(过水断面湿周最小)及受力条件(受力方向对称)考虑,一般均采用圆形断面。当围岩条件较好,洞径和内水压力都不大时,为了施工方便,也可采用上述无压隧洞常用的断面形式。

2.洞身衬砌的类型及构造

衬砌是指沿开挖洞壁而做的人工护壁,主要作用是:①阻止围岩变形的发展,保证围岩的稳定;②根据需要,承受围岩压力、内水压力和其他荷载;③防止渗漏;④保护围岩免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用;⑤平整围岩,减小表面糙率,增大过流能力;⑥满足环境保护的要求。

(三)出口段及消能设施

有压隧洞的出口常设有工作闸门及启闭机室,闸门前有渐变段,出口之后为消能设施。无压隧洞出口仅设有门框,其作用是防止洞脸及其以上岩石崩塌,并与扩散消能设施的两侧边墙相衔接。

泄水隧洞出口水流的特点是隧洞出口宽度小,单宽流量大,能量集中,所以常在出口处设置扩散段,使水流扩散,减小单宽流量,然后再以适当形式消能。

泄水隧洞的消能方式大多采用挑流消能,其次是底流消能。近年来国内也在研究和采用新的消能方式,如窄缝挑流消能和洞内突扩消能等。

水工隧洞的隧洞荷载

一、荷载的种类及其计算

作用在隧洞衬砌上的荷载,按其作用的状况分为基本荷载和特殊荷载两类。基本荷载,即长期或经常作用在衬砌上的荷载,包括衬砌自重、围岩压力、设计条件下的内水压力、稳定渗流情况下的外水压力、预应力等。特殊荷载,即出现机遇较少的、不经常作用在衬砌上的荷载,包括校核洪水位时的内水压力和相应的外水压力、地震荷载、施工荷载、灌浆压力、温度荷载等。其中内水压力、衬砌自重容易确定,而围岩压力、外水压力、灌浆压力、温度荷载及地震荷载等只能在一些简化和假定的前提下采用近似计算。

二、荷载组合

在进行衬砌结构计算时,对于荷载组合,既要考虑不利条件,又要考虑同时作用的可能性,将荷载分成基本组合和特殊组合两类,采用不同的安全系数来进行考虑。设计中常考虑的荷载组合包括以下三种情况下的组合。

(1)正常运用情况:围岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时内水压力+外水压力。

(2)施工、检修情况:围岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力。

(3)非常运用情况:围岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时内水压力+外水压力。

正常运用情况属于基本组合,在衬砌设计时往往以正常运用情况来确定衬砌的厚度、材料强度等级和配筋量,用其他情况来作校核。

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