第八章有压引水建筑物.doc

第八章 有压引水建筑物教学规定：了解有压进水口的型式、特点和合用条件，掌握有压进水口各种设备的作用及进口高程、轮廓尺寸的拟定；了解水工隧洞的选线与布置、组成及各部分的型式与构造，掌握水工隧洞衬砌的计算方法；了解喷锚支护的应用；了解坝下涵管的布置方式及各部分构造；了解压力管道的布置方式，掌握压力明管的水力计算和经济直径的拟定；了解镇墩、支墩的作用、形式及合用条件和明管上的阀门与附件；熟悉埋管的布置方式；了解调压室的工作原理和水位波动的计算方法。第一节 概述图8-1为有压引水式水电站的示意图。该水电站的建筑物涉及水库、拦河坝、泄水道、水电站进水口、有压引水道（压力隧洞）、调压室、压力管道、厂房枢纽（含变电、配电建筑物）以及尾水渠。本章只介绍整个引水系统（涉及进水口、有压隧洞、压力管道和调压室），其他建筑物则在相应章节讨论。图81 有压引水式水电站示意图1- 水库；2-闸门室；3-进水口；4-坝；5-溢洪道；6-调压室；7-有压隧洞；8-压力管道；9-厂房第二节 有压进水口流道均淹没于水中，并始终保持满流状态，具有一定的压力水头的进水口，称之为有压进水口。有压进水口也称为深式进水口或潜没式进水口。有压引水式水电站和坝后式水电站的进口大都属于这种类型,其后常接有压隧洞或管道，合用于从水位变幅较大的水库中取水。1 有压进水口的重要类型及合用条件有压进水口的类型重要取决于水电站的开发和运营方式、引用流量、枢纽布置规定以及地形地质条件等因素，可分为竖井式、墙式、塔式、坝式四种重要类型。（1）竖井式进水口竖井式进水口的闸门井布置于山体竖井中，竖井的顶部布置启闭设备和操作室，如图8-2所示。进口段开挖成喇叭形，以使水流平顺。闸门段经渐变段与引水隧洞衔接。这种进水口合用于隧洞进口的地质条件较好、地形坡度适中的情况。本地质条件不好，扩大进口和开挖竖井会引起塌方，地形过于平缓，不易成洞，或过于陡峻，难以开凿竖井时，都不宜采用。竖井式进水口充足运用了岩石的作用，钢筋混凝土工程量较少，是一种既经济又安全的结构形式，因而应用广泛。（2）墙式进水口墙式进水口的进口段和闸门段均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的墙式建筑物，如图8-3所示。这种进水口合用于洞口附近地质条件较差或地形陡峻因而不宜采用洞式进水口时。墙式进水口其建筑物承受水压力，有时也承受山岩压力，因而需要足够的强度和稳定性，有时可将墙式结构连同闸门槽依山做成倾斜的，以减小或免去山岩压力，同时使水压力部分或所有传给山岩承受，这时的墙式进水口称为斜卧式进水口。（3）塔式进水口塔式进水口的进口段和闸门段组成一个竖立于水库边的塔式结构，通过工作桥与岸边相连，如图8-4所示。这种进水口合用于洞口附近地质条件较差或地形平缓从而不宜采用洞式进水口的引水工程。本地材料坝的坝下涵管也常采用塔式进水口。塔式结构要承受风浪压力及地震力，必须有足够的强度及稳定性。塔式进水口可由一侧进水，也可由四周进水，然后将水引入塔底岩基的竖井中（在我国应用实例较少）。（4）坝式进水口坝式进水口指的是布置在挡水坝或挡水建筑物上的整体结构进水口，进口段和闸门段常合二为一，布置紧凑，如图8-5所示。当水电站压力管道埋设在坝体内时，只能采用这种进水口，坝式进水口的布置应与坝体协调一致，其形状也随坝型不同而异。2 有压进水口的布置及轮廓尺寸（1）有压进水口的位置水电站有压进水口在枢纽中的位置应根据地形、地质条件、水位变幅、隧洞线路、进水口型式等综合考虑拟定。在各级运营水位下，应进流匀称、水流平顺、，不发生回流和旋涡，不出现淤积，不聚集污物，不受其他建筑物运营的影响。进水口后连接引水隧洞时，应与隧洞平顺过渡，选择地形、地质及水流条件相宜的位置。（2）有压进水口的高程有压进水口在上游最低运营水位时仍应有足够的淹没深度，防止产生贯通式漏斗漩涡。最小淹没深度可按式（81） （81）式中 最小淹没深度（进口顶部高程与水位之间的差值）；闸孔高度（m）；闸孔断面平均流速（m/s）；系数，对称水流取0.55，边界复杂和侧向水流取0.73。引水工程进水口难以达成最小淹没深度规定期，应在水面以下设立防涡梁（板）和防涡栅等防涡措施。在满足进水口前不产生漏斗状吸气旋涡及引水道内不产生负压的前提下，进水口高程应尽也许抬高，以改善结构受力条件，减少闸门、启闭设备及引水道的造价，也便于进水口运营维护。有压进水口的底部高程应高于设计淤积高程。若无法满足，则应在进水口附近设排沙孔，以保证进水口不被淤塞，并防止有害的石块进入引水道。（3）有压进水口的轮廓尺寸竖井式、墙式及塔式进水口的进口段、闸门段和渐变段划分比较明确，进水口的轮廓尺寸重要取决于三个控制断面的尺寸，即拦污栅断面、闸门孔口断面和隧洞断面。拦污栅断面尺寸通常按过栅流速不超过某个极限值的规定来决定。闸门孔口通常为矩形，事故闸门处净过水断面一般为隧洞断面的1.1倍左右，检修闸门孔口常与此相等或稍大，孔口宽度略小于隧洞直径，而高度等于或稍大于隧洞直径。进水口的轮廓应能光滑地连接这三个断面，使得水流平顺，流速变化均匀，水流与四周侧壁之间无负压及涡旋。进口段的作用是连接拦污栅与闸门段。隧洞的进口段常为平底，两侧稍有收缩，上唇收缩较大。两侧收缩曲线常为圆弧，上唇收缩曲线一般用四分之一椭圆，如图8-2所示，当引用流量及流速不大时可用圆弧或双曲线。进口段的长度无一定标准，在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下，尽也许紧凑。闸门段的体型重要决定于所采用的闸门、门槽型式及结构的受力条件，其长度应满足闸门及启闭设备布置需要，并考虑引水道检修通道的规定。渐变段是由矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。通常采用圆角过渡，如图8-6所示，其中1-1断面为闸门段，3-3断面为隧洞。圆角半径可按直线规律变为隧洞半径。渐变段的长度一般为隧洞直径的1.52.0倍，侧面扩散角以68为宜。上述拟定方法对坝式进水口同样合用，但为了适应坝体的结构规定，进水口长度要缩短，进口段与闸门段常合二为一。坝式进水口一般都做成矩形喇叭口状。进水口的中心线可以是水平的，也可以是倾斜的，视与压力管道的连接条件而定。开口较小时工作闸门可设于喇叭口的中部而将检修闸门置于喇叭口上游，如图8-5所示。该图中还表达了为保证水流平顺各部分所需的最小尺寸。上述各点均系就水电站进水口而言。抽水蓄能电站的进水口在抽水工况时成为出水口，其体型还要利于反向水流的均匀扩散，以防脱流和旋涡。4 有压进水口的重要设备有压进水口应根据运用条件设立拦污设备、闸门及启闭设备、通气孔以及充水阀等重要设备。（一）拦污设备拦污设备的功用是防止漂浮物随水流带入进水口，同时不让这些漂浮物堵塞进水口，影响过水能力。重要的拦污设备是进口处的拦污栅。工程实践表白，进水口拦污栅极易被漂浮物堵塞，清理不及时，也许导致水电站被迫减小出力甚至停机的后果，压坏拦污栅的事例也曾发生。工程上为减小进水口拦污栅的压力，常在远离进水口几十米之外设一道粗栅或拦污浮排，拦住粗大的漂浮物，并将其引向溢流坝，渲泄至下游。1拦污栅的布置及支承结构拦污栅可采用倾斜或垂直的布置方式。竖井式及墙式进水口的拦污栅常布置为倾斜的，倾角为6070左右，见图8-2及图8-3，其优点是过水断面大，且易于清污。塔式进水口的拦污栅可布置为倾斜的或垂直的，取决于进水口的结构形状。但坝式进水口的拦污栅一般为垂直的。拦污栅的平面形状可以是平面的或多边形的。前者便于清污，后者可增大拦污栅处的过水断面。竖井式及墙式进水口一般采用平面拦污栅，见图8-2和图8-3，塔式及坝式进水口则两种均也许采用。坝式进水口采用多边形拦污栅的情况见图8-5。拦污栅的总面积常按电站的引用流量及拟定的过栅流速反算得出。过栅流速是指扣除墩（柱）、横梁及栅条等各种阻水断面后按净面积算出的流速。拦污栅总面积小则过栅流速大，水头损失大，漂浮物对拦污栅的撞击力大，清污亦困难；拦污栅面积大，则会增长造价，甚至布置困难。为便于清污，过栅流速以不超过1.0m/s为宜，当河流污物很少或经粗栅、拦污浮排等措施解决后，拦污栅前污物很少，此时,水电站引用流量可加大，过栅流速可随之加大。拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承，见图8-2及图8-5，拦污栅框架由墩（柱）及横梁组成，墩（柱）侧面留槽，拦污栅片插在槽内，上、下两端分别支承在两根横梁上，承受水压时相称于简支梁。横梁的间距一般不大于4m，间距过大会加大栅片的横断面，但过小会减小净过水断面，增长水头损失。多边形拦污栅离压力管道进口不能太近，以保证入流平顺。拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位。2拦污栅栅片拦污栅由若干块栅片组成，每块栅片的宽度一般不超过2.5m，高度不超过4m，栅片像闸门同样插在支承结构的栅槽中，必要时可一片片提起检修。栅片的结构如图8-7所示。其矩形边框由角钢或槽钢焊成，纵向的栅条常用扁钢制成，上下两端焊在边框上。沿栅条的长度方向，等距设立几道带有槽口的横隔板，栅条背水侧嵌入该槽口并加焊，不仅固定了位置，也增长了侧向稳定性。栅片顶部设有吊环。栅条的厚度及宽度由强度计算决定，通常厚812mm，宽100200mm。栅条的净距b取决于水轮机的型号及尺寸，以保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中为原则。3拦污栅的清污及防冻拦污栅是否被污物堵塞及其堵塞限度可通过观测栅前栅后的压力差来判断，这是由于正常情况下水流通过拦污栅的水头损失很小，被污物堵塞后则明显增大。发现拦污栅被堵时，要及时清污，以免导致额外的水头损失。堵塞不严重时清污方便，堵塞过多则过栅流速大，水头损失加大，污物被水压力紧压在栅条上，清污困难，解决不妥时会导致停机或压坏拦污栅的事故。拦污栅的清污方法随清污设施及污物种类不同而异。人工清污是用齿耙扒掉拦污栅上的污物，一般用于小型水电站的浅水、倾斜式拦污栅。大中型水电站常用清污机，如图8-8所示。若污物中的树枝较多，不易扒除时，可运用倒冲的方法使其脱离拦污栅，如引水系统中有调压井或前池，则可先加大水电站出力，然后忽然丢弃负荷，导致引水道内短时间反向水流，将污物自拦污栅上冲下，再将其扒走。拦污栅吊起清污方法可用于污物不多的河流，结合拦污栅检修进行，也可用于污物（特别是漂浮的树枝）较多、清污困难的情况。对于后一种情况，可设两道拦污栅，一道吊出清污时，另一道可以拦污，以保证水电站正常运营，如四川映秀湾水电站。在严寒地区要防止拦污栅封冻。如冬季仍能保证所有栅条完全埋在水下，则水面形成冰盖后，下层水温高于0，栅面不会结冰。如栅条露出水面，则要设法防止栅面结冰。一种方法是在栅面上通过50 V以下电流，形成回路，使栅条发热。另一种方法是将压缩空气用管道通到拦污栅上游面的底部，从均匀布置的喷嘴中喷出，形成自下向上的夹气水流，将下层温水带至栅面，并增长水流紊动，防止栅面结冰。这时要相应减小水电站引用流量以免吸入大量气泡。在特别寒冷的地区，有时采用室内进水口（涉及拦污栅），以便保温。（二）闸门及启闭设备进水口通常设两道闸门，即事故闸门及检修闸门。当隧洞较短或调压室处另设有事故闸门时，可只设一道检修闸门。事故闸门仅在全开或全关的情况下工作，不用于流量调节，其重要功用是，当机组或引水道内发生事故时迅速切断水流，以防事故扩大。此外，引水道检修期间，也用以封堵水流。事故闸门常悬挂于孔口上方，以便事故时能在动水中快速(12min）关闭。闸门启动为静水启动。事故闸门一般为平面门，每套闸门配备一套固定的卷扬式启闭机或油压启闭机，以便随时操作。闸门启闭机应有就地操作和远方操作两套系统，并配有可靠电源。闸门应能吊出进行检修。检修闸门设在事故闸门上游侧，在检修事故闸门及其门槽时用以堵水。一般采用静水启闭的平板门，中小型电站也可采用迭梁。几个进水口可合用一扇检修门，并采用移动式的启闭机（如坝顶门机）或临时启闭设备进行启闭。（三）通气孔及充水阀通气孔设在事故闸门之后，其功用是，当引水道充水时用以排气，当事故闸门关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害的真空。当闸门为前止水时，常运用闸门井兼作通气孔，如图8-2所示。当闸门为后止水时，则必须设专用的通气孔，如图8-5所示。通气孔中常设爬梯，兼作进人孔。通气孔的面积常按最大进气流量除以允许进气流速得出。最大进气流量出现在事故闸门紧急关闭时，可近似认为等于进水口的最大引用流量。允许进气流速与引水道形式有关，对于露天钢管可取3050m/s，坝内钢管及隧洞可取7080m/s或更高。通气孔顶端应高出上游最高水位，以防水流溢出。要采用适当措施，防止通气孔因冰冻堵塞，防止大量进气时危害运营人员或吸入周边物件。充水阀的作用是启动闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便静水启动闸门。充水阀的尺寸应根据充水容积、下游漏水量及规定充满的时间等来拟定。充水阀可安装在专门设立的连通闸门前后水道的旁通管上，但较常见的是直接在平板闸门上设“小门”，运用闸门拉杆启闭。闸门关闭时，拉杆及充水阀重量同时关闭充水阀，提高拉杆而闸门本体尚未提起时即可先行启动充水阀。此外，进水口应设有可靠的测压设施，以便监视拦污栅前后的水位差，以及事故闸门、检修闸门在启动前的平压情况。第三节 水工隧洞概述（一）水工隧洞的类型为满足水利水电工程各项任务而设立的隧洞称为水工隧洞，其功用是：(1)配合溢洪道宣泄洪水，有时也作为重要泄洪建筑物之用。(2)引水发电，或为灌溉、供水和航运送水。(3)排放水库泥沙，延长使用年限，有助于水电站等的正常运营。(4)放空水库，用于人防或检修建筑物。(5)在水利枢纽施工期用来导流。按上述功用，水工隧洞可分为泄洪隧洞、引水发电和尾水隧洞、灌溉和供水隧洞、放空和排沙隧洞、施工导流隧洞等。按隧洞内的水流状态，又可分为有压隧洞和无压隧洞。从水库引水发电的隧洞一般是有压的；灌溉渠道上的输水隧洞常是无压的，有的干渠及干渠上的隧洞还可兼用于通航；其余各类隧洞根据需要可以是有压的，也可以是无压的。在同一条隧洞中可以设计成前段是有压的而后段是无压的。但在同一洞段内，除了流速较低的临时性导流隧洞外，应避免出现时而有压时而无压的明满流交替流态，以防引起振动、空蚀和对泄流能力的不利影响。在设计水工隧洞时，应当根据枢纽的规划任务，按照一洞多用的原则，尽量设计为多用途的隧洞，以减少工程造价。有压隧洞和无压隧洞在工程布置、水力计算、受力情况及运营条件等方面差别较大，对于一个具体工程，究竟采用有压隧洞还是无压隧洞，应根据工程的任务、地质、地形及水头大小等条件提出不同的方案，通过技术经济比较后选定。（二）水工隧洞的工作特点(1)水力特点。枢纽中的泄水隧洞，除少数表孔进口外，大多数是深式进口。深式泄水隧洞的泄流能力与作用水头H的1/2次方成正比，当H增大时，泄流量增长较慢，不如表孔超泄能力强。但深式进口位置较低，能提前泄水，从而提高水库的运用率，减轻下游的防洪承担，故常用来配合溢洪道宣泄洪水。泄水隧洞所承受的水头较高、流速较大，假如体形设计不妥或施工存在缺陷，也许引起空化水流而导致空蚀；水流脉动会引起闸门等建筑物的振动；出口单宽流量大、能量集中会导致下游冲刷。为此应采用适宜的防止空蚀和消能措施。(2)结构特点。隧洞为地下结构，开挖后破坏了本来岩体内的应力平衡，引起应力重分布，导致围岩产生变形甚至崩塌，为此，常需设立临时支护和永久性衬砌，以承受围岩压力。但围岩自身也具有承载力，可与衬砌共同承受内水压力等荷载。承受较大内水压力的隧洞，规定围岩具有足够的厚度和进行必要的衬砌，否则一旦衬砌破坏，内水外渗，将危害岩坡稳定及附近建筑物的正常运营。(3)施工特点。隧洞一般是断面小，洞线长，从开挖、衬砌到灌浆，工序多，干扰大，施工条件较差，工期一般较长。施工导流隧洞或兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制整个工程的工期。（三）水工隧洞的组成水利枢纽中的泄水隧洞重要涉及下列三个部分：(1)进口段。位于隧洞进口部位，用以控制水流。涉及拦污栅、进水喇叭口、闸门段及渐变段等。(2)洞身段。用以输送水流。一般都需进行衬砌。(3)出口段。用以连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门框，有压隧洞的出口一般设有渐变段及工作闸门室。而用于水电站引水的隧洞末端通常与平水建筑物相连，无专门的出口段。本节只讨论有压引水隧洞布置与选线及各组成部分的设计问题。水工隧洞的布置与选线（一）总体布置及线路选择1总体布置(1)水工隧洞在枢纽中的布置应根据枢纽的任务、隧洞用途、地形、地质、施工、运营等条件综合研究并经技术经济比较后方能拟定。(2)在合理选定洞线方案的基础上，根据地形、地质及水流条件，选定进口段的结构形式，拟定闸门在隧洞中的布置。(3)拟定洞身纵坡及洞身断面形状和尺寸。(4)根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的互相关系选定出口位置、高程及消能方式。2线路选择引水隧洞的线路选择是设计中的关键，它关系到隧洞的造价、施工难易、工程进度、运营可靠性等方面。因此，应当在勘测工作的基础上拟定不同方案，考虑各种因素，进行技术经济比较后选定。选择洞线的一般原则和规定为：(1)隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、围岩也许不稳定及地下水位高、渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。洞线要与岩层层面、构造破碎带和节理面有较大的交角，在整体块状结构的岩体中，其夹角不宜小于30；在层状岩体中，特别是层间结合疏松的高倾角薄岩层，其夹角不宜小于45。在高地应力地区，应使洞线与最大水平地应力方向尽量一致，以减小隧洞的侧向围岩压力。(2)洞线在平面上应力求短直，这样既可减小工程费用，方便施工，且有良好的水流条件。若因地形、地质、枢纽布置等因素必须转弯时，应以曲线相连。对于低流速的隧洞，其曲率半径不宜小于5倍洞径或洞宽，转角不宜大于60，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍洞径或洞宽。高流速的有压隧洞，即或转弯半径大于5倍洞径，由弯道引起的压力分布不均，有的达成弯道末端10倍洞径以外，甚至影响到出口水流不对称，流速分布不均。因此，设立弯道时其转弯半径及转角最佳通过实验拟定。(3)进、出口位置合适。隧洞的进、出口在开挖过程中容易塌方且易受地震破坏，应选在覆盖层、风化层较浅，岩石比较坚固完整的地段，避开有严重的顺坡卸荷裂隙、滑坡或危岩地带。引水隧洞的进口应力求水流顺畅，避免在进口附近产生串通性或间歇性漩涡。出口位置应与调压室的布置相协调，有助于缩短压力管道的长度。(4)隧洞应有一定的埋藏深度，涉及：洞顶覆盖厚度和傍山隧洞岸边一侧的岩体厚度，统称为围岩厚度。围岩厚度涉及开挖时的成洞条件，运营中在内、外水压力作用下围岩的稳定性，结构计算的边界条件和工程造价等。对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩厚度应不小于3倍洞径。根据以往的工程经验，对于较坚硬完整的岩体，有压隧洞的最小围岩厚度应不小于 (为洞顶压力水头），如不加衬砌，顶部和侧向的厚度应分别不小于和。一般洞身段围岩厚度较厚，但进、出口则较薄，为增大围岩厚度而将进、出口位置向内移动会增长明挖工程量，延长施工时间。一般情况，进、出口顶部岩体厚度不宜小于1倍洞径或洞宽。 (5)隧洞的纵坡，应根据运用规定、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较以后拟定。无压隧洞的纵坡应大于临界坡度。有压隧洞的纵坡重要取决于进、出口高程，规定全线洞顶在最不利的条件下保持不小于2m的压力水头。有压隧洞不宜采用平坡或反坡，因其不利于检修排水。为了便于施工期的运送及检修时排除积水，有轨运送的底坡一般为35，但不应大于10；无轨运送的坡度为315，最大不宜超过20。(6)对于长隧洞，选择洞线时还应注意运用地形、地质条件，布置一些施工支洞、斜井、竖井，以便增长工作面，有助于改善施工条件，加快施工进度。（二）闸门在隧洞中的布置引水隧洞中一般要设立两道闸门，一道是工作闸门，用来调节流量和封闭孔口，能在动水中启闭，一道是检修闸门，设立在进口，用来挡水，以便检修工作闸门或隧洞。当隧洞出口低于下游水位时，出口处还需设立叠梁检修门。大中型隧洞的深式进水口常规定检修闸门能在动水中关闭，静水中启动，以满足发生事故时的需要，所以也称事故检修门。对于有压泄水隧洞，其工作闸门通常布置在出口 如图8-9所示。这种布置的优点是：泄流时洞内流态平稳；门后通气条件好，便于部分启动；工作闸门的控制结构也较简朴，管理方便；隧洞线路布置适应性强。但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。实际工程中，常在进口设事故检修门，平时也可用以挡水，以免洞内长时间承受较大的内水压力。实际工程中，有时为了便于枢纽布置，减小工程量，减少造价，也许采用发电与泄洪、发电与灌溉相结合的隧洞布置方式。但必须妥善解决由于不同任务结合所带来的一些矛盾问题。三、水工隧洞各组成部分的形式及构造（一）进口段有压隧洞进口段涉及进口喇叭口、闸门室、通气孔、平压管和渐变段等几个部分，本章第二节已介绍了相关内容，不再赘述。（二）洞身段1洞身断面形式洞身断面形式取决于水流流态、地质条件、施工条件及运营规定等。有压隧洞一般均采用圆形断面，如图8-10 (a)， (b)， (c)， (g)所示，因素是圆形断面的水流条件和受力条件都较为有利。当围岩条件较好，内水压力不大时，为了施工方便，也可采用无压隧洞常用的断面形式。2洞身断面尺寸洞身断面尺寸应根据运用规定、泄流量、作用水头及纵剖面布置，通过水力计算拟定，有时还要进行水工模型实验验证。有压隧洞水力计算的重要任务是核算泄流能力及沿程压坡线。对于无压隧洞重要是计算其泄流能力及洞内水面线，当洞内的水流流速大于1520m/s时，还应研究由于高速水流引起的掺气、冲击波及空蚀等问题。有压隧洞泄流能力按管流计算 (8-1)式中 考虑隧洞沿程阻力和局部阻力的流量系数；隧洞出口的断面面积，；作用水头，m。洞内的压坡线，可根据能量方程分段推求。为了保证洞内水流处在有压状态，如前所述，洞顶应有2m以上的压力余幅。在拟定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修等方面的需要，圆形断面的内径不小于1.8m，非圆形洞的断面不小于1. 5m 1. 8m。3洞身衬砌1) 衬砌的功用为了保证水工隧洞安全有效地运营，通常需要对隧洞进行衬砌。衬砌的功用是：限制围岩变形，保证围岩稳定；承受围岩压力、内水压力等荷载；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；减小表面糙率。2)衬砌的类型隧洞衬砌重要有以下几种类型：(1)平整衬砌。亦称护面或抹平衬砌，它不承受作用力，只起减小隧洞表面糙率，防止渗漏和保护岩石不受风化的作用。对于无压隧洞，如岩石不易风化，可只衬砌过水部分。平整衬砌合用于围岩条件较好，能自行稳定，且水头、流速较低的情况。根据隧洞的开挖情况，平整衬砌可采用混凝土、浆砌石或喷混凝土。(2)单层衬砌。由混凝土图8-10 (a)，钢筋混凝土图8-10 (b)， (c)， (d)或浆砌石等做成。单层衬砌特别是钢筋混凝土、混凝土衬砌应用最广，合用于中档地质条件、断面较大、水头及流速较高的情况。根据工程经验，混凝土及钢筋混凝土的厚度，一般约为洞径或洞宽的1/81/12，且不小于25cm，由衬砌结构计算最终拟定。(3)组合式衬砌。有内层为钢板、钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土图8-10(g)；有顶拱为混凝土，边墙和底板为浆砌石图8-10 (h)；顶拱、边墙喷锚后再进行混凝土或钢筋混凝土衬砌图8-10 (i)等形式。在软弱破碎的岩体中开挖隧洞，因其自稳能力差，容易发生塌方，先用喷锚支护，再作混凝土或钢筋混凝土衬砌是一种很好的组合形式。引滦入津引水隧洞在1700m长度范围内采用了这种形式，收到了很好的效果。选择洞身衬砌类型，应根据隧洞的任务、地质条件、断面尺寸、受力状态、施工条件等因素，通过综合分析比较后拟定。在有压圆形隧洞中，一般以采用混凝土、钢筋混凝土单层衬砌最为普遍。当内水压力较大，围岩条件较差，钢筋混凝土衬砌不能满足规定或不经济时，可采用内层为钢板的组合式双层衬砌。冯家山水库右岸压力泄洪洞（水头70m）出口段采用了双层衬砌图8-10 (g）。当内水压力较大时，也可研究采用预应力衬砌。配合光面爆破，喷锚是一种经济、快速的衬砌形式。当围岩坚硬、完整、裂隙少、稳定性好且不易风化时，对于流速低、流量较小的引水发电隧洞或导流隧洞，可以不加衬砌。不衬砌的有压隧洞，其内水压力应小于地应力的最小主应力，以保证围岩稳定。不衬砌隧洞的糙率大，引用同样流量要增长开挖断面。因此，是否采用不衬砌隧洞，应当通过技术经济比较之后拟定。3）衬砌分缝混凝土及钢筋混凝土衬砌是分段分块浇筑的。为防止混凝土干缩和温度应力而产生裂缝，在相邻分段间设有环向伸缩缝，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决定，一般可采用612m。有压隧洞需在缝中设止水图8-11 (a)，(b)。纵向施工缝应设在拉、剪应力较小的部位，对于圆形隧洞常设在与中心铅直线夹角45处图8-11(c)；纵向施工缝需要凿毛解决，有时增设插筋以加强整体性，缝内可设键槽，必要时设止水。隧洞穿过断层破碎带或软弱带，衬砌需要加厚。当破碎带较宽，为防止因不均匀沉降而开裂，在衬砌厚度突变处，应设沉降缝（图8-12)。此外，在进口闸门室与渐变段、渐变段与洞身交接处以及衬砌的形式、厚度改变，也许产生相对位移的部位，也需要设立环向沉降缝。沉降缝的缝面不凿毛，分布钢筋也不穿过，但缝内应填12cm厚的沥青油毡或其他填料。有压隧洞还应在缝内设止水。4灌浆隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。回填灌浆是为了充填衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，共同受力，以发挥围岩的弹性抗力作用，并减少渗漏。砌筑顶拱时，可预留灌浆管，待衬砌完毕后，通过预埋管进行灌浆(图8-13)。回填灌浆范围，一般在顶拱中心角90120以内，孔距和排距为26m，灌浆孔应进一步围岩5cm以上，灌浆压力为0. 20. 3MPa。固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证围岩的弹性抗力，减小渗漏。对围岩是否需要进行固结灌浆，应通过技术经济比较拟定。固结灌浆孔一般进一步岩石25m，有时可达l 0m，或为隧洞半径的1倍左右，根据对围岩的加固和防渗规定而定。固结灌浆孔排距24m，每排不少于6孔，对称布置，相邻断面错开排列，按逐步加密法灌浆。固结灌浆压力一般为0. 41. 0MPa或更大，对于有压隧洞可用1.52.0倍的内水压力。固结灌浆应在回填灌浆714d之后进行。灌浆时应加强观测，以防洞壁发生变形破坏。回填灌浆孔和固结灌浆孔常分排间隔排列，如图8-13所示。5排水设立排水，可以减少作用在衬砌上的外水压力。对于有压圆形隧洞，外水压力一般不控制衬砌设计。当外水位很高，对衬砌设计起控制作用时，可在衬砌底部外侧设纵向排水管，通至下游。必要时，还可增设环向排水槽，每隔68m设一道，收集的渗水汇集后由纵向排水暗管排向下游。（三）出口段有压隧洞出口，绝大多数设有工作闸门，布置启闭机室，闸门前设有渐变段，将洞身从圆形断面渐变为闸门处的矩形孔口，出口之后即为消能设施。图8-14为冯家山水库右岸有压泄洪洞的出口段结构图。四、水工隧洞的衬砌计算衬砌结构计算的目的在于核算在设计规定的荷载组合下衬砌强度能否满足设计规定。计算之前可先按（1/81/12)的洞径或用工程类比法初拟衬砌厚度，通过计算再行修正。我国已建大量的水工隧洞采用了多种应力计算方法，如结构力学法、弹性力学法、边界元法、有限元法等等。尽管方法各异，但这些隧洞绝大多数运营正常，说明衬砌计算的设计条件较接近实际情况，有一定的安全裕度。水工隧洞设计规范(SL279-2023)指出：将围岩作为承载结构的隧洞可采用有限元法进行围岩和衬砌的分析计算。计算时应根据围岩特性选取适宜的力学模型，并应模拟围岩中的重要构造。以内水压力为重要荷载，围岩为、类的圆形有压隧洞，可采用弹性力学解析方法计算。对于、类围岩中的洞段可采用结构力学方法计算。（一）荷载及其组合在进行水工隧洞衬砌计算之前，必须一方面拟定作用在隧洞衬砌上的荷载，并根据荷载特性，按不同的工作情况分别计算出衬砌中的内力。衬砌上的作用力有：围岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重、灌浆压力、温度作用和地震力等，其中，内水压力、衬砌自重容易拟定，而围岩压力、外水压力、灌浆压力、温度及地震力等只能在一些假定的前提下进行近似计算。荷载计算对象与结构计算相同，为单位洞长。1围岩压力围岩压力也称山岩压力。隧洞开挖后由于围岩变形（隧洞开挖破坏了岩体本来的平衡，从而引起围岩应力重分布，引起变形）或塌落而作用在衬砌上的压力，称围岩压力。按作用的方向山岩压力重要有两种：作用于衬砌顶部的垂直山岩压力；作用于衬砌两侧的侧向山岩压力。一般岩体中，作用在衬砌上的重要是垂直向下的围岩压力，对、类破碎岩层，还需考虑侧向山岩压力。计算山岩压力的方法很多，但目前工程中常用的方法重要有自然平衡拱法和经验法。这里仅介绍较为实用的经验法。水工隧洞设计规范（SL279-2023）规定，围岩作用在衬砌上的荷载，应根据围岩条件、横断面形状和尺寸、施工方法以及支护效果来拟定,围岩压力的计取应符合下列规定。(1)自稳条件好，开挖后变形不久稳定的围岩，可不计围岩压力。(2)薄层状及碎裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力：垂直方向 (82)水平方向 (83)式中 垂直均布围岩压力，kN/m2 ；水平均布围岩压力，kN/m2；岩石的重度， kN/ m3 ；隧洞开挖宽度，m。隧洞开挖高度，m。(3）不能形成稳定拱的浅埋隧洞，宜按洞室顶拱的上覆盖层岩体重力作用计算围岩压力，再根据施工所采用的支护措施予以修正。(4)块状、中厚层至厚层状结构的围岩，可根据围岩中不稳定块体的作用力来拟定围岩压力。(5)采用了支护或加固措施的围岩，根据其稳定状况，可不计或少计围岩压力。(6)采用掘进机开挖的围岩，可适当少计围岩压力。(7)具有流变或膨胀等特殊性质的围岩，也许对衬砌结构产生变形压力时，应对这种作用进行专门研究，并宜采用措施减小其对衬砌的不利作用。2弹性抗力在荷载作用下，衬砌向外变形时受到围岩的抵抗，这种因围岩抵抗衬砌向外变形而作用在衬砌外壁的作用力，称为弹性抗力。弹性抗力是一种被动力。它与地基反力不同，后者是由力的平衡决定的，其数值与围岩的性质无关；而前者的产生是有条件的。围岩考虑弹性抗力的重要条件是岩石自身的承载能力，而充足发挥弹性抗力作用的重要条件是围岩与衬砌接触限度。当岩石比较坚硬，且有一定的厚度（一般规定大于3倍的洞径），无不利的滑动面，围岩与衬砌紧密接触时，才可考虑弹性抗力的作用，否则不考虑围岩的弹性抗力，只考虑衬砌底部的地基反力。岩石的弹性抗力可以近似地认为与衬砌变形导致的围岩的法向位移成正比，即（10kPa) (84)式中 岩石弹性抗力；衬砌表面法线方向位移；与岩石情况及隧洞开挖尺寸有关的弹性抗力系数，N/cm3。弹性抗力系数是与围岩性质和隧洞直径有关的比例常数。实质上，它表达能阻止10-4 m2衬砌面积变位0. 01m所需要的力。实践中，常以隧洞半径为1m时的单位弹性抗力系数表达围岩的抗力特性，对开挖半径为时的弹性抗力系数为： (85)式中 r隧洞开挖半径，cm，对非圆形隧洞， (为开挖洞宽）。弹性抗力系数常用类比法和现场实验方法来拟定。弹性抗力估计过高，则会使衬砌结构不安全，估计过低则导致不经济。因此，必须对其进行认真分析和估算。3内、外水压力内水压力是有压隧洞衬砌上的重要荷载。当围岩坚硬完整，洞径小于6m时，可只按内水压力进行衬砌的结构设计。内水压力可根据隧洞压力线或洞内水面线拟定。在有压隧洞的衬砌计算中，常将内水压力分为均匀内水压力和非均匀内水压力两部分。均匀内水压力是洞顶内壁以上水头产生的，其值位；非均匀内水压力是指洞内充满水，洞壁各点的压强值为 (为计算点半径与洞顶半径的夹角，d为隧洞内直径）时的压力。非均匀内水压力的合力向下，方向向下，数值等于单位洞长内的水重（见图8-15)。对有压发电引水隧洞，还应考虑机组甩负荷时引起的水击压力。外水压力的大小取决于水库蓄水后形成的地下水位线，由于地质条件的复杂性，很难准确计算，一般来说，常假设隧洞进口处的地下水位线与水库正常挡水位相同，在隧洞出口处与下游水位或洞顶齐平，中间按直线变化。考虑到地下水渗流过程的水头损失，工程中实际取用外水压力的数值应等于地下水的水头乘以折减系数（见表8-1)。设计中，当与内水压力组合时，外水压力常用偏小值；当隧洞放空时，采用偏大值。表81 外水荷载折减系数值选用表级别地下水活动状况地下水对围岩稳定的影响值1洞壁干燥或潮湿无影响00.22沿结构面有渗水或滴水风化结构面填充物质，地下水减少结构面的抗剪强度，对软弱岩体有软化作用00.43沿裂隙或软弱结构面有大量滴水，线状流水或喷水泥化软弱结构面充填物质，地下水减少结构面的抗剪强度，对中硬岩体有软化作用0.250.64严重滴水，沿软弱结构面有小量涌水地下水冲刷结构面中充填物质，加速岩体风化，对断层等软弱带软化泥化，并使其膨胀崩解，以及产生机械管涌；有渗透压力，能鼓开较薄的软弱层0.40.85严重股状水流，断层等软弱带有大量涌水地下水冲刷携带结构面中填充物质，分离岩体，有渗透压力，能鼓开一定厚度的断层等软弱带，能导致围岩塌方0.651.04衬砌自重沿隧洞轴线1m长的衬砌重量。一般根据衬砌厚度的不同，沿洞线分段进行计算，认为自重是均匀作用在衬砌厚度的平均线上，衬砌单位面积上的自重强度为： （8-6）式中 衬砌材料重度，kN/m3；衬砌厚度，m。应考虑平均超挖回填的部分。除上述重要荷载外，隧洞衬砌上还作用有灌浆压力、温度荷载和地震荷载等。由于对衬砌影响较小，荷载组合时均不予考虑。5荷载组合衬砌计算时，应根据荷载特点及同时作用的也许性，按不同情况进行组合。设计中常用的组合有：(1)正常运用情况。山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时的内水压力+外水压力。(2)施工、检修情况。山岩压力+衬砌自重+也许出现的最大外水压力。(3)非常运用情况。山岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压力。正常运用情况属于基本组合，用以设计衬砌的厚度、配筋量和强度校校，其他情况用作校核。工程中视隧洞的具体运用情况还应考虑其他荷载组合。（二）衬砌结构计算衬砌结构计算环节，重要涉及：选择衬砌型式并初步拟定其厚度；分别计算单位洞长上各种荷载产生的内力，并按不同的荷载组合叠加；进行强度核核、拟定配筋量