大学课程《水工建筑物》教学PPT课件：项目6 水工隧洞设计.pptx

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水工建筑物课程组水工隧洞设计水工建筑物项目6水工隧洞设计水工建筑物学习内容：

1.了解水工隧洞的特点、类型及洞线选择2.了解进出口段并理解其构造3.理解洞身段构造教学方法：

课堂教学、现场参观和分组讨论项目6水工隧洞设计水工建筑物一、水工隧洞的类型

（一）按用途分（取水、泄水）

（1）水电站输水洞（有）

（2）灌溉引水隧洞（有、无）（3）供水隧洞（有、无）

（1）泄洪隧洞（有、无）

（2）排沙隧洞（有、无）（3）导流隧洞（有、无）（4）放空隧洞（有、无）（5）导流隧洞（有、无）

（二）按洞内水流流态分（有压隧洞与无压隧洞）项目6水工隧洞设计水工建筑物二、组成及工作特点：

项目6水工隧洞设计水工建筑物二、组成及工作特点：

1.结构特点：

围岩压力、内水压力、外水压力（临时支护及衬砌）。

2.水流特点：

压力、流态、轮廓3.施工特点：

施工场地狭窄，工序多、干扰大项目6水工隧洞设计水工建筑物三、线路选择：

水工隧洞线路选择主要考虑下列因素：

1.地质条件项目6水工隧洞设计水工建筑物三、线路选择：

水工隧洞线路选择主要考虑下列因素：

2.地形条件项目6水工隧洞设计水工建筑物三、线路选择：

水工隧洞线路选择主要考虑下列因素：

3.水流条件项目6水工隧洞设计水工建筑物三、线路选择：

水工隧洞线路选择主要考虑下列因素：

4.施工条件项目6水工隧洞设计水工建筑物四、工程布置布置内容：

根据功能要求，确定进出口、纵剖面和闸门布置。

布置要求：

过水能力强、水流状态好、运用方便、造价低，最好“一洞多用”。

项目6水工隧洞设计水工建筑物四、工程布置1.多用途隧洞布置

（1）泄洪洞与导流洞结合项目6水工隧洞设计水工建筑物四、工程布置1.多用途隧洞布置

（2）泄洪洞与发电洞结合项目6水工隧洞设计水工建筑物四、工程布置1.多用途隧洞布置（3）发电洞与灌溉洞结合项目6水工隧洞设计水工建筑物2.闸门布置：

工作门：

动水启闭，布置在进口、出口，其特点？

检修门：

静水启闭事故门：

动水启闭项目6水工隧洞设计水工建筑物3.进出口布置：

（1）进口高程：

应根据运用要求决定。

如发电洞：

进口顶部及底部？

灌溉洞：

进口高程？

排沙洞：

位置？

高程？

项目6水工隧洞设计水工建筑物3.进出口布置：

（2）出口高程：

保证水流安全。

出口断面？

消能防冲？

项目6水工隧洞设计水工建筑物二、高程1.顶部高程：

进水口顶部高程应低于最低死水位，并有一定的埋深：

项目6水工隧洞设计水工建筑物二、高程项目6水工隧洞设计水工建筑物1、某水电站有压式进水口，水库死水位20m，发电死水位为25m，淤沙高程为14m，正向对称进水，设计流量Q=20m3/s，闸门尺寸宽高为3.5m4m请根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1（见附属参考资料）计算出需要的最小淹没深度；若根据式B.2.2计算出需要的最小淹没深度为S=2.1m，请分析述该进水口底部高程可在哪个区间取值？

你取多少？

项目6水工隧洞设计水工建筑物2、某水电站有压式进水口，根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1（见附属参考资料）计算出需要的最小淹没深度为S=1.4m，根据式B.2.2计算出需要的最小淹没深度为S=1.1m，试论述该进水口最小淹没深度取值为多少？

项目6水工隧洞设计水工建筑物答：

（1）根据水利水电工程进水口设计规范公式B.2.1计算S=1.4m；

（2）根据水利水电工程进水口设计规范公式B.2.1计算S=1.1m；（3）根据水利水电工程进水口设计规范B.2.2条规定，最小淹没深度不小于1.52m；因此，进水口最小淹没深度至少取1.5m。

2、某水电站有压式进水口，根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1（见附属参考资料）计算出需要的最小淹没深度为S=1.4m，根据式B.2.2计算出需要的最小淹没深度为S=1.1m，试论述该进水口最小淹没深度取值为多少？

项目6水工隧洞设计水工建筑物1、某水电站有压式进水口，水库死水位119.5m，发电死水位为122m，淤沙高程为110.5m，正向对称进水，设计流量Q=32m3/s，闸门尺寸宽高为3.8m4.5m请根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1（见附属参考资料）计算出需要的最小淹没深度；若根据式B.2.2计算出需要的最小淹没深度为S=2.05m，请分析述该进水口底部高程可在哪个区间取值？

你取多少？

项目6水工隧洞设计水工建筑物1、某水电站有压式进水口，水库死水位119.5m，发电死水位为122m，淤沙高程为110.5m，正向对称进水，设计流量Q=32m3/s，闸门尺寸宽高为3.8m4.5m请根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1（见附属参考资料）计算出需要的最小淹没深度；若根据式B.2.2计算出需要的最小淹没深度为S=2.05m，请分析述该进水口底部高程可在哪个区间取值？

你取多少？

S=0.6*32/（3.8*4.5）*4.50.5=2.382m

（1）根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1计算S=2.382m；

（2）根据水利水电工程进水口设计规范规范公式B.2.1计算S=2.05m；（3）根据水利水电工程进水口设计规范B.2.2条规定，最小淹没深度不小于1.52m；因此，根据上述条件，进水口最小淹没深度至少取2.382m。

（4）122-2.382-4.5=18.9m；110.5+1=111.5m；高程区间可在115.118111.5之间取值，本人取为115m。

项目6水工隧洞设计水工建筑物5.纵坡、压力余幅、净空余幅项目6水工隧洞设计水工建筑物5.纵坡、压力余幅、净空余幅项目6水工隧洞设计水工建筑物5.纵坡、压力余幅、净空余幅项目6水工隧洞设计水工建筑物任务6.2水工隧洞构造设计6.2.1进口段形式及构造6.2.1.1进口建筑物的形式1、竖井式特点、适用项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.1进口段形式及构造6.2.1.1进口建筑物的形式2、塔式特点、适用项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.1进口段形式及构造6.2.1.1进口建筑物的形式3岸塔式特点、适用项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.1进口段形式及构造6.2.1.1进口建筑物的形式4斜坡式特点、适用项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.1进口段形式及构造6.2.1.1进口建筑物的形式1、组合式特点、适用项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.1.2进口段组成及构造

（1）拦污栅

（2）喇叭口（3）闸门室（4）渐变段（5）平压管、通气孔项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.2.1洞身断面形式及尺寸（安全、适用、经济、施工）1.有压隧洞断面型式：

圆形，有利于承受内水压力。

尺寸：

根据给定流量、作用水头及纵剖面布置，通过水力计算及模型试验来确定，最小1.8m。

项目6水工隧洞设计水工建筑物2.无压隧洞断面型式：

圆拱直墙式、马蹄形、圆形等（适用条件）。

尺寸：

根据过水流量用水力学公式计算和最小施工断面（圆形内径：

1.8m，矩形：

1.51.8m）确定。

项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.2.2洞身衬砌1.衬砌的功能是否必须衬砌？

临时和永久衬砌项目6水工隧洞设计水工建筑物2.衬砌的型式

（1）平整衬砌

（2）受力衬砌1）单层衬砌2）喷锚衬砌3）预应力衬砌4）组合衬砌项目6水工隧洞设计水工建筑物3.衬砌的构造

（1）分缝和止水

（2）灌浆：

固结灌浆与回填灌浆（区别、布置）。

（3）防渗与排水（有压、无压洞）项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.3出口段及消能

（1）有压无压出口形式项目6水工隧洞设计水工建筑物6.2.3出口段及消能

（2）消能形式项目6水工隧洞设计水工建筑物任务6.3水工隧洞结构计算一、衬砌上的荷载及荷载组合荷载作用在水工隧洞砌上的荷有：

山岩力、水力、外水力、衬载压内压压砌自重及灌力，度荷、地震力等。

衬浆压温载其中水力、自重比明确，而其余的力只能在一些化和假定的内压较简前提下行近似算。

进计项目6水工隧洞设计水工建筑物

（一）.围岩压力（山岩压力）隧洞后岩形或塌落作用在支上的力。

开挖围变护压影山岩力大小的因素：

岩的地件和力特征（强度和形性响压围质条学变能理，裂隙的分布和育情）；初始力，地下水，隧洞的走向，埋深节发况应和几何形；方法；，形式。

影因素很多且，状开挖衬护时间衬护响错综复杂精确算。

难计项目6水工隧洞设计水工建筑物目前，确定围岩压力的方法：

1.松散介质理论（塌落拱法）此方法岩体具有一定的凝聚力的松散介，在洞室后，由于岩体失视为质开挖去平衡形成“塌落拱”，拱的岩仍保持平衡，拱岩重量就是作用再砌上处围内块衬的荷山岩力。

普氏用“固系”（亦摩擦系），代替岩石粒载压坚数称拟数颗的摩擦系：

间真实数式中，岩石抗剪强度，岩石摩擦角，内正力，应c粘力结项目6水工隧洞设计水工建筑物实际工程中：

普氏根据观测试验资料，制成各种岩石分类表。

最坚硬的岩石达20；最差（松、软）只有0.3。

近似算：

计为式中：

Rc岩石抗强度；单轴压A小于1的修正系。

数项目6水工隧洞设计水工建筑物普氏推导出坍落拱的形状为抛物线，坍落拱高度h按下式计算：

两侧无滑动面时：

项目6水工隧洞设计水工建筑物没有侧向山岩压力作用岩体中的隧洞A）隧洞顶是平的，洞顶受到山岩压力的压强量q：

B）曲线形洞顶：

（认为铅直山岩压力可以减少30%）项目6水工隧洞设计水工建筑物侧向山岩压力计算e1、e2为水平山岩压力强度。

A）在洞顶面处：

B）在洞底面处：

项目6水工隧洞设计水工建筑物fk系数随围岩情况不同而异，应用时查表。

山岩压力系数并不是实测成果，而是结合已建成的工程，对普氏理论中坚固系数分析整理得出的经验数据，粗略地反映了节理、裂隙或风化程度的影响，但并未克服普氏法的根本弱点。

我国1983年水工隧洞设计规范根据全面分析，综合考虑的原则，采用从工程实际出发用经验估计的方法，即提出首先坝工程所在的围岩进行分类，然后按围岩的类别采用经验公式计算围岩压力。

项目6水工隧洞设计水工建筑物弹塑性理论法此法是在理论化的基础上，简单的地质条件推导出来的，难以反映实际情况。

岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力显然不能用一个简单的公式予以概括。

项目6水工隧洞设计水工建筑物

（二）围岩的弹性抗力当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。

弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系，坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。

为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。

弹性抗力的计算：

通常假定岩石为理想弹性体，按文克尔假定，认为岩石的弹性抗力P与衬砌的变位Y成正比，即：

P=KY项目6水工隧洞设计水工建筑物式中：

K弹力抗力系数，K表示能够阻止面积为1cm2的衬砌变位1cm所需的力，如果P的单位式kN/cm3，则K的单位kN/cm2。

在什么情况下可考虑弹性抗力？

有压隧洞：

围岩厚度大于隧洞开挖直径的3倍。

洞周没有不利的滑动面，在内水压力作用下不致产生滑动和抬动。

衬砌和围岩的空隙，必须回填结实。

围岩要比较坚硬。

项目6水工隧洞设计水工建筑物无压隧洞：

弹性抗力只存在于衬砌变位向着围岩的部分，而不产生于背着围岩部分，因此，它在外周的分布形成，随着衬砌的不同而不同。

项目6水工隧洞设计水工建筑物（三）内水压力及外水压力内水压力

（1）无压隧洞：

只要算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。

（2）有压隧洞：

内水压力式有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制作用。

项目6水工隧洞设计水工建筑物为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：

均匀内水压力+非均匀无水头满水压力均匀内水压力的强度是：

洞顶内