水工隧洞簡介課件

1、1洞線選擇 水工隧洞洞線的選擇，是隧洞設計中的重要環(huán)節(jié)之一；我國已建隧洞工程，由于洞線布置上的不合理和施工方法上的欠妥，而發(fā)生的事故不少。其原因：一是地質(zhì)資料不足；二是水力學因素。（）在洞線選擇中都非常重視遵循洞線垂直于地質(zhì)構(gòu)造線或與構(gòu)造線保持有足夠角度的原則。一般與構(gòu)造線夾角大于時基本無塌方事故；時會出現(xiàn)塌方；小于時大多出現(xiàn)塌方事故。（）層狀巖體是典型的各向異性介質(zhì)。在層狀巖體中布置隧洞，洞軸線與巖層走向要有較大的夾角，碧口水電站在陡傾角較疏松的薄層千枚巖中開挖了條隧洞、條壓力管道和其他各種洞室。洞軸線與巖層的夾角時，洞壁發(fā)生嚴重外鼓和傾倒；夾角時，發(fā)生較輕微外鼓和傾倒；夾角大于時，圍巖基本

2、穩(wěn)定。（）洞線布置應考慮地應力方向，例如，二灘水電站，號、號探洞三維地應力實測資料分析，最大主應力方向為北東左右，如選取北東方向為軸，北西方向為軸，軸鉛直向上，根據(jù)實測值算出這種位置的各種地應力參數(shù)，列于表中。 表可以看出，兩個水平應力分量相差很大，如果洞軸線選在軸方向，邊墻將受到小的側(cè)向壓力，若選在軸上，邊墻上將受到大的側(cè)向壓力，兩者相比，后者邊墻上單位面積所受的側(cè)向壓力，為前者的倍。據(jù)此分析，并結(jié)合考慮了地質(zhì)構(gòu)造線方向進行了廠區(qū)洞群布置。結(jié)果開挖施工進行順利。 隧洞埋設深度，即洞頂以上巖體的覆蓋厚度和山體岸邊一側(cè)的巖體厚度，一般統(tǒng)稱為圍巖的覆蓋厚度。隧洞圍巖的覆蓋厚度涉及到圍巖的穩(wěn)定性、圍

3、巖的抗力及圍巖的防滲能力等。21進、出口洞段及無壓隧洞 調(diào)查了個工程的進出口，其最小覆蓋厚度均不足倍的洞徑，關(guān)鍵是采取了合理的施工程序和工程措施，其結(jié)果是減少了明挖，爭取了工期。 22有壓隧洞 ）雪山準則（如圖所示）： 對于比較陡峭的地形，側(cè)向覆蓋常起著控制作用。澳大利亞的雪山準則，。 ）挪威準則（如圖所示）： 早年，在挪威當壓力隧洞地表巖體坡度變陡時，設計者只是簡單地把所需的圍巖覆蓋厚度從靜水頭的倍增加到倍。結(jié)果導致一些工程的失敗。關(guān)于經(jīng)驗系數(shù)的取值問題，宜根據(jù)圍巖情況確定。 對巖體坡角從的不同情況使用垂直向準則、雪山準則和挪威準則進行計算比較，雪山準則和挪威準則相當吻合，它隨著坡角的增加而

4、覆蓋厚度增加，垂直向準則覆蓋厚度則隨著巖體坡角的增大而減少。顯然挪威和雪山準則均更合理。國內(nèi)工程推薦采用挪威準則。F=1.101.50。 高壓隧洞和岔洞雖滿足了覆蓋厚度的要求，有時在完好的巖體中仍會發(fā)生水力劈裂，所以提出對地應力和滲流穩(wěn)定的要求。 由于洞線選擇不當造成重大損失的工程事例，如： 十三陵電站斜管段附近有一條多米寬的大斷層，勘探時沒發(fā)現(xiàn)，斜管段布置在斷層處，其走向、傾角幾乎與斷層重合，開挖導洞時發(fā)生嚴重坍方，延誤工期數(shù)月； 引青濟秦引水工程中的某段隧洞長約，有近洞段處于沖溝溝底，開挖過程中出現(xiàn)坍方，幾經(jīng)處理后仍控制不住坍方擴大，造成地面下沉，形成直徑約、深的通天坍方漏斗，處理近半年時

5、間，造成巨大損失； 電站發(fā)電洞布置于大壩左岸，該大壩為定向爆破成壩，爆破烈度達度度，爆破促使壩址區(qū)巖體震碎，卸荷裂隙張開。年建成后經(jīng)多年風化，致使原已張開的裂隙進一步風化、松馳，卸荷帶寬達。年開鑿的發(fā)電引水隧洞出口段位于卸荷帶中，年月充水出現(xiàn)多處滲水射流。放空檢查發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)巖體變形、鋼管下移，襯砌混凝土多處拉裂，岔管混凝土開裂，鋼筋外露，為此不得不另建一條發(fā)電隧洞。 碧口水電站泄洪洞方案比選時曾進行過左右岸方案比較，最后因右岸泄洪洞較長而被放棄，結(jié)果選定的左岸泄洪洞因地質(zhì)構(gòu)造的不利組合造成大坍方，地面坍陷面積達，坍方段長，坍方量約，工程停工處理達數(shù)年之久。 由于最小覆蓋厚度不足發(fā)生水力劈裂和滲透

6、失穩(wěn)造成工程事例，如： 江西蔡坊電站發(fā)電引水隧洞長2770m，內(nèi)徑2.1m，設計水頭108m，襯砌厚50cm單筋5根20，黑云毌花崗巖，上覆厚度14m，1995.11.16下閘蓄水，12.15日充水高壓水沿襯砌和圍巖裂隙沖出，形成泥石流，沖毀開關(guān)站，淹沒廠房。 自穩(wěn)條件好，開挖后變形很快穩(wěn)定的圍巖，可不計圍巖壓力。 圍巖變形（位移）基本穩(wěn)定的判別標準參見國家標準和巖土工程監(jiān)測手冊（中國水利水電出版社年版）。由統(tǒng)計規(guī)律看，一般在變形小于/時可認為基本穩(wěn)定。在有長期觀測（大于個月）成果時，觀測后期全月平均小于/時認為是穩(wěn)定的。 薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力可按式（）、式（）計

7、算： 不能形成穩(wěn)定拱的淺埋隧洞，宜按洞室頂拱的上覆巖體重力作用計算圍巖壓力，再根據(jù)施工所采取的支護措施予以修正。 塊狀、中厚層至厚層狀結(jié)構(gòu)的圍巖，可根據(jù)圍巖中不穩(wěn)定塊體的作用力來確定圍巖壓力。 采取了支護或加固措施的圍巖，根據(jù)其穩(wěn)定狀況，可不計或少計圍巖壓力。 圍巖壓力除與地質(zhì)條件、隧洞開挖尺寸有關(guān)外，與施工方法、支護措施、支護時間有很大關(guān)系。采用緊跟掌子面的噴射混凝土，或根據(jù)變形監(jiān)測成果采取及時錨噴支護，可控制圍巖變形，即使在地質(zhì)條件較差的圍巖中，也可大大減少圍巖變形造成的壓力，但是，圍巖壓力究竟減多少，目前還只能靠工程經(jīng)驗和對變形監(jiān)測的分析采用類比法決定。 采用掘進機開挖、光面爆破、控制爆

8、破可減少對圍巖的擾動和破壞，可增加圍巖的自承能力，使圍巖在襯砌上形成的壓力減少；可適當少計圍巖壓力。 具有流變或膨脹等特殊性質(zhì)的圍巖，可能對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形壓力時，應對這種作用進行專門研究。 地應力在襯砌上產(chǎn)生的作用應進行專門研究。 地下水壓力是設計最關(guān)注的、也是很難準確確定的。 1外水壓力折減系數(shù)的方法 隧洞的外水壓力作用一般根據(jù)圍巖的滲透系數(shù)、巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、滲流類型、襯砌型式、補給水源、排水或出水點等條件，通過滲流計算來確定。但是，計算工作量較大，計算參數(shù)難確定，不現(xiàn)實。用結(jié)構(gòu)力學法計算襯砌結(jié)構(gòu)時需先確定作用在襯砌面上的外水壓力，然后按面力進行計算。鑒于上述原因水工建筑物荷載設計規(guī)范

9、仍選用外水壓力折減系數(shù)的方法。 外水壓力折減系數(shù)存在問題： 在工程的前期階段，隧洞尚未開挖，無法取得地下水活動狀態(tài)的資料。外水壓力折減系數(shù)e值在隧洞前期勘察中難以應用。 在隧洞施工階段，雖然可以根據(jù)地下水活動狀態(tài)判定e值，但表 中變化區(qū)間大，且上下不同級別的e值相互重疊，取值困難，不盡合理。 表中沒有闡明外水壓力與工程、水文地質(zhì)條件的關(guān)系，特別是與巖體滲透性的關(guān)系，從而不利于工程地質(zhì)勘察的取值。 隧洞外水壓力折減系數(shù)工程地質(zhì)研究 宋岳 賈國臣 滕杰 巖體滲透性與外水壓力折減系數(shù)關(guān)系 地下水溢出狀態(tài)與外水壓力折減系數(shù)關(guān)系 當為抵御高地下水壓力而需要增加襯砌厚度時，我國的經(jīng)驗是在滿足有關(guān)覆蓋厚度規(guī)

10、定的條件下，可采用排水措施降低外水壓力，但對于不良地質(zhì)洞段應予以慎重對待。 對設有排水設施的水工隧洞，可根據(jù)排水效果和排水設施的可靠性，對作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力作適當折減，其折減值可通過工程類比或滲流計算分析確定。 排水的幾種主要類型（1）在襯砌中設置排水孔 (孔徑 4cm20cm)。（2）排水廊道或排水洞，洞徑一般1.5m到3m。（3）排水幕與排水洞聯(lián)合使用， 排水幕可布置在任意方向。（4）設置輻射狀排水孔組成排水帶。多用于地下廠房及無壓隧洞。（5）設置排水盲溝， 尺寸介于排水孔和排水洞之間，常在隧洞底板下布置排水盲溝。（6） 土工織物排水， 利用土工織物透水性，在隧洞巖壁上鋪成條帶狀然

11、后澆筑襯砌，巖石滲水通過土工織物排水條帶排走。（7） 高壓鋼管貼壁式排水， 用槽鋼或角鋼或半圓鋼管點焊在壓力鋼管外緣形成排水網(wǎng)絡。 應注意的幾亇問題 (1) 有壓隧洞多采用圓形斷面，它有較高的抗外壓穩(wěn)定的能力，所以在低壓隧洞中，很少在襯砌中設置排水孔。 (2) 有壓隧洞設置排水孔時應注意內(nèi)水外滲。 (3) 為了阻止圍巖中巖屑隨水帶出，惡化圍巖，可在排水孔中設置軟式透水管。 (4) 當圍巖中軟弱面充填物有被水溶解和帶走的可能時，為保持圍巖穩(wěn)定，則不允許設置排水措施。 沒有必要或沒有理由為外水壓力設計襯砌。 在施工、檢修和維修期內(nèi)，必須進行隧洞排水。如果施工期的地下涌水太大，可采用灌漿減小水流量。

12、 襯砌設計應能承受一定比例的外水壓力，因為排水無法將壓力減小到零，而且排水管存在被堵塞的可能性。采用適當?shù)呐潘胧┖?，設計外水壓力可采用低于25%的全部壓力或相當于三倍洞徑的水柱高度。張有天隧洞設計三原則(1) 隧洞的外水荷載是作用于地下水位以下整個空間的滲流場力(2) 應按滲流荷載增量理論分析隧洞應力(3) 襯砌與圍巖有條件地聯(lián)合作用 1.由于有強滲透的含水層、裂隙水、強地表水補給，造成圍巖穩(wěn)定條件惡化，引起局部失穩(wěn)： 電站炭質(zhì)頁巖段隧洞，施工中遇到地下水，巖體軟化，圍巖失穩(wěn)，冒頂大坍方。 2. 因排水失效導致襯砌破壞 美國TaumSank壓力隧洞，設計水頭263m，鋼襯直徑5.6m，運行四

13、年后檢查發(fā)現(xiàn)鋼襯壓屈，進一步檢查發(fā)現(xiàn)外排水系統(tǒng)被碳酸鹽類物質(zhì)堵塞，外水壓力使鋼襯壓屈所致。 3. 因施工質(zhì)量差在放水時受外水壓力作用襯砌破壞 羊卓湖抽水蓄能電站，位于海拔4000m以上的青藏高原，引水隧洞長5889m，D=2.5m，混凝土襯砌0.30.5m，深埋（50450m）于淺變質(zhì)巖中，放水速度較快，發(fā)現(xiàn)上水平段混凝土襯砌開裂脫落，混凝土蜂窩麻面，內(nèi)混模板、雜物，鋼筋未綁扎，最后將2.7km混凝土襯砌段全改為鋼襯。 4.因內(nèi)水外滲受外水壓力作用襯砌破壞 劉家峽1#機組引水發(fā)電隧洞， 砼裂縫形成內(nèi)水外滲，高壓水沿著鋼管與圍巖間的縫隙作用在鋼管上，使鋼管變形、壓屈，形成鼓包，變形失穩(wěn)。 Bat

14、h Countny抽水蓄能電站，二條平行的混凝土襯砌隧洞和壓力鋼管，設計水頭395m，洞徑5m。1985年建成，當1#隧洞充水試驗時，由于混凝土襯砌開裂，內(nèi)水外滲，使2#壓力鋼管鋼板襯砌壓屈。 對有地表水強補給的沖溝，一是容易造成圍巖失穩(wěn)，二是施工期外水內(nèi)滲，工程上處理很困難，運行期的外水壓力可能較大。 根據(jù)防滲要求，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設計可分為抗裂、限裂和不限制裂縫寬度設計。 () 圍巖抗?jié)B能力差，內(nèi)水外滲造成的危害，應提出嚴格的防滲要求； () 圍巖具有抗?jié)B能力，內(nèi)水外滲可能造成不良地質(zhì)段的局部失穩(wěn)，宜提出一般防滲要求； () 圍巖具有較好的抗?jié)B性，內(nèi)水外滲不存在滲透失穩(wěn)和環(huán)境破壞問題，可不提出

15、防滲要求。 不襯砌與錨噴支護的設計，一般宜按工程類比法，對于直徑（跨度）大于的隧洞，尚應輔以理論計算和監(jiān)控量測。 、類圍巖，隧洞的直徑（跨度）不大于時宜不支護，時宜采用噴混凝土支護，大于的隧洞，宜采用錨噴聯(lián)合支護，遇有局部不穩(wěn)定塊體時，應采用錨桿加固。 、類圍巖可采用錨噴、掛網(wǎng)或鋼排架等聯(lián)合支護，類圍巖必要時應進行襯砌。 不襯砌隧洞，必要時可設置不承載（平整）混凝土襯砌。 2. 混凝土和鋼筋混凝土襯砌 對于防滲要求較高的隧洞，鋼筋混凝土襯砌難以滿足防滲要求，采用預應力混凝土襯砌。 (1) 壓漿式預應力混凝土襯砌 用灌漿方法來產(chǎn)生預應力的混凝土襯砌，我國白山工程； (2) 環(huán)錨式預應力混凝土襯砌

16、 用機械方法產(chǎn)生預應力 環(huán)錨式襯砌分有黏結(jié)后張預應力和無黏結(jié)后張預應力，小浪底工程采用了后張法無黏結(jié)預應力混凝土襯砌，清江隔河巖和天生橋采用后張法有黏結(jié)預應力襯砌。 有黏結(jié)預應力，必須考慮由于摩擦引起的應力降低，早期的設計，國內(nèi)外大都采用了有黏結(jié)預應力混凝土襯砌，并相繼投入運行。 有黏結(jié)后張預應力技術(shù)，預埋波紋管堵塞現(xiàn)象嚴重，張拉時斷絲和滑絲時有發(fā)生，施工程序復雜，結(jié)構(gòu)應力不均勻，易引起混凝土裂縫。 無黏結(jié)預應力技術(shù)，鋼絞線分別放入充滿油脂的套管內(nèi)，并逐根均勻分布在隧洞襯砌內(nèi)。 由于摩擦系數(shù)的減小，提高了預應力的效率，減少了錨具槽附近的應力集中和節(jié)省了工程量。小浪底工程實踐，采用無黏結(jié)預應力較原有黏結(jié)預應力可節(jié)省約的錨具和相應的工程量。 無黏結(jié)預應力混凝土襯砌具有