第五章——水工隧洞ppt课件.ppt

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1、,西安理工大学水利水电学院2014.5,水工隧洞与坝下涵管,主讲人：田嘉宁,第一节 概述,一、水工隧洞的作用和类型,1.作用 （1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石头河水利枢纽；也可作为主要泄洪建筑物，例石砭峪水利枢纽、黑河水利枢纽。 （2）引水兴利：发电、灌溉、供水、生态输水等。 （3）排沙：延长水库使用年限，有利于水电站的正常运行。例三门峡左岸排沙洞、二龙山右岸排沙洞。 （4）放空水库：满足人防和检修。 （5）施工导流。如龙羊峡：1516m2；二滩：20.525.5m2；黑河金盆水库：1013m2。,第一节 概述,一、水工隧洞的作用和类型,石头河水利枢纽,第一节 概述,一、水工隧洞的作用和类型,

2、三门峡水利枢纽,第一节 概述,一、水工隧洞的作用和类型,二龙山水库,第一节 概述,一、水工隧洞的作用和类型,、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。 危害：（a）易引起振动、空蚀。 （b）影响泄流能力。,2.类型,按功用分：,可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、放空和排沙洞、施工导流洞等。,按流态分：, 有压：水力计算时按管流计算。 无压：明渠流计算。净空面积不小于隧洞断面积的15,第一节 概述,二、工作特点,QH1/2，比表孔超泄能力低，但进口位置低，可以提前预泄。 H较高，P较大，启闭力也就要大，止水要求严格，承受的水头较高。 V较大，易引起空化、空蚀，

3、脉动会引起闸门振动。 q出口较大，能量集中，需采取适当的防冲设施。,1.水力特点（进口位于水下）,2.结构特点（洞身处于地下）,洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常 布置临时支护和永久性衬砌。 在运行期，承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度 和必要的衬砌。,第一节 概述,二、工作特点,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。,3.施工特点,第一节 概述,三、水工隧洞的组成,进口段：控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段等。洞身段：输送水流。一般都需进行衬砌。出口段：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

4、设有渐变段及工作闸门室。,第二节 水工隧洞的布置,一、水工隧洞的布置,（1）应根据枢纽承担的任务，对泄水建筑物进行总体规划，确定洞线位置。 （2）在选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及型式，确定闸门在洞中的位置。 （3）确定纵坡i、横断面形状及尺寸。 （4）根据地形、地质、尾水位以及与其它建筑物间的相互关系等条件确定出口位置、底板高程及消能方式。 （5）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要求。,1.总体布置,第二节 水工隧洞的布置,一、水工隧洞的布置,（1）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、围岩可能不稳定及

5、地下水位高、渗流量丰富的地段，以减少作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。 （2）在平面上应力求短、直，这样可以减少工程费用，方便施工、减少水头损失。另外，进出口应使水流尽量平顺，且对其他建筑物无影响。,2.线路选择,泄水隧洞的线路选择是设计中的关键，关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。,对于无压隧洞，转弯时：当V20m/s，R5B（5D）； 当V20m/s，R3B（3D）。 转角60。 弯道两端的直线段S5B（5D）。,（3）隧洞应有一定的埋藏深度 进、出口：顶部岩体厚度1B（1D）。有压隧洞洞身，围岩厚度3D，或根据工程经验：有衬砌时围岩厚度T0.4H（H为内水压力水头）；不

6、衬砌或锚喷衬砌：围岩厚度T1.0H。还应满足不发生渗流失稳和水力劈裂要求。,（4）纵坡：应根据运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。 无压洞：iik； 有压洞：取决于进口高程和出口高程，要求保持不小于2m的压力水头。不宜采用平坡或反坡，因其不利于检修排水。,第二节 水工隧洞的布置,一、水工隧洞的布置,2.线路选择,（5）对于长隧洞，应利用地形、地质条件、布置一些施工支（平）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9.68km的引水隧洞中布置了15个斜支洞、4个竖井，将整个隧洞分成20份，9680/20=484m。,第二节 水工隧洞的布置,一、水工隧

7、洞的布置,2.线路选择,第二节 水工隧洞的布置,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）。,（1）检修闸门：一般设在进口，要求能在短期内挡水，在静水中启闭，所有隧洞都应设检修闸门。 （2）事故闸门：位于检修门上游，用以在发生事故时快速关闭（快速闸门）。要求在动水中关闭，静水中开启，一般大型工程中采用。 （3）事故检修门：具备检修闸门和事故闸门的特点，因此可在动水中关闭，静水中开启。,（4）工作闸门：工作闸门设在进口一般为无压洞 优点：工作门和检修门都设在进口，工作门后为无压洞，洞内不受内水压力作用，有利于边坡稳定； 检修门和工作门都在首部，运行管理方便； 易于检修

8、和维修。 缺点：对工作门后隧洞布置要求较高，如若设置弯道，其流态差，易产生折冲水流； 对工作门后隧洞内流速有一定要求，若流速高则易发生空蚀破坏。如李家峡导流洞：V=14.5m/s左右，边壁发生严重破坏。,第二节 水工隧洞的布置,二、闸门在隧洞中的布置,工作闸门设在出口多为有压洞 优点：运行时洞内水流流态平稳； 隧洞洞线布置适应性强（可设弯道）； 闸门控制结构简单，管理方便； 缺点：由于检修闸门和工作闸门分别在进口和出口，故运行管理不便； 洞内为有压流，一旦衬砌漏水对岩坡和土坝建筑物将造成危害。,第二节 水工隧洞的布置,二、闸门在隧洞中的布置,第二节 水工隧洞的布置,二、闸门在隧洞中的布置,布置

9、在洞身某一位置（门前有压，门后无压） 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、泄洪洞；东江右岸泄洪洞；碧口左岸泄洪洞。 洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水推力。,三门峡1#泄洪排沙洞,第二节 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的布置,前期为导流洞，后期为泄洪洞。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”式泄洪洞，一般是水头高，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，限制不平整度，并选用适当的掺气减蚀措施。采用“龙抬头”形式的如

10、：刘家峡、碧口、石头河、毛家村等工程。,1.导流洞与泄洪洞合一布置,第二节 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的布置,（1）主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞发电（岔洞发电），如碧口水电站。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。 （2）主洞发电、支洞泄洪。,2.泄洪洞与发电洞合一布置,存在问题： （1）岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀。 （2）泄洪时对发电不利。分岔角一般在3060之间。,第二节 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的布置,发电与灌溉洞合一。发电后的尾水用于灌溉。由于发电要求经常供水，而灌溉用水是季

11、节性的，因此这种布置的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。,3.其他任务隧洞的合一布置,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,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。,1.竖井式,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,优点：结构简单、不受风浪、水的影响，抗

12、震及稳定好，地形条件适宜时，工程量较小。 缺点：竖井开挖较困难，竖井前的一段隧洞检修不便。 适用：地质条件较好、岩体比较完整的情况。,1.竖井式,独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔，塔底装设闸门。封闭式塔断面：大、中型工程多采用矩形，也有圆形和多边形。,2.塔式,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,2.塔式,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,优点：开挖量小，可在不同高程设取水口。 缺点：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，施工安装

13、不方便。 适用：岸坡地形较低缓，岩石较差，覆盖层较厚。,靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔。 优点：稳定性比塔式好；无须接岸桥梁，施工、安装比较方便。 缺点：受风浪、冰、地震有一定影响。 适用：岸坡较陡，岩体比较坚固稳定的情况。,3.岸塔式,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,4.斜坡式,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,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。例：响洪甸、磨子潭泄洪洞。 优点：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。 缺点：闸

14、门面积加大，关门时不易靠自重下降。 适用：中、小型工程，或只用于安设检修闸门的进水口。,5.组合式,第三节 隧洞的进出、口建筑物,一、进口建筑物,进口建筑物的主要形式有三种：竖井式、塔式和岸塔式。,三门峡1#泄洪排沙洞,第三节 隧洞的进出、口建筑物,二、进口段的组成,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和空蚀破坏； 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。喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线，其方程为：,进口段包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几个部分组成。,

15、1.进水喇叭口,第三节 隧洞的进出、口建筑物,二、进口段的组成,2.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水平压，此时排气。,（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。 Va4045m/s 通气孔应力求减少转弯，突变，以减少阻力。,第四节 隧洞洞身段,一、洞身断面形式,1.无压洞,（1）城门洞形（圆拱直墙形） 优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的隧洞其进出口与渠道连接也简

16、单。 顶拱中心角：90180。 适用：垂直山岩压力较大，而无侧向山岩压力或侧向山岩压力很小的情况。为减小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的。,第四节 隧洞洞身段,一、洞身断面形式,1.无压洞,（2）马蹄形（由三个不同半径的圆弧组成） 适用：岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大情况。,（3）圆形 适用：围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。 （4）蛋形,第四节 隧洞洞身段,一、洞身断面形式,2.有压洞,（1）圆形：水流条件和受力条件均有利；在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。 （2）也可以采用无压洞的断面形式在围岩较好，内水压力不大时，为了施工方便。,洞身断面尺寸，可根据

17、给定的泄流量，作用水头及纵断面布置，通过必要的水力计算及水工模型试验确定。另外，在确定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等方面的需要，圆形断面的内径不小于1.8m，非圆形洞的断面不小于1.5m1.8m。,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,1.衬砌的作用,（1）阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定；（2）承受山岩压力、内水压力及其它荷载；（3）防渗漏；（4）保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；（5）减小隧洞的表面糙率等。,按衬砌目的分：平整衬砌、受力衬砌按材料分：砼衬砌、钢筋砼衬砌、浆砌石衬砌,2.衬砌类型,2、3类围岩采用素混凝土衬砌，4、5类围岩采用钢筋混凝土衬砌,

18、第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,3.衬砌分缝,分缝原因：混凝土或钢筋混凝土衬砌在施工和运用期： 由于混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝； 当隧洞穿过地质条件变化显著地区（通过断层、破碎带及其它软弱地带）可能由于不均匀沉降而产生裂缝； 施工只能是分块分段浇筑。,（1）施工缝（临时） 横向（垂直轴线）：间距由浇筑能力定； 纵向（平行轴线）：根据浇筑能力，缝设在顶拱、边墙及底板分界处或是内力较小部位； 施工缝：需进行凿毛处理或设插筋以加强其整体性。,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,3.衬砌分缝,（2）伸缩缝（永久）：防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝。间距：612m，缝中设止水。 （3）沉降缝

19、（永久）：设置部位： 通过断层破碎带或软弱带：衬砌加厚，厚度突变处； 洞身与进口渐变段等接头处，可能产生较大位移的地段。 缝中设止水，填沥青油毡或其他填料。 实际工程中：横向施工缝、沉降缝、伸缩缝，尽量结合在一起。,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,4.灌浆,目的：为了充填衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏。 做法：在顶拱部位预留灌浆管，在衬砌完成后，通过预埋管进行灌浆。 范围：一般在顶拱中心角90120以内。 孔距、排距：一般为26m（深入岩体5cm）。 灌浆压力：混凝土衬砌0.20.3MPa；钢筋混凝土衬砌0.30.5MPa。（过高会破坏衬砌结构）。,（1

20、）回填灌浆,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,4.灌浆,（2）固结灌浆,目的：在于加固围岩，提高围岩的整体性和承载能力，减小渗漏。 范围：整个断面。 孔深：入岩25m，对于围岩条件差的地段或直径较大的隧洞达610m。 排距：24m，每排不宜少于6孔，作对称布置。 灌浆压力：一般采用0.41.0MPa或更大，对于有压隧洞可用1.52.0H(H为内水压力)。,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,4.灌浆,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,5.排水,作用：降低作用在衬砌上的外水压力。 （1）有压洞：外水压力一般不控制衬砌设计，仅在外水压力较大时设置排水。 （2）无压洞：外水压力较大时，设置排水（径向、

21、纵向） 径向：在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔 排水孔距、排距一般为24m 深入岩体24m，将地下水引入洞内。 在洞内水面下也有设置排水孔（如刘家峡电站导流洞），因为隧洞放空后，底板及侧墙难以满足抗浮稳定。,第四节 隧洞洞身段,二、洞身衬砌,5.排水,总之，有压洞的外水压力能抵消一部分内水压力，除外水压力起控制作用的特殊情况外，一般不需设排水，特别是有压洞覆盖层厚的进口附近，地质较差的地段，围岩内存在易溶填充物，不宜设排水，而应加强固结灌浆。,第五节 隧洞出口段及消能设施,一、出口段的布置,1.无压洞： 出口仅设有门框（以防洞脸及上部岩石崩塌），并与消能设施的两侧边墙衔接。 2.有压洞 出口常

22、设工作闸门、启闭机室。闸门前有渐变段（洞圆门方），出门之后为消能设施，为避免负压，常采用断面收缩的方法。,第五节 隧洞出口段及消能设施,二、消能方式,常用：挑流、底流、洞内突扩消能。近年来，国内也出现了窄缝挑流消能、洞内旋流消能等。,1.挑流消能（常用扩散式） 适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地质条件允许时。 优点：经济合理。 注意：尽量不要冲刷对岸。 形式：斜切式挑流鼻坎（洞轴线与河道交角小）、横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。,第五节 隧洞出口段及消能设施,二、消能方式,第五节 隧洞出口段及消能设施,二、消能方式,2.底流消能：优点：消能比较充分平稳。 缺点：开挖量大，施工时间长，造价高

23、。,3.突扩消能（孔板消能） 洞中突扩消能：在有压隧洞中分段造成出流突然扩散，与其周围水体之间形成大量漩涡、掺混而消能。 小浪底导流洞改建为压力泄洪洞，采用多级孔板消能方案，在直径为14.5m的洞中布置了三级孔板，孔径与洞径比分别为0.69、0.724和0.724，孔板的间距为3D=43.5m。由模型试验得知，水流通过孔板突扩消能，可将140m的水头削减70%，洞壁最大流速仅为10m/s左右。,第五节 隧洞出口段及消能设施,第五节 隧洞出口段及消能设施,二、消能方式,4.旋流消能 洞内旋流消能：是在隧洞内设置造旋设施，使水流产生旋转，利用水流的离心力增加过流壁面压强，以防止过流壁面空蚀破坏。按其消能方式可分为螺旋流沿流程均匀消能和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和水平螺旋流消能。 优点：有利于高水头泄洪洞防止过水壁面空蚀破坏，有利于洞中水流与下游衔接，有利于泄流量变化时消除明满流过渡流态，有利于导流洞改建为泄洪洞。,沙牌水电站旋流消能竖井布置 （单位：m）,THE END,