水工建筑物水工隧洞课件.pptx
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- 水工 建筑物 隧洞 课件
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1、 5.6 5.6 高流速泄水隧洞的水流脉动压力高流速泄水隧洞的水流脉动压力 与空蚀与空蚀 5.75.7水工隧洞的围岩稳定性水工隧洞的围岩稳定性 5.85.8水工隧洞衬砌的荷载及组合水工隧洞衬砌的荷载及组合 5.95.9水工隧洞衬砌计算与支护设计水工隧洞衬砌计算与支护设计5.1 5.1 概述概述 一、水工隧洞的作用和类型一、水工隧洞的作用和类型 1. 1. 作用作用 (1 1)泄洪:配合溢洪道泄洪,例石头河,刘家峡;)泄洪:配合溢洪道泄洪,例石头河,刘家峡;也可作为主要泄洪建筑物,例石砭峪。也可作为主要泄洪建筑物,例石砭峪。 (2 2)引水兴利:发电、灌溉、供水、航运、生态输水。)引水兴利:发电
2、、灌溉、供水、航运、生态输水。 (3 3)排沙:延长水库使用年限,有利于水电站等正常)排沙:延长水库使用年限,有利于水电站等正常运行。例三门峡左岸排沙洞,刘家峡的河口排沙洞。运行。例三门峡左岸排沙洞,刘家峡的河口排沙洞。 (4 4)放空水库:满足人防和检修。)放空水库:满足人防和检修。 (5 5)施工导流:例龙羊峡:)施工导流:例龙羊峡:151516m16m2 2;二滩;二滩20.520.525.525.5;黑河金盆;黑河金盆10101313。 2. 2. 类型类型 (1 1)按功用分:)按功用分:可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、放空可分为泄洪洞、引水发电和尾水洞、灌溉和供水洞、
3、放空和排沙洞、施工导流洞等。和排沙洞、施工导流洞等。 (2 2)按流态分:)按流态分: 有压:水力计算:按管流计算。有压:水力计算:按管流计算。 无压:明渠流计算。无压:明渠流计算。 、运行条件上差别较大,应避免出现时而有压时、运行条件上差别较大,应避免出现时而有压时而无压的明满流交替流态。而无压的明满流交替流态。危害:(危害:(a a)易引起振动、空蚀。)易引起振动、空蚀。 (b b)影响泄流能力。)影响泄流能力。1. 1. 水力特点(进口位于水下)水力特点(进口位于水下) Q HQ H1/21/2,比表口超泄能力低,但进口,比表口超泄能力低,但进口位置低,可以提前预泄。位置低,可以提前预泄
4、。 H H较高,较高,P P较大,启闭力也就要大,止水较大,启闭力也就要大,止水要求严格。承受得水头较高,要求严格。承受得水头较高, v v较大,易引起空化、空蚀,脉动会引起较大,易引起空化、空蚀,脉动会引起闸门振动。闸门振动。 q q出口较大,能量集中,需采取适当的防出口较大,能量集中,需采取适当的防冲设施。冲设施。二、工作特点二、工作特点2.2.结构特点(洞身处于地下)结构特点(洞身处于地下) 洞室开挖后,引起应力重分布,导致围洞室开挖后,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岩变形甚至崩塌,为此常布置临时支护和永久性衬砌。衬砌。 在运行期,承受较大内水压力的隧洞
5、,要在运行期,承受较大内水压力的隧洞,要求围岩具有足够得厚度和必要的衬砌求围岩具有足够得厚度和必要的衬砌 3.3.施工特点施工特点 隧洞一般断面小,洞线长,工序多,干扰大,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。施工条件差,工期较长。 例:冯家山例:冯家山12.6km12.6km;引大入秦工程的盘道岭;引大入秦工程的盘道岭洞长洞长15.7km15.7km;引黄南线;引黄南线7 7洞长洞长42.9km42.9km;昆明掌鸠;昆明掌鸠河、宁波白溪河、宁波白溪100km100km。 (1) (1)进口段进口段 控制水流。包括拦污栅、进水喇叭口、闸门控制水流。包括拦污栅、进水喇叭
6、口、闸门室及渐变段等。室及渐变段等。 (2)(2)洞身段洞身段 输送水流。一般都需进行衬砌。输送水流。一般都需进行衬砌。 (3)(3)出口段出口段 连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门框,压力泄水隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。框,压力泄水隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。三、水工隧洞的组成三、水工隧洞的组成一、水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置8.2 8.2 水工隧洞的布置水工隧洞的布置 1.1.总体布置总体布置 (1)(1)应根据枢纽承担的任务,对泄水建筑物进行总体规划。应根据枢纽承担的任务,对泄水建筑物进行总体规划。 (2)(2)在选定
7、洞线的基础上,根据地形、地质、水流条件,在选定洞线的基础上,根据地形、地质、水流条件,选定进口位置及进结构形成,确定闸门在洞中的位置。选定进口位置及进结构形成,确定闸门在洞中的位置。 (3)(3)确定纵坡确定纵坡i i、横断面形状及尺寸。、横断面形状及尺寸。 (4)(4)根据地形、地质、尾水位等条件确定出口位置,底板根据地形、地质、尾水位等条件确定出口位置,底板高程及消能方式。高程及消能方式。 (5)(5)还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施还应考虑临时占地、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工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土
8、保持的要求。要求。2.2.线路选择线路选择 选线关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可选线关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。靠性等方面。 (1)(1)隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造、围岩可能围岩可能不稳定及地下水位高不稳定及地下水位高、渗流量丰富得地段,以减少作用于渗流量丰富得地段,以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。衬砌上得围岩压力和外水压力。 (2)(2)在平面上应力求短、直,这样既可以减少工程费用,在平面上应力求短、直,这样既可以减少工程费用,方便施工、减少水头损失,便于施工。方便施工、减少水头损失,便于施工。 转弯时转弯
9、时: : 当当v v20m/s20m/s,R5BR5B(5D5D);); 当当v v20m/s20m/s,R3BR3B(3D3D)。)。 转角转角60o60o。 弯道两端得直线段弯道两端得直线段S5BS5B(5D5D)。)。 (3)(3)隧洞应有一定得埋藏深度隧洞应有一定得埋藏深度 进、出口:顶部岩体厚度进、出口:顶部岩体厚度1B1B(1D1D)。)。 有压隧洞洞身,围岩厚度有压隧洞洞身,围岩厚度3D3D。工程经验:。工程经验: 衬砌:围岩厚度衬砌:围岩厚度T0.4HT0.4H(H H为内水压力水头);为内水压力水头); 不衬砌或锚喷:围岩厚度不衬砌或锚喷:围岩厚度T1.0HT1.0H,应满足
10、不发生渗流失稳,应满足不发生渗流失稳和水力劈裂的要求。和水力劈裂的要求。(4)(4)纵坡纵坡: :应根据水利条件运用要求、用途、上下游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。衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。无压洞:无压洞:i iikik。有压洞:取决于进口高程和出口高程,要求保持不有压洞:取决于进口高程和出口高程,要求保持不小于小于2m2m的压力水头。不宜采用平坡或反坡,因其不利于检的压力水头。不宜采用平坡或反坡,因其不利于检修排水。修排水。施工:有轨运输施工:有轨运输i=3i=355,但,但i10i10; 无轨运输无轨运输i=3i=31515,
11、最大,最大i20i20。 (5)(5)对于长隧洞,应利用地形、地质条件、布置一些对于长隧洞,应利用地形、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。施工支洞、斜井、竖井,以增加工作面,加快施工进度。例引滦入津工程在例引滦入津工程在9.68km9.68km的引水隧洞中布置了的引水隧洞中布置了1515个斜支个斜支洞、洞、4 4个竖井。个竖井。9680/20=484m9680/20=484m。 二、闸门在隧洞中的布置二、闸门在隧洞中的布置 一般布置工作闸门,检修闸门两道门(或事故闸门)。一般布置工作闸门,检修闸门两道门(或事故闸门)。1.1.检修门:一般设在进口,有时也设在出
12、口。检修门:一般设在进口,有时也设在出口。例刘家峡泄洪洞例刘家峡泄洪洞P386P386图图8-28-2(a a)。)。 事故检修门:大、中型工程为满足发电事故的需要。事故检修门:大、中型工程为满足发电事故的需要。 2.2.工作门:可以布置在进口、出口或隧工作门:可以布置在进口、出口或隧洞中某一位置。洞中某一位置。 (1 1)设在进口:一般为无压洞。)设在进口:一般为无压洞。优点:检修门和工作门都在首部,运行管理方便;洞内无优点:检修门和工作门都在首部,运行管理方便;洞内无压,有利于山坡稳定;易于检查和维修。压,有利于山坡稳定;易于检查和维修。缺点:如体形设计不当或施工质量不良,流速大的部位会缺
13、点:如体形设计不当或施工质量不良,流速大的部位会发生空蚀。冯家山、流溪河。发生空蚀。冯家山、流溪河。 (2 2)布置在出口:有压洞。)布置在出口:有压洞。 优点优点:洞内流态平稳;门后通气条件好,便于部分开:洞内流态平稳;门后通气条件好,便于部分开启;工作闸门的控制结构也较简单,管理方便;隧洞线路布启;工作闸门的控制结构也较简单,管理方便;隧洞线路布置适应性强。置适应性强。 缺点缺点:洞内经常承受较大的内水压力,一旦衬砌漏水,:洞内经常承受较大的内水压力,一旦衬砌漏水,对岩坡及土石坝等建筑物的稳定将产生不利影响。对岩坡及土石坝等建筑物的稳定将产生不利影响。实际工程中,常在进口设事故检修门,平时
14、也可用以挡水。实际工程中,常在进口设事故检修门,平时也可用以挡水。 (3 3)布置在洞身某一位置)布置在洞身某一位置 由于隧洞线路平面上需要转弯,工作闸门室设在转由于隧洞线路平面上需要转弯,工作闸门室设在转弯后,弯道为有压,直线段为无压。例三门峡排沙、泄洪弯后,弯道为有压,直线段为无压。例三门峡排沙、泄洪洞;东江右岸泄洪洞;碧口岸泄洪洞。洞;东江右岸泄洪洞;碧口岸泄洪洞。 洞内某处较出口处的地质条件好,工作闸门布置在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。洞中,可以利用岩体承受闸门传输的水动力。 1.1.泄洪洞与导流洞合一布置泄洪洞与导流洞合一布置
15、常作成常作成“龙抬头龙抬头”式,在进口之后用抛物线段、式,在进口之后用抛物线段、斜坡斜坡段、及反弧段与较低的洞身相连接。段、及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头龙抬头”式式泄泄洪洞,一般式水头高,流速大,反弧及下游易遭空洪洞,一般式水头高,流速大,反弧及下游易遭空蚀破坏,为了避免空蚀,应做好体形设计,控制施蚀破坏,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工质量。限制不平跨度,并选用适当的掺气减蚀措施。如:刘家峡、碧口、石头河、毛家村等工程施。如:刘家峡、碧口、石头河、毛家村等工程三、多用途隧洞的布置三、多用途隧洞的布置2.2.泄洪洞与发电洞合一布置布置型
16、式泄洪洞与发电洞合一布置布置型式 主洞泄洪(直洞泄洪)、支洞发电(岔洞发电)。洞内流主洞泄洪(直洞泄洪)、支洞发电(岔洞发电)。洞内流态较好,岔尖附近的负压相对较小,发电支洞回流强度弱,范围态较好,岔尖附近的负压相对较小,发电支洞回流强度弱,范围也小。但泄洪时,由于洞内流速加大,有效水头降低,出力相应也小。但泄洪时,由于洞内流速加大,有效水头降低,出力相应减小。减小。 主洞发电、支洞泄洪。主洞发电、支洞泄洪。存在问题:存在问题: 1.1.岔尖处的水流流态复杂,容易产生不利负压和空蚀。岔尖处的水流流态复杂,容易产生不利负压和空蚀。 2.2.泄洪时对发电不利。分岔角一般在泄洪时对发电不利。分岔角一
17、般在30306060之间。之间。 当主洞泄洪时:当主洞泄洪时:0.850.85;支洞泄洪:;支洞泄洪:0.70.7。(指泄洪的主洞或支洞,指泄洪的主洞或支洞, ) 洞身出口 3 3其他任务隧洞的合一布置其他任务隧洞的合一布置 发电与灌溉洞合一。发电后的尾水用于发电与灌溉洞合一。发电后的尾水用于灌溉。主要问题是用水上的矛盾。灌溉。主要问题是用水上的矛盾。 泄洪与排沙隧洞合一。由于排沙洞的进泄洪与排沙隧洞合一。由于排沙洞的进口高程较低,施工期还可结合导流,导流完口高程较低,施工期还可结合导流,导流完成后改建为泄洪排沙洞。但对于高水头情成后改建为泄洪排沙洞。但对于高水头情况,在设计中需要认真研究高流
18、速含沙水流况,在设计中需要认真研究高流速含沙水流的冲蚀、磨损及消能问题。的冲蚀、磨损及消能问题。8-3 8-3 隧洞进口段隧洞进口段一、进口型式及计算要点一、进口型式及计算要点1. 1. 竖井式竖井式 390390 竖井式进水口是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井,井壁竖井式进水口是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井,井壁衬砌,闸门设在井的底部,井的顶部布置启闭机械及操纵室。衬砌,闸门设在井的底部,井的顶部布置启闭机械及操纵室。 优:结构简单、不受风浪、水的影响,抗震及稳定好,地优:结构简单、不受风浪、水的影响,抗震及稳定好,地形条件适宜时,工程量较小。形条件适宜时,工程量较小。 缺:竖井开挖比较困难
19、,竖井前的一段隧洞检修不便。缺:竖井开挖比较困难,竖井前的一段隧洞检修不便。 适用:地质条件较好情况。例:新丰江增建的泄洪洞。适用:地质条件较好情况。例:新丰江增建的泄洪洞。 干井干井弧门,井后为无压。弧门,井后为无压。 湿井湿井平门,井后为压力洞,只有检修时井内无水。平门,井后为压力洞,只有检修时井内无水。 计算要点:沿井的不同高度,截取断面,按单位高度的封计算要点: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。闭或框架进行分析。 2. 2. 塔式塔式 独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔,塔底装设闸独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔,塔底装设闸门。门。 例
20、:石头河泄洪洞(封闭式)、陆浑(框架)、刘家峡导流洞、例:石头河泄洪洞(封闭式)、陆浑(框架)、刘家峡导流洞、碧口和南水泄洪洞。碧口和南水泄洪洞。 封闭式塔断面:矩形,大、中型多采用;圆形;多边形。封闭式塔断面:矩形,大、中型多采用;圆形;多边形。 优:开挖量小,可在不同高程设置取水口,取用上层温度较高的优:开挖量小,可在不同高程设置取水口,取用上层温度较高的清水。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。与库岸相连。 适用:岸坡岩石较差,覆盖层较厚,不宜采用靠岸进水口时。适用:岸坡岩石较差,覆盖层较厚,
21、不宜采用靠岸进水口时。 计算要点:塔身时直立的悬臂结构,需计算塔身的抗倾、抗滑稳定。计算要点: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)。(将立体框架简化成平面问题计算)。3. 3. 岸塔式岸塔式 391391 靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔。有直靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔。有直立地、倾斜的(图立地、倾斜的(图8 85 5) 优:稳定性比塔式好,施工、安装比较方便,无须接优:稳定性比塔式好,施工、安装比较方便
22、,无须接岸桥梁。岸桥梁。 缺:受风浪、冰、地震优一定影响。缺:受风浪、冰、地震优一定影响。 适用:于岸坡较陡,岩体比较坚固稳定的情况。适用:于岸坡较陡,岩体比较坚固稳定的情况。 计算要点:基本方法同塔式,另外应考虑塔背是否作计算要点:基本方法同塔式,另外应考虑塔背是否作用有岩石压力。用有岩石压力。4. 4. 斜坡式斜坡式 在较为完整的岩坡上进行平整开挖、护砌而成在较为完整的岩坡上进行平整开挖、护砌而成的一种进水口。的一种进水口。 例:响洪甸、磨子潭泄洪洞。例:响洪甸、磨子潭泄洪洞。 优:结构简单,施工、安装方便,稳定性好,优:结构简单,施工、安装方便,稳定性好,工程量小。工程量小。 缺:闸门面
23、积加大,关门时不易靠自垂下降。缺:闸门面积加大,关门时不易靠自垂下降。 适用:于中、小型工程,或只用于安设检修闸适用:于中、小型工程,或只用于安设检修闸门的进水口。门的进水口。5.5.组合式组合式 387387 上塔下井式,图上塔下井式,图8 83 3(a a);); 上塔下岸塔式,图上塔下岸塔式,图8 83 3(b b)。)。 包括:进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。包括:进水喇叭口、闸门室、通气孔、平压管、渐变段等几部分。1.1.进水喇叭口进水喇叭口 位置:在隧洞的首部位置:在隧洞的首部 要求:要求: 其体形与孔口水流的形态相适应,使水流平顺通过,而不致脱其体形与孔口水流
24、的形态相适应,使水流平顺通过,而不致脱壁。壁。 避免产生不利的负压合空隙破坏。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。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。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:喇叭口的顶板和边墙常采用椭圆曲线,其方程为:二、进口段的组成二、进口段的组成12222byax式式中:中:a a 长半轴,顶板:长半轴,顶板:a=Ha=H(孔口高);(孔口高); 边墙边墙: a=B: a=B(孔口宽)(孔口宽) b b短半轴短半轴 顶板:顶板
25、:b=H/3 b=H/3 边墙:边墙:b=b=(1/31/31/51/5)B B对于重要的工程,进口曲线,应通过水工模型试验确定。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,此顶板以接,此顶板以1 1:4 41 1:6 6的坡度向下游缩,以增加进口段的的坡度向下游缩,以增加进口段的压力,防止发生空蚀。压力,防止发生空蚀。 检修门槽前的入口段长度检修门槽前的入口段长度L=L=(0.80.81
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