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水工隧洞

2020-04-09 21:01

为输水、引水、泄水或通航而在山体中或地下开凿(挖)的洞式过水通道。水工隧洞按其功用分为:①自水库、河道等水源取水的引水隧洞;②人工河道、渠道穿过山岭时设置的输水隧洞;③水利枢纽中为泄洪、排沙、施工导流、排泄电站尾水等而设置的泄水隧洞;④通航隧洞;⑤过筏隧洞。按洞内水流状态,又分为有压隧洞和无压隧洞。

为使水利枢纽布置紧凑,降低造价,缩短工期,经过技术经济比较,常采用一洞多用的方式,如泄洪与发电或灌溉与发电共用一洞,施工导流与泄洪相结合(图1)等。各种隧洞在布置要求、水力设计、结构设计等方面各具特点,不同用途的隧洞结合在一起时,需要妥善解决可能产生的矛盾。

图1 导流隧洞与泄洪隧洞相结合的布置图

水利枢纽中的隧洞,进口位于水下,便于在不同水位时向下游泄水或引水,适用性强;但孔口出流的超泄能力低,泄量较小,故枢纽中的泄洪隧洞往往只能配合溢洪道等主要泄洪设施,起辅助作用。

在山体中开凿隧洞,破坏了山体原有的平衡状态,在洞周的围岩表面及其附近引起应力重分布,产生变形,甚至崩坍破坏,故常需临时支护和永久衬砌。岩体对支承结构施加山岩压力,同时它本身在获得新的平衡过程中也具有一定的自承能力,与衬砌共同承担水压力等荷载。

有压隧洞的水头高,要求洞身具有足够的强度。泄洪隧洞流速高,要求进口和洞身的体形与流态相适应,控制过水表面的不平整度,或采用掺气减蚀等措施,以免高速水流造成空蚀、振动等破坏现象。

隧洞的洞线长,断面相对较小,在地下施工中从开挖、出渣到衬砌、灌浆,工序多、场地窄、相互干扰大,需要较长工期。高水头压力隧洞和泄水隧洞的施工质量要求较高,导流隧洞则常要求较快施工进度。

水利枢纽中的泄水或引水隧洞除洞身外,还有上、下游渠道衔接、进口段及出口段,并设闸门控制水流。根据需要在泄水或灌溉引水隧洞出口段设置消能设施。发电引水隧洞后接压力管道或前池。河渠上的输水隧洞的进、出口段一般需设洞脸和翼墙,以保持洞口安全和水流平顺,通常不设闸门。

水工隧洞线路选择影响着施工布置、工程进度、运行安全及经济效益。洞线宜选在地质构造简单、岩体坚硬完整、具有足够厚度的上覆岩层、地下水微弱的地段。在满足枢纽总体布置要求下,洞线尽量短直,使开挖量小,水流条件好,并便于施工。由于地形、地质及枢纽布置等条件限制,必须在平面上转弯时,低流速无压隧洞的转弯半径不宜小于5倍洞径,转角不宜大于60°;高流速无压隧洞尽量避免转弯,高流速有压隧洞的弯曲半径及转角由试验确定。

洞线纵坡根据上下游水流衔接、运用要求及施工、检修条件确定。有压隧洞的纵坡取决于施工、出渣、排水及运行维修条件,一般不缓于3‰~5‰,并不陡于10‰。无压隧洞的纵坡根据水力条件确定,且一般大于临界坡度,以保持洞内水流处于急流状态。

水工隧洞的断面形式根据其功用、水流状态、围岩的地质条件及施工要求确定。有压隧洞多采用圆形断面。当地质条件好、洞径及内外水压力不大时,也可采用便于施工的圆拱直墙式(也称城门洞式)断面,如图2(a)、(b)所示。无压隧洞多采用圆拱直墙式断面,若地质条件差,也可采用马蹄形或圆形断面,如图2(c)、(d)所示。

断面尺寸主要根据水力计算确定。除计算过流能力外,有压隧洞要确定沿程压坡线,保证洞内总是满流且洞顶有2m以上的压力水头余幅;无压隧洞要计算洞内水面线,保证水面以上有足够的空间。当流速较高时,还要考虑水流掺气及冲击波的影响。考虑到施工和检修的需要,隧洞最小断面不小于1.5m×1.8m(或内径不小于1.8m)。

隧洞衬砌除承受水压力及山岩压力等荷载,保证隧洞及围岩安全外,还有减少渗漏及降低洞壁糙率、改善水流条件的作用。衬砌形式有:砖石、混凝土或钢筋混凝土、预应力混凝土的单层衬砌和钢板、钢丝网喷浆与混凝土、钢筋混凝土或浆砌石构成的双层组合衬砌等。当地质条件良好时,可只采用锚喷衬砌、平整衬砌或不衬砌。

图2 隧洞断面形式

(a)、(b)圆拱直墙式断面;(c)马蹄形断面;(d)圆形断面

中国已建的水工隧洞长于1km的有100余条,其中大于10km的大型隧洞有11条。引黄入晋总干渠上最长的隧洞单洞长54.85km。二滩水电站导流洞断面为17.5m×23m,断面面积为402.6m2。三峡水利枢纽地下厂房尾水洞断面为24m×36m,其断面面积达876m2。到20世纪末,世界上长度超过10km的单体隧洞近40条,其中芬兰派延奈隧洞长达120km。

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