水工隧洞的類型及工程布置

周 峰

(東寧縣水務局，黑龍江東寧157200)

隧洞是在巖層中開鑿而成的，其主要功用除灌溉、泄洪及發(fā)電引水外，還可以用供水、排沙、放空水庫以及施工導流等。遂洞一般由進口段、洞身段和出口段3部分組成。進口段包括控制建筑物、進水口、漸變段及閘室等，洞身段主要的輸水通道;出口段主要包括漸變段、消能設施。

1 水工遂洞的類型

水工遂洞按其擔負的任務不同，可以分為泄水隧洞和放水隧洞兩類。放水隧洞主要用來從水庫放出用水部門所需水量(如發(fā)電、供水、灌溉等);泄水隧油主要用來配合其它泄水建筑物宣泄部分洪水、放空水庫及排沙等。有壓隧洞運行時，洞身全斷面均被水流所充滿，內壁受一定的內水壓力。無壓隧洞運行時，水流沒有充滿全斷面，而保持一定的凈空，具有自由水面。一般說來，根據需要，隧洞可以設計成有壓的，也可以設計成無壓的。有的工程還將主閘門布置在洞身內某個部位，工作時門前為有壓的，門后為無壓的。不管何種類型的隧洞，在高流速狀態(tài)(流速＞16 m/s)下，嚴禁隧洞的同一段內出現(xiàn)時而有壓、時而無壓的明、滿流交替的工作狀態(tài)，以避免造成有害的振動與空蝕。

2 水工隧洞的工作特點

水工隧洞的結構特性及工作條件，決定了它有以下兩方面的工作特點。

2.1 深式過水建筑物的特點

蓄水樞紐中的隧洞，其進口通常位于水下較深處。它的適用性較強，可在不同高程處泄(放)水，可用以放空水庫，還可以根據洪水。但與開敞式溢洪道相比，其超泄能力較小，故通常只作為輔助泄洪設施。隧洞內的水流往往處于高速狀態(tài)，若進口處的邊界形式、門槽、漸變段的形式以及洞身的體型等布置設計不當或初砌表面不平整等，在高速水流的作用下，將會引起洞身的振動、空蝕等現(xiàn)象。因此在設計時必須注意選擇好洞身的體型、各部分的邊壁輪廓造型，使過水面盡量做得平順光滑，并采取通氣等必要措施，以防止振動、空蝕等破壞現(xiàn)象的發(fā)生。有壓隧洞往往承受著較大的內水壓力，如果襯砌漏水，高壓滲入巖石縫隙，將大大減小山巖的穩(wěn)定性，危及隧洞的安全。因此，必須保證襯砌有足夠的強度和抗?jié)B性。隧洞出口水流不僅流速高。單寬流量也較大，下泄水流在同口處還有較大的沖刷能力，必須采取適當的消能防沖措施。

2.2 地下建筑物的特點

在巖層中開挖隧洞，改變了巖層原有的平衡狀態(tài)，引起洞孔附近應力重分布，產生變形，特別是軟弱的巖層部位和進出口附近可能會發(fā)生崩坍。因此，隧洞中常常需要臨時性支護和永久性襯砌，以保證其安全。支護和襯砌的型式及結構要求，很大程度上取決于巖層的性質，所以應重視做好隧洞的工程地質勘探工作，使隧洞盡量避開軟弱巖層和不利的地質構造。與地面建筑物相比，隧洞的斷面尺寸小，施工場地狹窄，施工作業(yè)干擾較大，難度亦較大。隧洞的洞身除了受較大的山巖壓力等荷載外，還受較大的外水壓力。此外在運行中需加固維修，是比較困難的，因此在設計隧洞時，必須周密考慮各種運用條件，確定適當的斷面尺寸，并保證圍巖有足夠的厚度，襯砌有足夠的厚度和強度。

3 水工隧洞的線路選擇

隧洞的線路選擇是隧洞設計工作中的關鍵問題之一，它直接關系到施工期限、工程造價及工程的運行可靠性。影響隧洞路線選擇的因素很多，諸如地形、地質條件、施工條件等等。因此，我們必須根據隧洞的用途，綜合考慮地形、地質、施工、樞紐總體布置及對周圍環(huán)境的影響等各種因素，通過可能方案的經濟技術比較加以選擇定。

隧洞的線路選擇主要應考慮以下幾方面的因素:

3.1 地質條件

隧洞線路應選在地質構造簡單、巖體完整穩(wěn)定、巖石堅硬的地區(qū)。盡量避開不利的地質構造，如向斜構造、斷層構造及其它嚴重的構造破碎帶。同時也應盡量避開山巖石壓力大、地下水位高、、巖溶發(fā)育、滲水嚴重、有承壓水和可能坍滑的不穩(wěn)定地段，以減小隧洞襯砌上的荷載和便于施工。當洞線與巖層、構造斷裂面及主要軟弱相交時，應盡量具有較大的夾角。在整體塊狀結構的巖層中，其夾角應≥30°，在層狀巖體中，一般≥45°。進出口附近，除了必須有較好的地質條件外，還必須保證有足夠的巖層厚度。當隧洞沿水平或傾斜巖層走向布置時，應使洞身位于厚層堅硬均質的巖層中。當洞身穿切不同巖性的巖層時，應使洞頂置于較硬的巖層中，洞底位于相對較軟的巖層中。

3.2 地形條件

隧洞的線路在平面上應盡可能短而直，以減少工程費用和水頭損失。如由于地質、施工及樞紐布置等條件的限制需要拐彎時，其彎半徑≥5倍的隧洞洞徑(或洞寬)，且轉角≤60°。彎道的首尾部分應以直線連接，其長度也≥5倍的洞徑(洞寬)。

此外，還應重視隧洞的線路選擇還應慎重考慮施工出碴通道和施工場地布置等條件。尤其對于較長的隧洞，應有適當的地點可設置豎井、斜井或平洞，以便進料、出碴和通風，增加開挖工作面，改善工作條件，提高施工進度。此外，隧洞的線路選擇還應滿足樞紐總體布置的要求和運行的要求，避免其在施工和運行中與樞紐中其它建筑物相互干擾。

4 水工隧洞的工程布置

隧洞的工程布置主要包括進、出口縱剖面的布置及閘站的布置。總的要求是必須滿足過水能力、選定的水流狀態(tài)和運用的要求，并盡量降低工程造價。

在建造隧洞時，應盡量做到一洞多用。如施工導流隧洞在樞紐竣工之后改作灌溉、發(fā)電引水或泄洪、放空水庫之用。有的工程還采用灌溉與泄洪或灌溉與發(fā)電相結合的布置形式。當然，由于不同用途的洞對進出口有不同的要求，一洞多用有時會在布置上出現(xiàn)象某些矛盾，但可以通過工程措施加以解決。例如導流與引水相結合的隧洞，施工導流時的進口較低，可待樞紐竣工后，將施工導流用的進口堵塞起來，而另設立位置較高的進口引水、并用斜洞將進水口與主洞連接起來，工程上稱之為“龍?zhí)ь^”的型式。這種一洞多用的布置，不僅節(jié)省了工程造價是，而且也便宜于管理。

隧洞的進口高程應根據工程的實際運用要求加以確定。用于發(fā)電引水的隧洞，其進口頂部的高程應在水庫最低工作水位以下0.5～1.0 m，以免吸入空氣;底部最少應高出水庫淤沙高程1.0 m以上，以防止粗顆粒泥沙帶入洞內，磨損洞壁和水輪機。灌溉隧洞的進口，應保證水庫為最低工作水位時，能引入設計流量。

一般在不影響隧洞使用要求的情況下，盡量將洞的設置高程提高，以縮短洞身的長度，減少小主閘門的作用水頭和洞向的內水壓力，降低造價。

隧洞的縱坡，應在總體布置中經綜合比較，加以確定。有壓隧洞的縱坡主要是從施工排水和放空隧洞進行檢修的角度考慮的。一般取i=1/200～1/1 000。當洞身較短時，也可做成水平的，但不應做成倒坡。無壓隧洞的縱坡應根據水力計算加以確定，多采用陡坡。連接在渠道上的無壓隧洞，其縱坡常大于渠道的縱坡，以防止洞內泥沙淤積。

隧洞中需要布置工作閘門、檢修閘以及事故閘。工作閘門應能在動水中啟閉，以控制孔口開度和調節(jié)流量。檢修閘門要求以在動水中關閉，靜水中開啟。事故部門要求能在動水中關閉。

工作閘門布置在進口的隧洞，一般為無壓的。為了保證門后洞內有穩(wěn)定的無壓流態(tài)，門后洞頂應高出洞內水面一定高度，并向門后充分通氣。閘門設在進口隧洞處，也可能是有壓的，但在啟閉過程中洞內會出現(xiàn)明滿流過渡的流態(tài)，水流情況較復雜，可能會引起振動或空蝕，洞內流速較大的大中型隧洞應避免采用這種布置方式。

工作閘門布置在出口的隧洞，全洞為無壓。這種布置通常由于地形、地質或樞紐總體布上的某些條件限制所導致的。如因地形、地質上的原因隧洞線路需轉彎，閘門室設置在彎段后的直線上。

［1］胡榮輝，張五祿.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，1993.