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本节课我们学习

水工隧洞的洞身段及出口段

对于洞身段

涉及洞身的断面型式

断面尺寸及断面衬砌等内容

出口段主要为出口体形及消能防冲

其中部分内容前面已有提及

且与重力坝和拱坝泄水建筑物有类似之处

本节仅对部分设计要点进行简要介绍

1、洞身断面型式

断面型式的选择

需考虑水流流态、地质条件

施工条件及运行要求等

对于无压隧洞

多采用如图所示的城门洞形

也叫做圆拱直墙形断面

其顶部为圆拱

适于承受铅直向的围岩压力

且便于开挖和衬砌

顶拱中心角多在90~180°之间

断面的高宽比一般为1~1.5

当水深变化较大时

采用大值

若围岩条件较差

为改善隧洞衬砌的支承条件

也可以采用如图所示的马蹄形断面

当围岩条件差且外水压力大时

也可以采用圆形断面

对于有压隧洞

一般均采用圆形断面

对水流条件和受力条件都较为有利

当围岩条件较好、内水压力不大时

为了施工方便

有时也可采用采用城门洞形或马蹄形

2、洞身的断面尺寸

断面尺寸需根据运行要求、泄量大小

作用水头、剖面布置等因素

通过水力计算确定

对于重要工程还需进行水工模型试验加以验证

对于有压隧洞

水力计算的任务是核算泄流能力和沿程压坡线

其中

泄流能力的计算按照

如图所示的管流公式

其中Q为泄流量

μ为流量系数

ω为隧洞出口的断面面积

H为作用水头

通过该公式

由隧洞承担的泄量反推出断面面积

并根据断面形状

确定断面尺寸

洞内的压坡线可根据能量方程分段求出

为保证洞内水流处于有压状态

全线洞顶压力应大于2m的水头压力

对于无压隧洞

水力计算的主要任务是

计算其泄流能力及洞内水面线

当流速较大时

还需要研究掺气减蚀问题

其中泄流能力的计算

对于表孔溢流式进口

按照堰流计算

对于深式短管型进口

泄流能力取决于进口压力段

仍采用管流公式计算

但其流量系数应考虑进口段的局部水头损失

一般在0.9左右

而ω取为工作闸门处的孔口面积

对于工作闸门之后

为无压段

可用能量方程分段求取水面线

为保证洞内为稳定的明流状态

要求水面以上应有足够的净空

当流速较低、通气良好时

净空不小于洞身断面面积的15%

高度不小于40cm

流速较高时

还应考虑掺气和冲击波引起的水面抬高

净空面积一般为洞身断面面积的15%~25%

对于城门洞形断面

还应将包含冲击波的

水面线峰值限制在直墙范围之内

隧洞断面尺寸在满足上述要求的基础上

还需要满足洞内施工和检修的需要

尺寸不能太小

对于圆形断面内径不小于1.8m

对于非圆形断面不小于1.5m×1.8m

3、洞身的衬砌

为保证水工隧洞的安全运行

通常需要对隧洞进行衬砌

衬砌的作用有多个方面

限制围岩变形

保证围岩的稳定

承受围岩压力和内水压力

形成防渗层

防止发生渗漏

保护岩石免受水流、空气

温度和干湿变化的破坏

增强壁面的光滑度

减小表面糙率

保证泄流能力

洞身衬砌可以采用不同的型式和材料

最简单的是第一种

平整衬砌

也称为护面或抹平衬砌

厚度较小

衬砌不承受作用力

只是减小表面糙率

防止渗漏和保护岩石

对于无压隧洞

若岩石条件较好

也可以只衬砌过水部分

平整衬砌适用于围岩条件较好

能自行稳定

且水头和流速较低的情况

可以采用混凝土、浆砌石

或喷混凝土等材料

第二种是单层衬砌

由混凝土、钢筋混凝土

或浆砌石等单层材料做成

具有一定的厚度

衬砌承担作用力

适用于中等地质条件、断面较大

水头及流速较高的情况

根据工程经验

衬砌厚度一般约为洞泾或洞宽的1/8~1/12

且不小于25cm

经衬砌计算确定

第三种是组合式衬砌

可采用内层钢板或钢筋网

外层混凝土或钢筋混凝土型式

或顶拱采用混凝土

边墙和底板采用浆砌石

以及顶拱和边墙喷锚后

在进行混凝土或钢筋混凝土衬砌等型式

适用于软弱破碎岩体

自稳能力较差

易发生塌方的情况

以上三种衬砌型式

具体选择哪一种

应根据工程的具体条件综合分析确定

对于有压圆形隧洞

通常采用混凝土

钢筋混凝土单层衬砌较为普遍

当内水压力较大、围岩条件较差

钢筋混凝土衬砌不能满足要求时

可采用内层为钢板的组合式衬砌

对于无压隧洞

通常采用城门洞形断面

和整体钢筋混凝土衬砌

也可以采用喷混凝土或加钢筋网

与混凝土或钢筋混凝土组合衬砌型式

当围岩坚硬、完整、裂隙少

稳定性好且不易风化时

对于流速较低、流量较小的

引水发电或导流隧洞

也可以不加衬砌

但应考虑糙率增大

对其泄流量和断面尺寸的影响

由于隧洞洞线较长

衬砌混凝土也需要分段分块浇筑

因此也需要设置分缝

为防止混凝土干缩和温度应力而产生裂缝

在相邻分段间需设置如图所示的环向伸缩缝

分段长度一般为6~12m

并根据需要在缝面设置平缝、键槽、止水等

对于同一横断面

考虑施工的需要

设置纵向施工缝

圆形隧洞常设在于中心铅直线夹角45°处

如图所示

对于城门洞形隧洞

为便于施工

一般将纵向施工缝设置在顶拱

边墙和底板的交界附近

缝内同样可以设置键槽和止水

水工隧洞洞身除衬砌之外

还涉及灌浆

分为回填灌浆和固结灌浆

其中

回填灌浆是为了充填衬砌

与围岩之间的空隙

使之结合紧密共同受力

以发挥围岩的弹性抗力作用

并减少渗漏

回填灌浆的范围

一般在顶拱中心角90~120°以内

在浇筑顶拱混凝土时

可预留灌浆管

待衬砌完成后

通过预埋管进行灌浆

灌浆孔、排距为2~6m

灌浆孔深入围岩5cm以上

灌浆压力0.2~0.5MPa

对于固结灌浆

其目的在于加固围岩

提高围岩的整体性

减小围岩压力

减少渗漏

固结灌浆应均匀分布于隧洞断面周围

采用对称布置

对于相邻断面错开排列

固结灌浆的孔、排距宜采用2~4m

灌浆深度根据围岩情况和防渗要求而定

一般可取0.5倍洞泾

灌浆压力可采用1~2倍内水压力

为保证固结灌浆效果

应在回填灌浆7~14天之后进行

此外

为降低作用在衬砌上的外水压力

还需要在衬砌上设置排水

对于有压隧洞

内水压力较大

外水压力一般不起控制作用

可不设置排水

当外水位很高时

也可设置纵向排水管

环向排水槽相互连通排水

对于无压隧洞

当地下水位较高时

外水压力成为衬砌的主要荷载

可在洞底设置纵向排水管通向下游

或在洞内水面线以上的衬砌设置排水孔

将地下水直接引入洞内排走

以上为水工隧洞洞身段的设计要点

对于出口段及消能防冲

与重力坝和拱坝泄水建筑物类似

设计要点主要有以下几点

有压隧洞

在出口设置工作闸门

闸门前需设置圆形断面至方形断面的渐变段

另外

在有压隧洞出口处

水流从压力流突然变成无压流

引起出口附近压力降低

容易在该部位顶部产生负压

因此

在末端常将出口断面适当收缩

收缩比为0.85~0.9

以避免出口部位产生空蚀破坏

对于无压隧洞

如图所示

出口段仅有门框

保证洞口及上部岩体稳定

并与出口两侧边墙连接

对于出口水流的消能防冲

与重力坝、拱坝和溢洪道的消能类似

可采用挑流消能、底流消能等型式

也可以采用窄缝挑流消能

洞内突扩消能

洞内旋流消能

以及新型的辅助消能工等

使得下泄水流的能量得以消散

避免对下游河道和岸坡产生冲刷破坏

具体的消能防冲设计

可参见前面章节的相关内容