水工隧洞及坝下涵管

第七章 水工隧洞与坝下涵管
7.3水工隧洞各组成部分的形式及构造
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进口段
• 水工隧洞的组成
洞身段
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出口段
7.3.1 进水口的形式及构造
一、进口建筑物的形式
按其布置及结构形式的不同，隧洞的进口建筑物的型式 主要有：竖井式、塔式、岸塔式及斜坡式等几种。 （1）竖井式 如图7-5所示，它是在隧洞进口附近的岩 体中开凿的竖井，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，节省了工作桥，且不受风浪的影响，受 冰冻、地震的影响也比较小，运行比较安全可靠。但竖 井的开凿比较困难，且闸门前的进口段和洞身段经常处 于水下，检修不便。当隧洞进口段岩石坚固，开凿竖井 无塌方危险时多采用这种型式。
3）预应力衬砌，预加应力的方法，以压浆 式最为简单。 压浆式衬砌，是用高压将水泥沙浆或水泥 浆灌注到衬砌外层预留的空隙中，使衬砌 承受预加的压应力，以抵消运用时产生的 拉应力，这样不仅能减少衬砌厚度，减少 隧洞开挖量，节约水泥、钢材，还可以增 强衬砌的抗裂性和不透水性。但这种衬砌， 施工复杂、工序多、高压灌浆技术要求高、 工期较长。预应力力衬砌多用于高水头圆 形有压隧洞。
（2）无压隧洞的断面尺寸，主要根据通过的流量确定，但应满足施工和 维修的要求，如有通航要求时，还应满足通航要求。 确定断面尺寸，先要进行水力计算。在恒定流情况下，首先判断属 于长洞或短洞，然后分别不同情况计算洞内水深。再根据流速的大 小，在水面以上留一定的净空据以得出过流所要求的断面。 为了保证洞内为明流状态，洞内水面线必须留有一定的净空。在恒 定流情况下，当流速较底，通气良好时，要求空面积不小于断面面 积的15﹪，且净空高度不小于40cm。当流速较高时，还应考虑掺 气的影响，在掺气水面以上的净空面积约为洞身断面面积的15﹪～ 20﹪，对于圆拱直墙式断面，过流引起的冲击波波峰还应限制在直 墙范围之内。 隧洞断面的高宽比一般为1.0～1.5，洞内水位变化大时，宜采用大 的比值。同时应考虑施工和检查维修的需要，一般非圆形断面尺寸 变化较大时，宜采用大的比值。同时应考虑施工和检查维修的需要， 一般非圆形断面尺寸（宽×高）不小于1.5m×1.8m。圆形断面的 内径不小于1.8m。
2.衬砌的分缝和止水 混凝土和钢筋混凝土衬砌，在穿过断层，软弱破碎带以及 和竖井等交会处，或其它可能产生较大的相对变位处，应 设置横向 变形缝，并采用相应措施。通过断面和破碎带 的衬砌在两个变形缝之间还应局部加厚。 围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。 沿洞线的浇筑分段长度，应根据浇筑能力和温度收缩等因 素分析确定，一般可采用6~12cm，底拱和边拱、顶拱的 环向缝不的错开。 对无压隧洞衬砌的环向施工缝，如无防渗要求，一般分布 筋可不穿过缝面，混凝土可不凿毛处理，也不设止水。对 有压隧洞和与防渗要求的无压隧洞，衬砌的环向施工缝需 要进行凿毛处理，或设一些插筋穿过缝面可以加强其整体 性。纵向施工缝应根据浇筑能力，设置在衬砌结构拉应力 及剪应力较小的部位。纵缝必须进行凿毛处理，必要时缝 内可设键槽。
衬砌的形式
洞身衬砌按其设置的目的，可分为平整衬砌和受力衬砌两类。 （1）平整衬砌（也称护面衬砌）用混凝土、喷浆及浆砌石做成的护面。 它不承受荷载，仅起平整隧洞表面，减少糙率、防止渗漏、保护岩面 不受风化。适用于坚固。完整的围岩和水头较小的隧洞。护面衬砌的 厚度由构造决定，对混凝土或喷浆衬砌可采用5~15cm，浆砌石可采用 25~30cm。 （2）受力衬砌 又可分为单层衬砌、组合衬砌、预应力衬砌和喷锚衬砌 等四种。 1）单层衬砌，是用混凝土、钢筋混凝土或浆砌石做成的。 单层混凝土衬砌，主要用于下列情况：围岩表面稳定性较好（或经支 护后，围岩能基本稳定），但抗渗性能较差；为了平整围岩表面，满 足水力学要求；能够满足强度、抗裂的要求。
2）组合衬砌，根据开挖断面周边不同部位 衬砌受力特点和运用要求，采用不同的衬 砌材料组合而成。如外层为混凝土或钢筋 混凝土，内层为钢板或钢筋网喷浆；顶拱 为混凝土、边墙为浆砌石衬砌；顶拱为喷 锚衬砌、边墙和底版为混凝土或钢筋混凝 土衬砌。实践证明，在软弱、破碎的岩体 中开挖隧洞。由于岩体稳定性较差，采用 先、喷锚，在做混凝土或钢筋混凝土的衬 砌，是一种安全、经济的组合形式。
7.3.2 洞身断面形式及构造
一、洞身的横截面形式及尺寸 隧洞洞身的横截面形状和尺寸，应根据隧洞的功 能、水利条件；隧洞穿过的岩层的工程地质条件、 地应力情况、衬砌工作条件和施工方法等因素， 通过技术经济分析来决定。 1、无压隧洞洞身的断面形式及尺寸 无压隧洞的断面形状多采用圆拱直墙式（也称城 门洞型）。若地质条件较差，可选用圆形或马蹄 形断面。
（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钢筋混凝土塔。塔底部设置闸门 控制流量，塔顶设置操纵室和启闭机等设备，用工作桥与岸坡连接。这种进口建筑物的优点是布置 比较紧凑，闸门启闭比较方便可靠。经常用于进口处岸坡低缓、岩石比较破碎，覆盖层较厚，不宜 开凿竖井的情况。这种进口建筑物的缺点是：需要设置工作桥，造价较高；塔身受风浪及地震的影 响较大，稳定性相对差些；在北方寒冷地区，塔身还受冰压力的作用。塔的结构形式可分为封闭式 和框架式两种。 封闭式塔的横断面形式为矩形或圆形。矩形断面结构简单，施工方便。而圆形断面的受力较好，故 工程中圆形断面使用较多。塔的内径或净宽由闸门的宽度决定。塔宽厚度一般为0.3m~0.5m，可以 做成上下等厚的，也可以根据荷载的变化，做成上薄下厚的，以节省材料。用于引水灌溉的隧洞， 为了满足农作物对水的要求，可以在封闭的塔身上沿不同的高程设置进水口。以便引取上层温度较 高的清水，形成塔式分层取水。 与封闭式结构不同，框架式结构具有结构轻便，受风浪作用小，节省材料，造价较低的优点，但闸 门只能在低水位时进行维护检修，不太方便。另外，水流的流态也不好，容易产生空蚀。通常框架 式结构只使用于作用水头较低的情况，大型泄水隧洞采用较少。
2、有压隧洞洞身的断面主要为圆形。因为 有压隧洞的主要荷载为均匀内水压力，对 圆形断面而言，受力条件较好，且断面湿 周最少。当过水面积一定时，圆形断面较 其他形式的断面具有较大的过水能力。如 洞径和内外水压力都不大，为了施工方便， 也可采用无压隧洞常用的断面形式。
有压隧洞的断面尺寸，可根据给定的流量， 作用水头及纵剖面布置，通过水压力计算 几水工模型试验来确定 。有压隧洞的过流 能力按管流计算。为了保证洞内水流处于 有压流态，一般要求洞顶应有2m水头以上 的压力富裕值，流速越大，压力富裕值也 应加大。
双层钢筋混凝土衬砌，主要用于洞径、围岩压力 和洞内、外水压力都很大时的情况，由于在衬砌 内设置有双层环向受力钢筋，有效地提高了衬砌 的抗拉和抗裂能力。 单层混凝土和钢筋混凝土的衬砌厚度（不包括围 岩超挖部分），应根据强度，抗渗和构造要求， 并结合施工方法经分析计算确定。根据工程经验， 一般约为洞径和跨度的1/8~1/12。单层整体混凝 土衬砌，其厚度不宜小于20cm；钢筋混凝土衬砌 的厚度；单层钢筋的，不宜小于25cm；双层钢筋 的，不宜小于30cm。 浆砌石衬砌只能用于小型工程中的无压隧洞。隧 洞断面多采用圆拱直墙式，如图6-15所示。其衬 砌厚度一般不小于50cm。
（1）无压隧洞洞身的断面形式：
1）圆拱直墙式（图7-8），由于这种断面的顶部为圆形；适宜于承 受垂直山岩压力，且便于开挖和衬砌。圆拱中心角一般在 90°～180°之间，当垂直山岩压力较小和需要加大拱端推力 时，也可选用较小的中心角。一般情况下，较大跨度泄洪隧洞 的中心角采用120°左右。圆拱的主要缺点是拱圈受力条件较差， 拱圈截面要承受弯距，为了改善拱顶受力情况，拱顶中心线可 选择与荷载压力线基本接近的三心拱。有时为了减少或消除作 用在侧墙上的侧向围岩压力，也可以把直墙改做成倾斜状。 2）马蹄形（图7-8），马蹄形断面由上部半圆和下部三心圆或多心 圆构成，以尽量减少截面弯距。当岩面比较破碎，垂直向和侧 面围岩压力比较大，且懂底也存在围岩压力时，采用马蹄形断 面较为适宜。其特点是受力较好，但施工复杂。 3）圆形（图7-8），当岩层地质条件较差，隧洞周边围岩压力较大， 又有较大的地下水压力时，可以考虑采用圆形断面。用掘进机 开挖或在土体中用环壁法施工时，也应采用圆形断面。
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（3）岸塔式 若隧洞进口处的岸坡较陡且岩石较坚硬完整，可以将控 制塔斜靠在洞口的岩坡上（图7-7）。这种型式的进口建筑物，塔身 稳定性较好，且对岸坡也起到了一定的支撑作用，施工安装也比较方 便，无需工作桥，比较经济。但闸门是倾斜的，不仅面积大，启门力 大，而且不易靠自重关闭。若岸坡岩石完整、稳定，可将岸坡平整。 直接将闸门、拦污栅的轨道安装在斜坡的护砌上，做成斜坡式进口建 筑物，则更为经济。
4.排水
在无压隧洞中，当洞外水压力较大时，可 在洞内最高水面线以上通过衬砌设置排水 孔。 对于由外水压力控制衬砌设计的有压隧洞， 宜采取排水措施，通常在隧洞底部设置纵 向排水管。
7.3.3 出口段构造
隧洞的出口建筑物主要包括：渐变段、闸 室段和消能设施。 一般有压隧洞在出口处设闸室段，用以布 置闸门及启闭设备（如图），门前设渐变 段，出口之后为消能设施；无压隧洞的出 口处往往不设工作闸门而仅设门框，以防 洞脸及其上部岩石崩坍，洞身直接与消能 设施相连接（如图）。
分缝及止水
3.灌浆
隧洞灌浆可分为回填灌浆和固结灌浆两种： （1）回填灌浆 回填灌浆是为了填充衬砌与围岩之间的空隙，使 衬砌与围岩紧密结合，以改善传力条件和减少渗 漏。 （2）固结灌浆 固结灌浆是为了加固岩石、提高围岩地整体性， 减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下 水对衬砌的压力＆减小渗漏。
隧洞出口的消能方式与河岸式溢洪道相似，主要 有挑流消能和底流消能两种。当出口处高程高与 下游水位，且地质条件允许时，采用挑流消能通 常是比较经济的。若出口高程接近下游水位，且 下游地基抗冲刷能力较低，采用底流式水跃消能 可能是比较合理的。关于挑流消能、底流式水跃 消能的原理、结构设计、布置、结构等方面的内 容可分别参见重力坝和水闸的有关章节。 由于隧洞的出口断面小，单宽流量大，能量比较 集中，为了减小挑流鼻坎处或消力池进口处的单 宽流量，以利于下游的消能，通常采取平面扩散 的措施。扩散度的要求与溢洪道相同。对于重要 工程，扩散段的布置应由模型试验决定。
二、洞身衬砌类型和构造
衬砌是指沿开挖洞做成的人工护壁。为了 保证水工隧洞的安全有效地运行，通常需 要在洞内进行衬砌。衬砌的主要作用是： 阻止洞周岩体变形的发展，保证围岩的稳 定；加固围岩，承受山岩压力、内水压力 和其它荷载；防止渗漏；保护岩石免受水 流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏 作用；平整围岩，减少表面糙率等。