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1、第七章 水工隧洞设计 熟练掌握选择水工隧洞的基本条件与设计原则。 熟练掌握洞线选择与进、出口布置原则。 熟练掌握隧洞受力状态与隧洞断面型式及尺寸选择。 掌握隧洞水力计算与出口消能设计。 熟练掌握隧洞支护与衬砌的基本型式与选择。 掌握衬砌结构设计。 了解钢筋混凝土岔管布置。 掌握隧洞灌浆、防渗与排水设计。 太平峪引水隧洞 第一节 水工隧洞分类 水工隧洞设计应符合SL279-2002（或 DL/T5195-2004）水工隧洞设计规范的要求。 水工隧洞是以输水为目的，在岩、土体中通 过开挖形成的隧洞，不包括埋管和回填管。水工隧洞 可按不同原则分类。按其用途，水工隧洞可以分为： 发电隧洞；灌溉隧洞；供
2、水隧洞；导流隧洞；排水隧 洞；泄洪隧洞；航运隧洞；排沙隧洞；多用途隧洞 按隧洞过水流态可分为有压隧洞和无压隧洞，在同 一条隧洞中允许有不同流态，如上游为有压隧洞，下游 为无压隧洞； 按对围岩加固方式可分为不衬砌隧洞，喷锚衬砌隧 洞，混凝土或钢筋混凝土衬砌隧洞； 按流速大小可分为低流速隧洞和高流速隧洞。 第二节 水工隧洞选择基本条件与设计原 则 （一）选择水工隧洞的基本条件 （1）水工隧洞不受地形影响，可以在两点间取直线，以最小的水 头损失换取最大的落差； （2）泄水建筑物设计用明渠因挖方过大而不经济； （3）修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩及冰冻威胁； （4）深山峡谷中修建当地材料坝无
3、条件采用其他导流及泄洪建筑 物； （5）水电站厂房采用地下结构。 （二）水工隧洞设计原则 （1）水工隧洞的级别按现行GB502011994防洪标准和 DL5180-2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准、 SL2522000水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准的规定 执行。 （2）水工隧洞设计应满足工程总体规划和环境及水土保持要求 。 （3）水工隧洞的设计除符合SL2792002水工隧洞设计规范 和DL/T5195-2004水工隧洞设计规范外，还应符合国家现 行有关标准的规定。 （三）基本资料的收集与分析 （1）水工隧洞设计应根据隧洞用途和不同设计阶段的要求，收 集的基本资料。 （2）地质资
4、料是水工隧洞设计的重要依据之一，也是施工、运 行的重要资料，水工隧洞开工前，设计人员应逐步地详细掌握 隧洞地区的基本地质情况。 （3）对高地应力区1、2级水工隧洞的重要洞段，设计人员应在 初设阶段掌握地应力的测验成果，并做出评价。施工阶段应根 据地应力的现场复核成果，对设计进行校核、补充或修改。 （1）水工隧洞的线路应根据隧洞的用途，综合考虑地形、地 质、水力学、施工、运行、沿线建筑物、枢纽总布置及对周 围环境的影响等因素，通过技术经济比较选定。 （2）在满足枢纽总布置要求的条件下，洞线应选在线路短、 沿线地质构造简单、岩体完整稳定、上覆岩层厚度适中、水 文地质条件有利及施工方便的地区。 （3
5、）洞线布置宜避免相邻建筑物的不利影响。 （4）洞线布置应根据隧洞区岩层及主要地质构造的分布特性 ，满足的要求。 第四节 水工隧洞洞线的选择 （5）隧洞沿线遇有断裂构造、不利构造面、软弱带、蚀变带、膨 胀岩等时，应充分考虑地下水活动的影响，注意围岩的稳定条件 。 （6）在高地应力区，水工隧洞的轴线方向宜与最大水平地应力方 向有较小交角。 （7）水工隧洞垂直和侧向最小覆盖厚度，应根据地质条件、隧洞 断面形状及尺寸、施工成洞条件、内水压力、支护（衬砌）型式 、围岩渗透特性等因素，按要求综合分析决定。 （8）相邻两隧洞间的岩体厚度，应根据布置需要、地质条件、围 岩承受的内水压力、围岩的应力和变形、隧洞
6、横断面尺寸和形状 、施工方法和运行情况（如一洞有水临洞无水）等因素综合分析 决定。 （9）经论证必须穿过坝基、坝肩或其他建筑物基础的水工隧洞， 与建筑物基础之间的围岩应有足够的厚度，满足建筑物基础和隧 洞对应力、应变、稳定和渗透的要求。 （10）洞线遇有沟谷时，应根据地形、地质、水文及施工条件进 行绕沟或跨沟方案的技术经济比较。当采用跨沟方案时，应合理 选择跨沟位置。 （11）沿河傍山地段的土洞，洞线应向山里侧内移，避免产生偏 压，防止水流冲刷山体影响洞身稳定。 （12）洞线在平面上宜布置为直线。如需要设置弯段时，应符合 的要求。 （13）洞身段设置竖向曲线时，对高流速隧洞（有压或无压）， 其
7、型式和竖向曲线半径应通过试验确定。 （14）水工隧洞设置平面或竖向曲线时其弯曲半径尚应考虑施工 方法和大型施工设备的要求。 （15）洞身段的纵坡应根据运用要求、上下游衔接、沿线建筑物 的底部高程以及施工和检修条件等综合分析决定。 （16）布置在多泥沙河流上的排沙隧洞，其平面和竖向的转弯曲 线、转弯角度、纵坡坡度均应通过水工模型试验确定。泥沙问题 是个复杂的问题，二维计算成果还不能很准确地反映实际冲淤分 布，故多沙河流上排沙洞的布置不便用计算解决，有关布置问题 规定用水工模型试验确定。 （17）长隧洞需设置施工支洞时，支洞的数目及长度应根据隧洞 沿线地形地质条件、施工方法、对外交通情况，并有利于
8、均衡各 段隧洞的工程量及工期的要求分析决定。地质条件较差时，应研 究施工支洞对主洞的影响。 （18）布置水工隧洞时应考虑临时占地、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。宜使原自然环境较少破坏，较易恢复，环境投资最小 。 （1）进、出口布置，应根据枢纽总体布置要求、地形地质条 件，使水流顺畅，进流均匀，出流平稳，满足使用功能和运行 安全的要求，并应考虑闸门、拦污清淤设备的设置及对外交通 。 （2）进、出口宜选在地质构造简单，岩体完整，风化覆盖层 较浅的地区，避开不良地质构造和容易发生崩塌、冲沟、危崖 、滑坡的地区。 （3）进、出口布置应充分考虑
9、水工隧洞的布置。在地形地质 条件较复杂地区，应通过技术经济论证，选择最佳布置方案。 第四节 进、出口布置 （4）进、出口洞脸和两侧边坡宜避免高边坡开挖。无法避免 时，应分析开挖后的稳定性，采取相应的加固措施。 （5）进、出口应有必要的清坡范围，并采取适当的工程措施 ，防止覆盖层、坡积物、松动岩块等在风力、地面径流、水位 变化等自然因素作用下滚落，影响其正常运行。 （6）土洞洞口应选在山坡稳定、土质条件较好处，不宜布置 在卸荷带上。 （7）土洞洞口与渡槽、岩洞等建筑物连接处应设永久缝。在 寒冷地区，应结合防冻要求加深洞口基础埋深，基底标高应符 合SL2111998、DL/T5082-1998水工
10、建筑物抗冻设计规范 的规定。 （8）有压泄水隧洞的出口洞段体形设计应符合的要求。 （9）泄水隧洞的出口，应根据地形地质和水力学条件，运行方 式，下游水深和变幅，下游河床的抗冲能力，水流衔接、消能防 冲要求以及对相邻建筑物的影响，通过技术经济比较选择适宜的 消能防冲措施。 （10）布置泄水隧洞时，应根据可能出现的泄洪运行工况，充分 研究泄水隧洞出口的位置、水流流态、冲淤范围和对相邻建筑物 的影响，并宜通过技术经济比较和水工模型试验验证确定合理方 案。 （11）对有压隧洞排水补气、充水排气和无压隧洞水面线以上的 通气以及其他需要通气的洞段，应估算通气面积，并留有余地。 (1) 选择隧洞布置方案时，
11、应根据隧洞的用途、使用和施工条件 ，在保证隧洞可靠运行的前提下，研究临时与永久相结合以及一 洞多用的合理性。 (2) 临时与永久相结合的隧洞，应对洞线、纵坡、支护及衬砌型 式、进出口高程及位置、运行及检修条件等进行综合比较论证。 (3) 泄洪与发电共用一条主洞布置时，必须保证各自的运行要求 和较好的水力条件，安全宣泄规定的泄洪流量，保证发电隧洞的 压力状态及发电时的最小水头，并采取适当的措施，防止机组振 动和分岔附近空蚀破坏。泄洪洞宜布置在主洞上，发电洞宜布置 在支洞上。 第五节多用途隧洞的布置 (4) 主、支洞的分岔角宜在3060范围内选取，在满足布置 和结构要求的条件下，应采用较小的分岔角
12、度。 (5) 泄洪、发电共用一条主洞时，分岔型式宜根据水头、流量以 及分流比确定，必要时应进行水工模型试验验证。分岔后发电洞 的长度不宜小于10倍洞径或洞宽（若泄洪时不发电或发电引水系 统有稳压设施，则长度可适当减小）。 当发电洞设置调压（减压）设施时，其分岔位置、型式、分流比 等，都应经过整体水工模型试验验证。 (6) 永久泄洪洞与导流洞结合时，除采用常规的外部消能外，可 结合工程条件进行内部消能（如孔板消能、漩涡消能）或内、外 结合消能的方案比选。 第六节 水工隧洞压力状态及洞型尺寸 （一）压力状态选择 （1）发电引水隧洞宜采用有压隧洞。当上游水位变化不大、引 用流量比较稳定时，可采用无压
13、隧洞。 （2）有压隧洞严禁出现明满流交替运行的运行方式，在最不利 运行条件下，洞顶以上应有不小于2.0m的压力水头。 （3）高流速的泄水隧洞，严禁采用明满流交替运行方式。 低流速泄水隧洞，正常情况下按明流方式运行者，可在校核洪水 位时出现明满流交替的运行方式。 （4）导流隧洞经论证在设计过流条件下水流流态不致造成洞身 破坏时，可采用明满流交替的运行方式。 （5）土洞宜采用无压隧洞。采用有压隧洞时，应根据土体抗力 、内水压力、土体的渗流变形等情况，选定适宜的衬砌型式。 （二）水工隧洞的受力状态 水工隧洞可能受以下荷载的作用： （1）围岩压力； （2）围岩弹性抗力； （3）地层摩擦力； （4）衬砌
14、自重； （5）均匀内水压力； （6）满洞水压力； （7）外水压力； （8）灌浆压力； （9）温度压力； （10）地震力。 （三）横断面型式 （1）隧洞的横断面形状应根据隧洞的用途、水力学、工程地质与 水文地质、衬砌工作条件以及地应力情况、施工方法等因素，通 过技术经济分析确定。 （2）有压隧洞宜采用圆形断面。在围岩稳定性较好，内、外水压 力不大时，可采用便于施工的其他断面形状。 （3）高地应力区采用非圆形断面时，断面的高宽比与地应力条件 相适应，若水平地应力大于垂直地应力时，宜采用高度较小而宽 度较大的断面；若垂直地应力大于水平地应力时，宜采用高度较 大而宽度较小的断面。 （4）对发电与泄洪、
15、导流与发电或导流与泄洪等共同的多用途隧 洞，断面形状应经技术经济比较后确定，必要时宜通过水工模型 试验验证。 （5）较长隧洞可采用多种断面形状和衬砌型式，但不宜过多过密 。不同断面或衬砌型式之间应设置过渡段，过渡段的边界应采用 平缓曲线，并便于施工。 （四）横断面尺寸 （1）水电站、抽水蓄能电站或泵站输水隧洞（引水及尾水洞） 的断面尺寸，应进行经济断面论证。 （2）灌溉隧洞的横断面尺寸，应根据隧洞的进、出口高程和加 大流量确定。 （3）泄洪隧洞的横断面尺寸，应在各种可能运行条件下均能满 足规定的过流能力要求。并应通过技术经济比较确定。 （4）导流隧洞的横断面尺寸，应根据导流流量的要求，结合进
16、口高程、围堰的高度、出口水流衔接以及通航、过冰、施工要 求等，通过技术经济比较确定。 （5）多用途隧洞的横断面尺寸，除应满足各自的运行要求外， 共用部分应通过技术经济比较确定。 （6）横断面的最小尺寸除应满足运行要求外，还应符合施工要 求。圆形断面的内径不宜小于1.8m；非圆形断面的高度不宜小 于1.8m，宽度不宜小于1.5m。 （7）在低流速无压隧洞中，若通气条件良好，在恒定流情况下 ，洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面面积的15，且高 度不应小于400mm；在非恒定流条件下，若计算中已考虑了涌波 时，上述数值允许适当减小。 （8）高流速无压隧洞的横断面尺寸宜通过试验确定，并宜考虑 掺气的影响。 第七节 水工隧洞水力计算 1 . 水工隧洞水力计算应根据隧洞用途和不同设计阶段在 下列项目中选择： （1）过流能力； （2）上、下游水流衔接； （3）水头损失； （4）压坡线； （5）水面线； （6）掺气、充放水方式及其他水力现象。 2水工隧洞的沿程水头损失和局部水头损失应分别进行计 算，并应符合下列规定： （1）沿程水头损失
