第八章水工隧洞课件.pptx

第八章水工隧洞,水工建筑物,第八章水工隧洞水工建筑物,一、水工隧洞的类型,隧洞的功能,隧洞的类型,泄洪，引水发电、输水，排沙，放空水库，施工导流(图),按功能分：泄洪、引水输水、灌溉供水、放空排沙、施工导流等隧洞。按流态分：有压隧洞、无压隧洞。按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。按流速大小分：高速隧洞（16m/s）,低速隧洞(16m/s),8.1 概述,一、水工隧洞的类型隧洞的功能隧洞的类型泄洪，引水发电、输水，,8.1 概述,8.1 概述,二、水工隧洞的工作特点,水力特点,泄水能力与H的1/2成正比，超泄能力较表孔弱。进口位置低，能预泄。承受的水头较高，流速大，易引起空化、空蚀。水流脉动会引起闸门等振动。出口单宽流量大，能量集中，会造成下游冲刷。,8.1 概述,二、水工隧洞的工作特点水力特点泄水能力与H的1/2成正比，超,结构特点,施工特点,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。承受较大的内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和必要的衬砌。,断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。,8.1 概述,结构特点施工特点洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至,三、水工隧洞的组成,进口段：控制水流，含拦污栅、喇叭口、闸门室、渐变段,洞身段：输送水流,出口段：连接消能设施，无压隧洞仅设门框，有压隧洞含渐变段和工作闸门室,8.1 概述,三、水工隧洞的组成进口段：控制水流，含拦污栅、喇叭口、闸门室,第八章水工隧洞课件,8.1 概述,8.1 概述,8.1 概述,8.1 概述,一、总体布置和线路选择,1 总体布置,应根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划。在合理选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及进口结构形式，确定闸门在洞口中的位置。确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的相互关系，选定出口位置，底板高程及消能方式。,8.2 水工隧洞的布置,一、总体布置和线路选择1 总体布置应根据枢纽的任务，对泄水建,8.2 水工隧洞的布置,8.2 水工隧洞的布置,世界最大规模水工隧洞-锦屏二级水电站,世界最大规模水工隧洞-锦屏二级水电站,8.2 水工隧洞的布置,8.2 水工隧洞的布置,8.2 水工隧洞的布置,8.2 水工隧洞的布置,2 线路选择,隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高、渗流量丰富等地段，以减少作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。洞线在平面上应力求短直，这样可减少工程量、方便施工、减少水头损失；必须转弯时，需满足弯曲半径、直线过渡段的长度、转角的要求。隧洞应有一定的埋藏深度(围岩厚度)，需满足成洞条件。隧洞的纵坡，应根据运用要求、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析而定。,8.2 水工隧洞的布置,2 线路选择隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造，围岩可能不稳,对于长隧洞，选择洞线时应注意利用地形、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。要考虑进出口与其它建筑物的关系对于土石坝，进出口与坝坡应保持一定距离，以免水流冲刷坝坡。对于排沙洞，进口设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，为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁。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。,8.2 水工隧洞的布置,对于长隧洞，选择洞线时应注意利用地形、地质条件、布置一些施工,二、闸门在隧洞中的位置,闸门类型及位置,工作闸门：调节流量、封闭孔口，能在动水中启闭 布置在进口：常为无压洞,也可是有压洞布置在出口：有压洞布置在洞身某适宜位置检修闸门：检修工作闸门或隧洞，动水关闭、静水开启 一般位于进口有时需于出口设检修门以挡下游水,8.2 水工隧洞的布置,二、闸门在隧洞中的位置闸门类型及位置工作闸门：调节流量、封闭,三、多用途隧洞的位置,优点,泄洪洞与导流洞合一布置,一洞多用或临时任务与永久任务相结合，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总体布置的困难。,常作成“龙抬头”式 水头高，流速大,反弧及下游易遭空蚀破坏,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。,8.2 水工隧洞的布置,三、多用途隧洞的位置优点泄洪洞与导流洞合一布置一洞多用或临时,泄洪洞与发电洞合一布置,存在问题洞内岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀泄洪时影响发电能力,8.2 水工隧洞的布置,布置形式主洞(干洞)泄洪、支洞(岔洞)发电：洞内流态好，岔尖附近负压较小，发电支洞回流强度弱、范围小，但泄洪时发电洞有效水头降低，出力减小。支洞(岔洞)泄洪、主洞(干洞)发电：相反,泄洪洞与发电洞合一布置存在问题8.2 水工隧洞的布置布置形式,分岔角的确定与水力条件、岔尖施工、岔尖结构强度有关。分岔角小，则流态好，分离区小，水头损失小，但洞壁薄，强度低。经验分岔角：3060,减少发电洞空蚀的有效措施收缩泄洪洞的出口面积减少泄洪洞闸门开度。,设计内容分岔位置、洞径比例、分岔角度、主支洞连接曲线、面积收缩比,8.2 水工隧洞的布置,分岔角的确定减少发电洞空蚀的有效措施设计内容8.2 水工隧洞,泄洪洞与排沙洞合一布置,存在问题闸门压力大，启闭困难(洪水期开启，水头高)。泥沙堆积，闸门不易开启。排沙洞进口高程低，可做施工导流用，完后改成泄洪排沙洞。,8.2 水工隧洞的布置,泄洪洞与排沙洞合一布置存在问题8.2 水工隧洞的布置,8.2 水工隧洞的布置,8.2 水工隧洞的布置,一、进水口的型式和计算要点,按进水口的布置和结构型式分类,竖井式塔式岸塔式斜坡式,8.3 水工隧洞进口段,按照进水口后洞内流态分类,有压进水口无压进水口,一、进水口的型式和计算要点 按进水口的布置和结构型式分类竖井,8.3 水工隧洞进口段,1 竖井式,布置：进口附近开挖竖井，井底设闸门，井顶设启闭设备及操纵室(Fig8-4)。优点：结构简单，不受风浪和冰的影响，抗震和稳定性好，地形条件适宜时，工程量较小。缺点：竖井开挖较困难，竖井前的洞段检修不便。适用条件：地质条件好，岩体比较完整竖井衬砌上的作用力：干井(弧形闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用 湿井(平板闸门)：外水压力、侧向围岩压力、温度和地震作用、内水压力,8.3 水工隧洞进口段1 竖井式布置：进口附近开挖竖井，井底,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,2 塔式进水口,布置：塔底设闸门，操纵室多设在塔顶，水平截面多为矩形(Fig8-2a)。缺点：受风浪、地震、冰的影响大，稳定性相对较差，需工作桥与库岸相连。适用条件：岸坡岩石较差，岸坡低缓，覆盖层较厚的情况。作用力：风、浪、冰、地震计算要点：塔身是悬臂结构，需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。,8.3 水工隧洞进口段,2 塔式进水口布置：塔底设闸门，操纵室多设在塔顶，水平截面多,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,3 岸塔式,布置：靠在开挖后洞脸岩坡上直立或倾斜的进水塔(Fig8-5)。优点：稳定性比塔式好，施工、安装比较方便，无须接岸桥梁。缺点：受风浪、冰、地震影响。适用条件：岸坡较陡、岩石比较坚固稳定的情况,8.3 水工隧洞进口段,3 岸塔式布置：靠在开挖后洞脸岩坡上直立或倾斜的进水塔(Fi,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,4 斜坡式,优点：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小。缺点：闸槽倾斜，闸门面积加大，关门时不易靠自重下降。适用条件：岩坡完整，地形适宜，斜坡的护砌上可直接安装轨道的情况。一般只用于中、小型工程，或 只用于设检修 闸门。5 组合式,8.3 水工隧洞进口段,4 斜坡式优点：结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小,8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,二、进水口的组成部分,组成部分,进水喇叭口闸门室通气孔平压管渐变段,8.3 水工隧洞进口段,二、进水口的组成部分 组成部分进水喇叭口8.3 水工隧洞进口,进水喇叭口,要求 体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，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 顶板和边墙顺水流方向三面收缩。顶板和边墙常用椭圆曲线。,8.3 水工隧洞进口段,进水喇叭口要求8.3 水工隧洞进口段,8.3 水工隧洞进口段,短管式进水口：深式无压隧洞前的一短压力段。无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常是一段倾斜的椭圆曲线，以1:41:6的坡度向下游收缩,以便与检修闸门和工作门之间的顶板衔接，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，目的在于收缩断面，进一步改善进口的压力分布和水流流态。双孔进水口：进水短管中间布置中隔墩，现很少用。,8.3 水工隧洞进口段短管式进水口：深式无压隧洞前的一短压力,通气孔,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。作用 工作闸门在各级开度情况下补气。检修放空时补气。检修完毕后，工作闸门和检修门之间充水平压时：排气。补气的作用：降低门后负压，稳定流态，避免振动和空蚀。,8.3 水工隧洞进口段,通气孔位置8.3 水工隧洞进口段,通气孔布置注意事项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。孔管应力求减少转弯、突变，以减少阻力。拦污栅泄洪隧洞一般不设拦污栅，发电引水洞需设拦污栅。,8.3 水工隧洞进口段,通气孔布置注意事项8.3 水工隧洞进口段,一、洞身断面形式(图),1 无压隧洞断面形式,城门洞形(圆拱直墙)优点：适宜承受铅直围岩压力，便于开挖和衬砌，应用较广。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。马蹄形：适用于岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大的情况圆形：适用围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。,8.4 水工隧洞洞身段,一、洞身断面形式(图)1 无压隧洞断面形式城门洞形(圆拱直墙,2 有压隧洞的断面型式,一般采用圆形水流条件和受力条件均有利圆形为最佳水力断面 也可用无压隧洞常用的断面形式在围岩较好,内水压力不大时,为了施工方便。,8.4 水工隧洞洞身段,2 有压隧洞的断面型式 一般采用圆形8.4 水工隧洞洞身段,二、洞身断面尺寸,尺寸确定的原则和方法根据运用要求、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。,有压隧洞的水力计算计算内容：泄流能力 沿程压坡线(测压管水头线)泄流能力：按管流计算沿程压坡线：按能量方程分段推求。,流量系数,隧洞出口断面面积,作用水头,8.4 水工隧洞洞身段,二、洞身断面尺寸尺寸确定的原则和方法有压隧洞的水力计算流量系,无压隧洞的水力计算计算内容：泄流能力 洞内水面线 高速时需研究掺气、冲击波、空蚀问题泄流能力：深孔按管流计算，表孔按堰流计算洞内水面线：按能量方程分段推求洞顶净空：为保证属无压隧洞，要求洞顶应有一定净空,洞身尺寸的其他要求应考虑施工和检查维修等方面的需要非圆形断面不小于1.5m1.8m(高)圆形断面内径不小于1.8m,8.4 水工隧洞洞身段,无压隧洞的水力计算 洞身尺寸的其他要求8.4 水工隧洞洞身,三、洞身衬砌,y,1 衬砌的功用,阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定承受围岩压力、内水压力及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减小隧洞的表面糙率等,8.4 水工隧洞洞身段,三、洞身衬砌y1 衬砌的功用阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定,2 衬砌的类型,平整衬砌(护面、抹平衬砌)作用：不承受作用力，仅起减小糙率、防止渗漏和风化的作用适用：围岩较好，可自行稳定，水头、流速较低的情况材料：混凝土、浆砌石、喷混凝土等 单层衬砌 组合式衬砌,8.4 水工隧洞洞身段,2 衬砌的类型 平整衬砌(护面、抹平衬砌)8.4 水工隧洞洞,3 衬砌分缝,分缝的原因 混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝 不均匀沉降产生裂缝 施工分块分段浇筑 施工缝(临时)横向：一般与伸缩缝、沉降缝重合 纵向：设在顶拱、边墙及底板分界处或内力较小部位 沉降缝(永久)通过断层破碎带或软弱带 洞身与进口渐变段等接头处 伸缩缝(永久),8.4 水工隧洞洞身段,3 衬砌分缝 分缝的原因8.4 水工隧洞洞身段,4 灌浆（图）,回填灌浆目的：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。固结灌浆目的：加固围岩，提高围岩整体性，减小围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小渗漏。范围：整个断面。时机：固结灌浆在回填灌浆714天后进行，并与回填灌浆孔错开布置。,8.4 水工隧洞洞身段,4 灌浆（图）回填灌浆8.4 水工隧洞洞身段,5 排水,作用：降低作用在衬砌上的外水压力有压圆形隧洞的外水压力一般不控制衬砌设计外水压力对城门洞形无压隧洞衬砌的结构应力影响较大，可设置纵向排水管和径向排水管。,8.4 水工隧洞洞身段,5 排水作用：降低作用在衬砌上的外水压力8.4 水工隧洞洞身,一、出口段的体形,2 无压洞,1 有压洞,出口仅设有门框(以防洞脸及上部岩石崩塌),常设工作闸门、启闭机室、闸门前有渐变段(洞圆门方)，出门之后为消能设施。自由出流的有压洞,因主流跌落,出口前段洞顶常出现负压。出口收缩，减小负压顶板、侧墙三面收缩，底板水平，下接一段没有突扩的水平渠槽（图8-3）出口应采用正方形或接近正方形,8.5 出口段及消能设施,一、出口段的体形2 无压洞1 有压洞出口仅设有门框(以防洞脸,二、消能设施,主要消能方式挑流消能：应用最广底流消能：洞内突扩消能：新型消能方式洞内旋流消能,特点基本与溢洪道消能相似，只是隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。,8.5 出口段及消能设施,二、消能设施 主要消能方式 特点8.5 出口段及消能设施,挑流消能适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地形、地质条件允许时。注意：尽量不要冲刷对岸。形式：斜切式挑流鼻坎、横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。,底流消能：适用于出口高程接近于下游水位的情况(Fig8-16),洞内突扩消能：常见于将导流洞改建为泄洪洞、流速很高的 情况(Fig8-17),8.5 出口段及消能设施,洞内旋流消能,挑流消能 底流消能：适用于出口高程接近于下游水位的情况(F,8.5 出口段及消能设施,洞内旋流消能,沙牌水电站旋流竖井消能布置图,8.5 出口段及消能设施 洞内旋流消能沙牌水电站旋流竖井消,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,一、脉动压力、空化、空蚀,二、减蚀措施,体形优化设计：进口、门槽、渐变段、弯道、岔洞、出口等控制边界的不平整度人工掺气、通气：掺气槽、挑坎、跌坎等掺气措施选用抗空蚀材料：高标号混凝土、钢纤维混凝土、钢铁砂混凝土，钢板等。,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀一、脉动压力、空化、空,美国黄尾泄洪隧洞掺气槽布置图,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,美国黄尾泄洪隧洞掺气槽布置图8.6 高速泄水隧洞的脉动压力,石头河水库泄洪隧洞掺气槽布置图,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,石头河水库泄洪隧洞掺气槽布置图8.6 高速泄水隧洞的脉动压,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,8.6 高速泄水隧洞的脉动压力与空蚀,岩石的变形特性与破坏形式,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,岩石的变形特性与破坏形式8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,一、岩体初始应力,y,定义,上覆岩体的重力地壳构造运动成岩过程中的物理、温度作用、地形影响地下水及地震作用,洞室开挖前岩体本身所具有的应力，也叫地应力。,形成岩体初始应力的因素,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,初始应力场,铅直应力：水平应力：,一、岩体初始应力y 定义上覆岩体的重力洞室开挖前岩体本身所具,j1,应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得岩石的应变以推求其初始应力。应力恢复法：岩体中的应力解除后，通过施加压力，使岩体恢复到原来的状态，以求得岩体在应力解除前的应力值。,岩体初始应力的测量,初始应力的危害及措施,岩爆锚杆、喷混凝土、预钻排孔法,岩体初始应力的构成,自重应力构造应力,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,j1应力解除法：通过切槽或钻孔解除应力而测得岩石的应变以推求,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,二、围岩的应力集中,应力重分布,围岩：洞室开挖后产生应力重分布的这部分岩体,应力调整范围,围岩应力计算方法,应力重分布在洞室周边最为显著，远离洞壁，影响减小；应力重分布与初始应力状态，洞室的断面形状和尺寸，岩体的结构和性质有关。,弹性理论、有限元,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,二、围岩的应力集中 应力重分布 围岩：洞室开挖后产生应力重分,三、围岩稳定分析,围岩稳定的关键因素,低应力区，具有自重塌滑的特征高应力区，围岩强烈挤压、塑性变形、产生岩爆等现象洞轴线与最大水平主应力方向垂直时易发生变形和失稳初始应力铅直分量较大时，宜采用高宽比较大的具有顶拱的断面初始应力水平分量较大时，宜采用高宽比较小的近似椭圆的断面,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,开挖时的应力重分布,围岩强度:节理、岩体特性,三、围岩稳定分析 围岩稳定的关键因素低应力区，具有自重塌滑的,分析内容,结合地质条件及其力学性质，初始应力，施工方法等，初选隧洞断面、轴线，采用弹性理论公式或有限元计算围岩压力。如围岩压力超过岩体的弹性极限，可按弹塑性理论计算塑性区的应力，确定塑性区的范围，判断稳定性。对洞室周边可能出露的危石，按块体平衡法进行分析。现场量测：主要测量一些选定点的位移，或点与点之间的相对位移，画出位移时间关系曲线，如位移超过“允许位移量”或位移曲线突然变陡，表明围岩将要失稳，据此采用支护措施。,8.7 水工地下洞室的围岩稳定性,分析内容结合地质条件及其力学性质，初始应力，施工方法等，初,一、作用在衬砌上的荷载,围岩压力(山岩压力)内水压力外水压力衬砌自重灌浆压力温度作用地震作用,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,一、作用在衬砌上的荷载围岩压力(山岩压力)8.8 水工隧洞,（一）围岩压力,概念：是隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。,1 影响围岩压力的因素围岩的地质条件和力学特征初始应力地下水隧洞的走向，埋深和几何形状开挖方法衬护时间、衬护形式,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,（一）围岩压力概念：是隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的,假定铅直围岩压力的强度q：,塌落高度,岩石容重,洞室宽度,岩石的坚固系数,2 围岩压力的计算方法,塌落拱法计算围岩压力,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,假定塌落高度岩石容重洞室宽度岩石的坚固系数2 围岩压力的计算,水工隧洞设计规范建议采用的方法自稳条件好，开挖后变形很快稳定的围岩,不计围岩压力；薄层状及碎裂散体结构的围岩，围岩压力的强度为：,围岩系数法计算围岩压力,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,水工隧洞设计规范建议采用的方法 围岩系数法计算围岩压力8,弹塑性理论法计算围岩压力圆洞采用修正的芬诺公式(图),支护或衬砌对围岩的反力，即围岩压力pi越小，R越大，塑性区就越大R=r0时，pi最大,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,弹塑性理论法计算围岩压力 支护或衬砌对围岩的反力，即围岩压力,围岩压力计算方法的选择,不考虑围岩压力：地质好，开挖不大，能自行稳定的岩体块体平衡法估计：具明显结构断裂或裂隙切割的岩体围岩压力系数法：洞室开挖前，估算围岩压力塌落拱法：松软破碎的岩体现场实测：重要而围岩条件复杂的岩体,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,围岩压力计算方法的选择不考虑围岩压力：地质好，开挖不大，能自,（二）围岩的弹性抗力,概念弹性抗力可减小衬砌内力，对衬砌是有利的。弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系：坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱、破碎等，弹性抗力小，甚至不能利用。为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。围岩弹性抗力的计算,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,（二）围岩的弹性抗力概念8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组,（三）内水压力和外水压力,内水压力,无压隧洞：算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。有压隧洞：内水压力=全水头+水击引起的压力增值。内水压力均匀内水压力+无水头满水压力(Fig8-28),外水压力,渗流场知，则外水压力知。如无防渗设施，隧洞进口水位为库水位，出口为0，其间用直线连接。如天然地下水位比库水为高,则应采用天然地下水面线,不过需乘以折减系数,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,（三）内水压力和外水压力内水压力无压隧洞：算出洞内的水面曲线,（四）衬砌自重,回填灌浆压力按径向均匀分布在中心角90范围内,属临时荷载,常不考虑固结灌浆压力按径向均匀分布在整个断面周围，相当于外水压力，需考虑回填灌浆压力0.20.3MPa，固结灌浆压力0.31.0MPa,单位面积自重：作用位置：均匀作用在衬砌厚度的平均线上,（五）灌浆压力,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,（四）衬砌自重回填灌浆压力按径向均匀分布在中心角90范围内,（六）温度和地震荷载,采取适当的措施控制水化热,一般不计温度荷载；在寒冷地区可作适当考虑。隧洞埋在地下深处,与围岩紧密结合的衬砌,地震对其影响很小，洞身设计时一般不予考虑。但当隧洞通过设计烈度高于8度，特别是地基较弱，围岩破碎和节理发育地区,则应进行抗震计算。对隧洞进出口建筑物,应按规定进行抗震设计。,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,（六）温度和地震荷载采取适当的措施控制水化热,一般不计温度荷,正常运用情况：围岩压力衬砌自重宣泄设计洪水的内水压力外水压力施工、检修情况 围岩压力衬砌自重可能出现的最大外水压力非常运用情况围岩压力衬砌自重宣泄校核洪水的内水压力外水压力正常运用情况、非常运用情况可能还有一些组合，如温度、灌浆、地震、弹性抗力等是否考虑，视具体情况而定正常运用情况为基本组合，其余为特殊组合,二、荷载组合,8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载组合,正常运用情况：二、荷载组合8.8 水工隧洞衬砌的荷载及荷载,计算目的,计算方法,核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度,结构力学法 将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹性抗力、衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定结构解算衬砌内力。有限元法：将围岩与衬砌视为整体,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,计算目的计算方法核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度结构,一、圆形有压隧洞的衬砌计算,求出各种荷载单独作用下衬砌中的内力，然后根据荷载组合进行迭加。,（一）均匀内水压力作用下的内力计算,计算原理 当围岩厚度大于3倍洞径时，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管的弹性力学厚壁管公式计算衬砌的抗力p0。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,一、圆形有压隧洞的衬砌计算求出各种荷载单独作用下衬砌中的内力,内力计算内水压力p和弹性抗力p0作用下，衬砌外缘re处的变位ue的计算当开挖的洞壁作用有p0时，衬砌外缘re处的变位ue的计算二者的变位应相等衬砌内外边缘的应力的计算衬砌内部应力根据内、外边缘应力按直线分布。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,内力计算8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,仅考虑均匀内水压力的衬砌计算,计算前提：围岩厚度3倍洞径；坚固系数fk6；铅直围岩压力很小；洞径6m。混凝土衬砌钢筋混凝土衬砌,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,仅考虑均匀内水压力的衬砌计算计算前提：围岩厚度3倍洞径；坚,三、无压隧洞的衬砌计算,顶拱衬砌计算,计算方法：假定拱座弹性固结于岩石上，认为拱座垂直于地基面的变位与法向应力成正比，按超静定拱进行内力计算。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,三、无压隧洞的衬砌计算顶拱衬砌计算计算方法：假定拱座弹性固,城门洞形和马蹄形衬砌计算,将衬砌由边墙和底板的结合处分成两部分：直墙拱(城门洞型)或曲墙拱(马蹄型)底板。在计算中要考虑它们之间的弹性连结作用，并将底板视为弹性地基上的梁，采用结构力学超静定结构进行内力计算。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,城门洞形和马蹄形衬砌计算将衬砌由边墙和底板的结合处分成两部,四、渐变段的衬砌计算,由于渐变段不长，工程设计中常只进行首尾两个断面（矩形和圆形）的设计，中间的渐变段断面采用内插法以简化计算。计算中是否考虑弹性抗力,应视渐变段处的围岩厚度、强度、灌浆等因素而定不考虑弹性抗力时，按结构力学方法进行计算。当结构及荷载均对称于通过形心的纵、横轴时,取结构四分之一计算,切口剪力为零,轴力可由平衡条件求出，弯矩可由最小功能原理确定。其它内力便可求。当荷载只对称于纵轴时，可于衬砌顶部中点切开，用弹性中心法求解。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,四、渐变段的衬砌计算由于渐变段不长，工程设计中常只进行首尾,六、新奥法和喷锚支护,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,新奥法：是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。,可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”,喷锚支护是喷混凝土、设置锚杆或联合使用喷混凝土与锚杆 支护的总称，有时还加钢筋网，是配合新奥法（NATM）发展起来的一种新兴支护。,六、新奥法和喷锚支护8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计新,优点,能及时支护充分发挥围岩的自承作用；节省三材，降低造价，减轻劳动强度，缩短工期，与常用衬砌比较：支护快、顶部紧帖、喷层薄、柔性大、糙率大。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,应用,施工期临时支护及导流隧洞等临时工程无压隧洞顶部部分的永久性支护低水头、低流速有压隧洞的永久性支护,优点能及时支护充分发挥围岩的自承作用；8.9 水工隧洞的衬,（一）喷锚支护的工作原理,岩体中开挖洞室后，破坏了原有岩层的平衡状态，洞室附近应力重分配，并向临空面产生位移。当围岩应力不超过弹性极限时岩体是稳定的；当围岩应力超过此极限强度时，这个区域内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区。由于塑性影响，在洞壁处应力减小而在深处应力增大，并认为在该塑性区内形成一个承重圈，有一定承受周围岩石的能力（即自承作用），如能及时进行支护，给岩体以反力，即可阻止变形的发展，防止坍塌，保持围岩稳定。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,（一）喷锚支护的工作原理岩体中开挖洞室后，破坏了原有岩层的,（二）类型（图）,喷混凝土支护混凝土与围岩共同工作,改善支护工作条件,加固了围岩;隔绝围岩与大气接触,堵塞渗水通道,给围岩稳定创造条件。锚杆支护：悬吊、组合、固结作用（图）利用锚杆将松动岩体或较软弱岩体联结在稳定的岩体上。喷混凝土+锚杆支护 用于强度不高或完整性很差的岩层。喷混凝土+锚杆+钢筋网支护 设钢筋网以承受拉应力，提高砼的强度，并减少温度裂缝。,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,（二）类型（图）喷混凝土支护8.9 水工隧洞的衬砌计算与,确定支护参数：经验类比法,选定适宜的支护时间,围岩分类：稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定、极不稳定喷混凝土：分层喷，总厚度5-20cm,标号不小于R200锚杆：楔缝式锚杆、砂浆锚杆（图）直径16-25mm；长度：1.5-4m；间距：不大于锚杆长度的1/2（不良围岩不大于1.25m）一般与周边垂直，能找到主结构面应尽量与之垂直。钢筋网：纵向d=6-10mm，环向d=6-12mm，间距15-30cm,使维持围岩稳定所需的支护反力最小（或支护最经济）,8.9 水工隧洞的衬砌计算与支护设计,（三）喷锚支护设计,确定支护参数：经验类比法选定适宜的支护时间围岩分类：稳定、基,刘家峡水电站,刘家峡水电站,南水水电站,由于拦河坝处于峭壁狭谷中，故采用隧洞导流、泄洪。,南水水电站 由于拦河坝处于峭壁狭谷中，故采用隧洞导流、泄,白山水电站,白山水电站,小湾电站输水隧洞施工,小湾电站输水隧洞施工,第八章水工隧洞课件,第八章水工隧洞课件,刘家峡水电站泄洪隧洞,刘家峡水电站泄洪隧洞,响洪甸水库泄洪隧洞,Fig8-4,Fig8-4,Fig8-2a,塔式进水口,Fig8-2a 塔式进水口,Fig8-2b,Fig8-2b,Fig8-7,Fig8-7,城门洞形,马蹄形,圆形,圆形,圆形,圆形,城门洞形,城门洞形,马蹄形,城门洞形马蹄形圆形圆形圆形圆形城门洞形城门洞形马蹄形,Fig8-8abcd,砼衬砌,钢筋砼衬砌,钢筋砼衬砌,单层衬砌适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速较大的情况。材料：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石等,Fig8-8abcd 砼衬砌钢筋砼衬砌钢筋砼衬砌单层衬砌,Fig8-8ghi,内层：钢板、钢筋网喷浆外层：砼或钢筋砼,顶拱：混凝土边墙和底板：浆砌石,顶拱和边墙喷锚后再进行砼或钢筋砼衬砌,组合衬砌适用：内水压力较大，围岩软弱破碎的情况。,Fig8-8ghi内层：钢板、钢筋网喷浆顶拱：混凝土顶拱和边,第八章水工隧洞课件,Fig8-13,Fig8-13,Fig8-2b出口,Fig8-2b出口,Fig8-14,适用于隧洞轴线与河道水流交角较小的情况，减轻对岸冲刷。,Fig8-14 适用于隧洞轴线与河道水流交角较小的情况，,适用于岸坡陡峻、河谷狭窄的情况。,适用于岸坡陡峻、河谷狭窄的情况。,Fig8-16,Fig8-16,Fig8-17,Fig8-17,R塑性区半径r0洞径p0地应力pi围岩压力(支护反力),R塑性区半径,Fig8-27,非均匀无水头满水压力,内水压力,均匀内水压力,洞顶内壁水头产生的=h,洞内刚刚充满水的静水压力洞顶0洞底 d,Fig8-27 非均匀无水头满水压力内水压力均匀内水压力洞顶,t衬砌外、内半径之比=re/ri；,t衬砌外、内半径之比=re/ri；,当开挖的洞壁作用有p0 时，按文克尔假定，洞壁的径向变位为,当开挖的洞壁作用有p0 时，按文克尔假定，洞壁的径向变位为,根据变形相容条件，yue，整理后可得围岩的弹性抗力为,根据变形相容条件，yue，整理后可得围岩的弹性抗力为,因为 t1，显然,这表明衬砌内壁的切向应力恒大于外壁的切向应力.当不考虑弹性抗力时,即K0=0,则A=1.,内边缘切向拉应力：,外边缘切向拉应力：,因为 t1，显然,这表明,第八章水工隧洞课件,第八章水工隧洞课件,Fig8-8-35,Fig8-8-35,锚杆支护作用,锚杆支护作用,楔缝式锚杆,楔缝式锚杆,