水工隧洞与坝下埋管

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1、第七章第七章 水工隧洞与坝下埋管水工隧洞与坝下埋管 第一节第一节概述概述 一、水工隧洞得类型 分类方法：按功用分、按受力状态分。 （一）按功用分： （1）泄洪 （2）引水：发电、灌溉、供水；航运输水。 （3）排沙 （4）放空水库 （5）施工导流（二）按受压状态分： （1）有压： 水力计算 、管流计算 在工程布置 1 受力情况 （2）无压： 明渠流计算 运行条件上差别较大。（同一条洞前段有压，后段无压） 禁忌：明满流交替 危害：（1）易引起振动、空蚀。（2）影响泄流能力。 具体道一个工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。 二、水工隧洞得工作特点 （1）水力特点： 深泄水孔：a 泄

2、水能力于 H1/2成正比。B 进口位置低，能预泄。C 承受得水头较高，易引起空化、空蚀。D 水流脉动会引起闸门等振动。E 出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。 （2）结构特点： a 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。 B 承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。 （3）施工特点： 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。 三、水工隧洞得组成 主要包括下列三部分： （1）进口段 （2）洞身段 （3）出口段 四、水工隧洞得布置及线路选择四、水工隧洞得布置及线路选择 （一）总体布置及线路选择 1总体布置

3、 （1）应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。 （2）在合理得选定洞线得基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口得位置及进 口结构形成，确定闸门在洞口中得位置。 （3）确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。 （4）根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间得相互关系，选定出口得位置，底扳高程及消能方式。 （二）线路选择 选线室设计中得一个至关重要得问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运 行可靠性等方面。 （1）隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，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。 （2）洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费

4、用，方便施工、减少水头损 失，便于施工。 必须转弯时，其直线半径不宜小于 5 倍得洞径或洞宽，转角不宜大于 60o，弯 道两端得直线段不宜小于 5 倍洞径（或洞宽） （3）隧洞应有一定得埋藏深度。 （4）隧洞感的纵坡，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。 （5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、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。 （6）要考虑进出口于其它建筑物的关系： 如果水库所建的坝时土石坝，则进口应距离坝坡 50M 以上，出口应距离坝坡 100M 以上，以免水流冲刷坝坡。 排沙洞，为了保证电站进水口免受泥

5、沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电 站进口的上游侧，高程比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗范围内。泄水隧洞的出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边的冲刷。每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示：平面图表示出：地形、隧洞和其它建筑物的关系，进口位置、闸门位置、施工旁洞、 竖井、堆渣地点等。纵剖面图表示出：地质构造、断层破碎带以及其它地质特点，以及进出口及闸门位 置、底坡的坡率、洞底高程。 （三）闸门在隧洞中的布置 泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门） 1 检修门：设在进口 2 工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。 （1）布置在进口：一般为无压洞也可以是有压洞

6、。 （平时利用闸门挡水，保持洞内无水） （2）布置在出口：有压洞。 （3）布置在洞身某一位置 A 由于地形、地质、施工和枢纽布置 1 的原因，隧洞线路需要转弯，闸门室 易布置在转弯段后的直线段上。 B 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。 （ 四） 多用途隧洞的布置一洞多用，或临时任务与永久任务相结合 这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置 1 的困难。 1泄洪洞与导流洞合一布置 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”式泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏

7、，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施。 2泄洪洞与发电洞合一布置 布置型式： 存在问题： 1） 岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压合空蚀。 2） 泄洪时堆发电不利。 3泄洪洞与排沙洞合一布置 排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。 问题：1）闸门压力大，启闭困难。 （洪水期开启，水头高）2） 泥沙堆积，闸门不易开启第二节第二节 进出口段建筑物进出口段建筑物一、形式及计算要点按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式。适用条件优缺点计算要点竖井式：地质条件好地形适宜 干井弧门 湿井平门优：结构简单、不受风浪、 水的影响，抗震及稳定好

8、， 地形条件适宜时，工程量较 小。 缺：竖井前的一段隧洞检修 不便。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。塔式：岸坡低缓，岩石破碎 或覆盖层较厚。优：对于取水用的封闭塔， 可在不同高程设置取水口， 取用上层温度较高的清水。 缺：受风浪、地震、冰的影 响大，稳定性相对较差，需 要工作桥与库岸相连。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（将立体框 架简化成平面问题计算）岸塔式：岸坡较陡，岩石比 较坚固稳定。优：稳定性比塔式好，施工、 安装比较方便，无须接岸桥 梁。 缺：受风浪、冰、地震优一 定

9、影响。基本方法同塔式，另外应考 虑塔背是否作用有岩石压力。斜坡式：完整的岩坡，地形 适宜，闸门及拦污栅的轨道 直接安装在斜坡的护砌上。优：结构简单，施工、安装 方便，稳定性好，工程量小。缺：闸门面积加大，关门时 不易靠自垂下降。二、进口段的组成部分：包括：进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。 （一）进水喇叭口位置：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合空隙破坏。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：12222 by ax

10、式中：a 长半轴 顶板约等于闸门处的孔口高度（H） 边墙约等于闸门处的孔口宽度（B）b短半轴 顶板：H/3边墙：（1/31/5）B 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 1：41：6 的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防 止发生空蚀。 检修门槽前的入口段长度可控制在（0。81。0）倍工作闸门处的孔口高度范围内。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 布和水流流态） 。 （二）通气孔 1 位置：设在泄水隧洞进口或中部的

11、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分输水直至平压，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 孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。 4 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，其断面多为圆形，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。 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孔：09. 0aawaVQaAVQA隧

12、洞断面积 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）式中：风速系数，取 0。6aB闸门处孔口宽度（M） a通气孔断面面积闸门后的隧洞的长度aL闸门孔口处的水流流速，m/s。wV闸门后隧洞或管道水面以上空间面积（m2） ，通常 Aa6， （仅均匀内水压力作用）内水压力在 20m 以下，用素混凝土。超过 20m，宜用钢筋混凝土。 （一）均匀内水压力作用下的内力计算计算方法的基本原理：将衬砌视为无限弹性介质中的厚壁圆管，根据衬砌和围岩接触面的径向变位相容的条件，求出以内水压力 P 所表示的弹性抗力，再利用轴对称受力圆0P管的弹性力学厚壁管公式计算衬砌的抗力。如图所示，在内水压力 P 的

13、作用和弹性抗力作用下，按图衬砌在均匀水压力弹性理论平0P面变形情况，求得厚壁管管壁任意半径 r 处的径向变位为：u1)21 ()(1)()21 ( )1 (022222pttrrptrrEruee 取，得衬砌外缘的径向变位为：err eu1)21 (1 11)21 ()1 (0222pttptErue e式中 E衬砌材料的弹性模量；衬砌材料的泊松比；衬砌外半径之比， tiiiie rh rhr rrt1当开挖的洞壁作用有时，按文克尔假定，洞壁的径向变位，0P 000100Krp Kpye此处，K 为岩石的弹性抗力系数，为单位弹性抗力系数。根据变形相容条件，整0Keuy 理后可得围岩的弹性抗力为

14、（818）pAtAp201（819）)21)(1 ()1 (00 uuKEuKEAA 为弹性特征因素，式中的 E、分别以 kPa 和计；若以和0K3/mKN2/cmkg为单位，则需要将式中的 E 改为 0.01E。3/cmkg按弹性理论的解答，厚壁管在均匀内水压力 p 和弹性抗力作用下，管壁厚度内任意半0P径 r 处的切向正应力为t（820）0222221)(1)(1 ptrrt ptrreet 将式（818）代入式（820） ，分别令，即可得到单层衬砌在均匀内水压eirrrr,力 p 作用下边缘切向拉应力和外边缘切向拉应力为iepAtAti22 pAtAe21因为，显然,这表明衬砌内壁的切向

15、应力恒大于外壁的切向应力.当不考1ie rrtie虑弹性抗力时,即=0,则 A=1.0K如果 1。围岩厚度大于 3 倍开挖洞径 衬砌计算只考虑2 洞径 D6 时 内水压力6Kf1混凝土衬砌求混凝土的衬砌厚度，在 821 式中，泠泠混凝土允许轴心抗拉强度。hliil hlKR抗拉极限强度lR抗拉安全系数iK解出 t 得： PPAthlhl 2 （823） 11PPArhrh rrthlhl iiieQ（823）式存在缺点：当与 P 的数值逐渐接近时，h 逐渐扩大到不合理程度。hl为虚数时，时，hphphlhl 为了不使混凝土衬砌过厚，对坚固岩体内的混凝土衬砌，一般限制水头不大于 20m，超过 时，宜用钢筋混凝土。混凝土应力校核： 1222hlehlipAtApAtAt除内水压力外，还有其它的荷载作用，计算各种荷载单独作用时产生的轴向力和弯矩，再 按下式校核混凝土衬砌的切向拉应力：il hl eiKR FNWM式中：W抗力矩（）62bhF断面积，即 F=bh如需求出在均匀水压力作用下的断面内力，可先算、，然后近似按直线分布，求出ie轴向拉力 N 和弯矩。2)32()(2 hhhIMhNeiei