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水工隧洞

在山体中开凿的引水或泄水的水工建筑物(见隧洞彩色照片)。按其功用可分为引水发电、尾水、泄洪、工农业输水、排沙、排水、施工导流、通航等隧洞。按水在洞中流动的状态,又可分为和隧洞的工作特点 水工隧洞的工作特点是:①常位于深水下,水头大,流速高,若设计不当,局部易发生空蚀现象,引起洞身的振动和破坏,应注意隧洞的合理布置,过水断面应尽量平顺、光滑,并设置消能防冲设施。

在山体中开凿的引水或泄水的水工建筑物(见隧洞彩色照片)。按其功用可分为引水发电、尾水、泄洪、工农业输水、排沙、排水、施工导流、通航等隧洞。按水在洞中流动的状态,又可分为

隧洞的工作特点 水工隧洞的工作特点是:①常位于深水下,水头大,流速高,若设计不当,局部易发生空蚀现象,引起洞身的振动和破坏,应注意隧洞的合理布置,过水断面应尽量平顺、光滑,并设置消能防冲设施。②水工隧洞为地下建筑物,常需进行支护。衬砌应有足够的强度及良好的防渗性能。隧洞建成后,在运用中如发现问题,加固及检修均很困难,故须确保质量,安全可靠。③隧洞洞线长,工序多,工期长,应注意改善施工条件,加快施工进度。

水工隧洞的组成 水库枢纽中的隧洞,除上下游引水和泄水渠道外,一般由进口建筑物、洞身及出口建筑物组成。进口建筑物的型式分竖井式、塔式、岸塔式及斜坡式等。通常由进水喇叭口、渐变段、通气孔平压管拦污栅等部分组成。

洞身的断面型式取决于水力条件、结构受力条件、工程地质及施工条件。对有压隧洞,当山岩压力大或用掘进机、盾构法开挖成洞时,常采用圆形断面;对无压隧洞及地质条件较好时,多采用圆拱直墙的门洞形断面;若地质条件较差时,可采用马蹄形断面(图1)。

图1 无压隧洞常用的断面型式

开凿隧洞后常需进行衬砌,以承受内、外水压力保证围岩的稳定,防止渗漏,改善水流条件等。衬砌的形式有:洞壁的平整衬砌、砖石、混凝土或钢筋混凝土的单层衬砌;内层为钢板、钢丝网喷浆,外层为混凝土或钢筋混凝土的双层组合衬砌;当隧洞内水压力不大、流速不高时,可采用锚喷衬砌;当围岩条件良好、洞内水压力较小,流速也不高时,通过技术经济分析,也可采用不衬砌隧洞,以简化施工,缩短工期,并减少投资(见

出口建筑物的型式和布置主要决定于隧洞的功用和出口附近的地形地质条件及下游情况。

隧洞的线路选择与工程布置 水工隧洞的线路选择与工程布置是设计中的关键问题之一,影响着围岩的整体稳定、施工的难易、工程进度、运用的安全及总造价。①隧洞的线路应尽可能布置在坚硬岩层中,尽量避开不利岩层和地下水丰富地段,洞线与岩层、构造断裂面及主要软弱带应尽量具有较大夹角。②线路应力求短而直,以减少工程费用和水头损失,取得良好的水流条件。③线路选择应满足枢纽总体布置需要,与其它建筑物相互协调,并考虑进出口的位置和高程,有利于建筑物布置并使进出口水流条件良好。④线路选择应注意施工条件,全面考虑出渣通道和施工场地布置。⑤对渠道上的无压输水隧洞,其线路选择是整个输水渠道线路布置的组成部分。

隧洞的功用不同,对进出口的位置、高程及水流状态的要求也不相同。引水发电洞多为有压隧洞,在水库中其进口高程不宜过低。以简化进口建筑物,并减轻闸门及启闭机械所承受的荷载。为保证电站正常工作,隧洞进口顶部设在水库最低取水位1米以下。为减少水头损失,进口在平面和立面上应设计成流线型轮廓,洞线平直,并采用较大洞径。进口常设有拦污栅、事故检修闸门及相应的启闭设备。出口与电站的高压引水管道衔接。供工农业用水的输水洞常采用无压隧洞。其都设在进口。为保证过流时洞内空气畅通,门后洞顶要高出水面,并留有足够的空间余幅。当水利枢纽施工期河道必须断流时,可利用导流洞使河水泄入下游,由于施工期河道水位及流量变化较大,洞内可能发生有压流与无压流交替出现的情况。

为使布置紧凑,加快施工进度,减少枢纽的单项工程,降低工程造价,可根据当地条件,采用一洞多用的隧洞布置方案。例如泄洪隧洞与发电隧洞相结合;导流隧洞与引水(输水)隧洞相结合等,后者的布置形式,常在导流洞的上方另设一进口,用竖曲线的斜洞段与高程较低的导流洞连接(图2),俗称“龙抬头”。不同用途的隧洞结合一体,必然产生一些矛盾或弊病。如泄洪洞与发电洞共用,当泄洪量大、时间长时,发电洞内往往过流不稳,不易保证发电量,当流速高时,分岔段及“龙抬头”式的反弧段下游易发生空蚀。

中国建成的水工隧洞中,陕西省冯家山灌区引水洞长12600米,河北省引滦入津的引水洞长9670米,青海省龙羊峡水电站导流隧洞断面为15米×16米。意大利瓦特利纳(Valtollina)引水发电隧洞长22600米,瑞典的斯托诺尔福斯(Stornorrfors)发电尾水隧洞断面为16米×26.5米(面积为390平方米),通过流量850米3/秒,都是规模较大的水工隧洞。

图2 泄洪洞与导流洞相结合