水工隧洞的类型及工程布置

周 峰

(东宁县水务局，黑龙江东宁157200)

隧洞是在岩层中开凿而成的，其主要功用除灌溉、泄洪及发电引水外，还可以用供水、排沙、放空水库以及施工导流等。遂洞一般由进口段、洞身段和出口段3部分组成。进口段包括控制建筑物、进水口、渐变段及闸室等，洞身段主要的输水通道;出口段主要包括渐变段、消能设施。

1 水工遂洞的类型

水工遂洞按其担负的任务不同，可以分为泄水隧洞和放水隧洞两类。放水隧洞主要用来从水库放出用水部门所需水量(如发电、供水、灌溉等);泄水隧油主要用来配合其它泄水建筑物宣泄部分洪水、放空水库及排沙等。有压隧洞运行时，洞身全断面均被水流所充满，内壁受一定的内水压力。无压隧洞运行时，水流没有充满全断面，而保持一定的净空，具有自由水面。一般说来，根据需要，隧洞可以设计成有压的，也可以设计成无压的。有的工程还将主闸门布置在洞身内某个部位，工作时门前为有压的，门后为无压的。不管何种类型的隧洞，在高流速状态(流速＞16 m/s)下，严禁隧洞的同一段内出现时而有压、时而无压的明、满流交替的工作状态，以避免造成有害的振动与空蚀。

2 水工隧洞的工作特点

水工隧洞的结构特性及工作条件，决定了它有以下两方面的工作特点。

2.1 深式过水建筑物的特点

蓄水枢纽中的隧洞，其进口通常位于水下较深处。它的适用性较强，可在不同高程处泄(放)水，可用以放空水库，还可以根据洪水。但与开敞式溢洪道相比，其超泄能力较小，故通常只作为辅助泄洪设施。隧洞内的水流往往处于高速状态，若进口处的边界形式、门槽、渐变段的形式以及洞身的体型等布置设计不当或初砌表面不平整等，在高速水流的作用下，将会引起洞身的振动、空蚀等现象。因此在设计时必须注意选择好洞身的体型、各部分的边壁轮廓造型，使过水面尽量做得平顺光滑，并采取通气等必要措施，以防止振动、空蚀等破坏现象的发生。有压隧洞往往承受着较大的内水压力，如果衬砌漏水，高压渗入岩石缝隙，将大大减小山岩的稳定性，危及隧洞的安全。因此，必须保证衬砌有足够的强度和抗渗性。隧洞出口水流不仅流速高。单宽流量也较大，下泄水流在同口处还有较大的冲刷能力，必须采取适当的消能防冲措施。

2.2 地下建筑物的特点

在岩层中开挖隧洞，改变了岩层原有的平衡状态，引起洞孔附近应力重分布，产生变形，特别是软弱的岩层部位和进出口附近可能会发生崩坍。因此，隧洞中常常需要临时性支护和永久性衬砌，以保证其安全。支护和衬砌的型式及结构要求，很大程度上取决于岩层的性质，所以应重视做好隧洞的工程地质勘探工作，使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。与地面建筑物相比，隧洞的断面尺寸小，施工场地狭窄，施工作业干扰较大，难度亦较大。隧洞的洞身除了受较大的山岩压力等荷载外，还受较大的外水压力。此外在运行中需加固维修，是比较困难的，因此在设计隧洞时，必须周密考虑各种运用条件，确定适当的断面尺寸，并保证围岩有足够的厚度，衬砌有足够的厚度和强度。

3 水工隧洞的线路选择

隧洞的线路选择是隧洞设计工作中的关键问题之一，它直接关系到施工期限、工程造价及工程的运行可靠性。影响隧洞路线选择的因素很多，诸如地形、地质条件、施工条件等等。因此，我们必须根据隧洞的用途，综合考虑地形、地质、施工、枢纽总体布置及对周围环境的影响等各种因素，通过可能方案的经济技术比较加以选择定。

隧洞的线路选择主要应考虑以下几方面的因素:

3.1 地质条件

隧洞线路应选在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地区。尽量避开不利的地质构造，如向斜构造、断层构造及其它严重的构造破碎带。同时也应尽量避开山岩石压力大、地下水位高、、岩溶发育、渗水严重、有承压水和可能坍滑的不稳定地段，以减小隧洞衬砌上的荷载和便于施工。当洞线与岩层、构造断裂面及主要软弱相交时，应尽量具有较大的夹角。在整体块状结构的岩层中，其夹角应≥30°，在层状岩体中，一般≥45°。进出口附近，除了必须有较好的地质条件外，还必须保证有足够的岩层厚度。当隧洞沿水平或倾斜岩层走向布置时，应使洞身位于厚层坚硬均质的岩层中。当洞身穿切不同岩性的岩层时，应使洞顶置于较硬的岩层中，洞底位于相对较软的岩层中。

3.2 地形条件

隧洞的线路在平面上应尽可能短而直，以减少工程费用和水头损失。如由于地质、施工及枢纽布置等条件的限制需要拐弯时，其弯半径≥5倍的隧洞洞径(或洞宽)，且转角≤60°。弯道的首尾部分应以直线连接，其长度也≥5倍的洞径(洞宽)。

此外，还应重视隧洞的线路选择还应慎重考虑施工出碴通道和施工场地布置等条件。尤其对于较长的隧洞，应有适当的地点可设置竖井、斜井或平洞，以便进料、出碴和通风，增加开挖工作面，改善工作条件，提高施工进度。此外，隧洞的线路选择还应满足枢纽总体布置的要求和运行的要求，避免其在施工和运行中与枢纽中其它建筑物相互干扰。

4 水工隧洞的工程布置

隧洞的工程布置主要包括进、出口纵剖面的布置及闸站的布置。总的要求是必须满足过水能力、选定的水流状态和运用的要求，并尽量降低工程造价。

在建造隧洞时，应尽量做到一洞多用。如施工导流隧洞在枢纽竣工之后改作灌溉、发电引水或泄洪、放空水库之用。有的工程还采用灌溉与泄洪或灌溉与发电相结合的布置形式。当然，由于不同用途的洞对进出口有不同的要求，一洞多用有时会在布置上出现象某些矛盾，但可以通过工程措施加以解决。例如导流与引水相结合的隧洞，施工导流时的进口较低，可待枢纽竣工后，将施工导流用的进口堵塞起来，而另设立位置较高的进口引水、并用斜洞将进水口与主洞连接起来，工程上称之为“龙抬头”的型式。这种一洞多用的布置，不仅节省了工程造价是，而且也便宜于管理。

隧洞的进口高程应根据工程的实际运用要求加以确定。用于发电引水的隧洞，其进口顶部的高程应在水库最低工作水位以下0.5～1.0 m，以免吸入空气;底部最少应高出水库淤沙高程1.0 m以上，以防止粗颗粒泥沙带入洞内，磨损洞壁和水轮机。灌溉隧洞的进口，应保证水库为最低工作水位时，能引入设计流量。

一般在不影响隧洞使用要求的情况下，尽量将洞的设置高程提高，以缩短洞身的长度，减少小主闸门的作用水头和洞向的内水压力，降低造价。

隧洞的纵坡，应在总体布置中经综合比较，加以确定。有压隧洞的纵坡主要是从施工排水和放空隧洞进行检修的角度考虑的。一般取i=1/200～1/1 000。当洞身较短时，也可做成水平的，但不应做成倒坡。无压隧洞的纵坡应根据水力计算加以确定，多采用陡坡。连接在渠道上的无压隧洞，其纵坡常大于渠道的纵坡，以防止洞内泥沙淤积。

隧洞中需要布置工作闸门、检修闸以及事故闸。工作闸门应能在动水中启闭，以控制孔口开度和调节流量。检修闸门要求以在动水中关闭，静水中开启。事故部门要求能在动水中关闭。

工作闸门布置在进口的隧洞，一般为无压的。为了保证门后洞内有稳定的无压流态，门后洞顶应高出洞内水面一定高度，并向门后充分通气。闸门设在进口隧洞处，也可能是有压的，但在启闭过程中洞内会出现明满流过渡的流态，水流情况较复杂，可能会引起振动或空蚀，洞内流速较大的大中型隧洞应避免采用这种布置方式。

工作闸门布置在出口的隧洞，全洞为无压。这种布置通常由于地形、地质或枢纽总体布上的某些条件限制所导致的。如因地形、地质上的原因隧洞线路需转弯，闸门室设置在弯段后的直线上。

［1］胡荣辉，张五禄.水工建筑物［M］.北京:中国水利水电出版社，1993.