什么是水工隧洞?

[拼音]：shuigong suidong

[外文]：hydraulic tunnel

在山体中或地下开凿的过水洞。

水工隧洞历史悠久，早在公元前120～前111年，中国就在今陕西省龙首渠上修筑了长达10余里的输水隧洞。近代，由于灌溉、供水和水电建设的发展，采用隧洞的工程日益增多。20世纪60年代以后，随着岩石力学、施工技术以及新奥地利隧洞施工法的应用和计算技术的发展(见隧洞开挖)，水工隧洞建筑规模不断扩大，设计理论也逐步趋向合理，预应力衬砌、锚喷支护、利用高压喷射灌浆在软基上开挖洞室、将衬砌与围岩视为整体的有限单元法等都在发展。世界上最长的隧洞是芬兰为首都赫尔辛基供水修建的长达120km的引水隧洞;开挖断面最大的是瑞典斯托诺尔福斯水电站的尾水洞，断面面积为390m2。中国陕西省冯家山灌溉引水隧洞长12.6km;黄河上的龙羊峡水电站导流洞，断面面积为15m×16m。

水工隧洞可按用途和水流流态进行分类。按用途可分为：灌溉隧洞、发电引水隧洞、工业及城镇供水隧洞、泄水隧洞（包括泄洪洞、排沙洞和放空水库隧洞）、放工导流隧洞、输水隧洞和通航隧洞等。按水流流态分为：无压隧洞和有压隧洞。前者在进口控制段后具有自由水面，洞内保持一定的净空；后者的整个断面被水充满，洞壁承受一定的内水压力。灌溉、工业及城镇供水和泄水隧洞可以是无压的，也可以是有压的；发电引水隧洞一般是有压的；在灌排渠道和运河上的隧洞都是无压的。

在实际工程中，为简化枢纽布置，节省投资，在可能条件下宜考虑一洞多用。如发电与灌溉、供水相结合，将发电后的尾水用于灌溉、工业及城镇供水；导流隧洞在完成导流任务后，可以改作灌溉洞或泄洪洞。又如有的工程采用发电与泄洪或灌溉与泄洪二洞合一的布置形式，前者共用一个进口，在临近出口处分成两支。这种布置因涉及分岔处的水流形态和电能损失，需要通过技术经济比较慎重确定，对于经常使用的泄洪洞或重要的水电站，不宜采用。

（1）除井式溢洪道和部分利用隧洞泄洪的开敞式进水口以及渠道线路上的输水隧洞和通航隧洞外，水工隧洞的进口常淹没在水下一定深度，闸门承受较大的水压力。

（2）泄水隧洞一般洞内水流流速较高，需要妥善解决由于高速水流引起的掺气、空蚀、振动、磨蚀等问题；在出口需采用适宜的消能防冲设施。

（3）在开挖隧洞的过程中，原有岩体的应力平衡状态受到破坏，引起洞周附近应力重分布和岩体变形，为维持围岩稳定，防止内水外渗和减小糙率，常需采用临时支护和永久性衬砌。

（4）有压隧洞需要承受较大的内水压力，要求围岩坚固并有足够的覆盖厚度，以防衬砌破坏，内水外渗，影响围岩稳定。

（5）洞内施工场地狭窄，从开挖、衬砌到灌浆，工序多，施工干扰大。

（6）导流隧洞的施工常是整个工程工期的控制因素之一。

水工隧洞除洞身外，一般还包括进口段（进水口）和出口段（发电引水隧洞在洞身后接压力水管）。有时受地形条件限制，在进口前或出口后，需要增设引水渠或尾水渠。渠道线路上的输水隧洞或通航隧洞，只有洞身段，但前后洞脸部分需加护砌，以维持山坡的岩体稳定。

在水工隧洞中一般需设两道闸门:一是工作闸门，用来调节流量，可以设在进口、出口或洞内适宜位置。明流洞的工作闸门设在进口；压力洞的闸门设在出口；当闸门布置在洞内，则门前为压力流，门后为明流。工作闸门多用平面闸门或弧形闸门。二是事故检修闸门或检修闸门，位于进口，当工作闸门或隧洞发生事故需要检修时使用，一般采用平面闸门。在出口处，根据下游水位情况，有时还需加设迭梁检修闸门。

包括洞线选择、拟定洞身断面形状及尺寸、衬砌计算和选用适宜的出口消能防冲设施等四个方面。

隧洞选线关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行的可靠性，需要在初选的几条线路中，通过技术经济比较，确定最优方案。洞线选择的一般原则是：

（1）沿线地质构造简单，岩石坚硬完整、渗透性微弱并有足够的覆盖厚度；洞线与岩层、构造断裂面和主要软弱带保持较大的交角；在高地应力地区，考虑围岩稳定，应尽量使洞线与最大水平地应力方向相近，并与围岩主要裂隙面走向具有较大的交角，使围岩具有较高的稳定性。

（2）洞线在平面上应力求短直，以节省工程量和减小水头损失。由于地形、地质和枢纽布置等原因需要转弯时，其转弯半径不宜小于5倍洞径或洞宽，转角不宜大于60°，曲线两端设直线段，要求进水均匀，出流平稳。

（3）隧洞纵坡根据运用要求、施工和检修条件确定。有压隧洞的纵坡主要取决于施工期和检修期的排水，一般取 3‰～15‰；无压隧洞为使洞内水流处于急流状态，纵坡应大于临界坡度；渠线上输水隧洞的纵坡常大于渠道的纵坡，以防洞内淤积和减小洞身断面面积。

（4）对于较长的隧洞，为加快施工进度和便于通风，可根据地形、地质条件和施工情况设置施工支洞或竖井。对长隧洞，还要考虑在施工期，由于开挖、地下水降低对周围环境的影响。

洞身断面形状(图1)决定于地质、 地应力、水流、施工等因素和运用要求。有压隧洞多用圆形断面。无压隧洞多用圆拱直墙式(城门洞形)断面，圆拱中心角在90°～180°之间，依围岩压力而定，高宽比一般为1～1.5；如岩石条件差，外水压力大，可采用马蹄形断面。断面尺寸取决于运用要求和水流形态。对有压隧洞需按管流核算过流能力。并根据能量方程推算沿程压坡线。为保证洞内水流处于有压状态，要求在最不利的运行条件下，洞顶处的压力余幅不小于2m。用于发电的有压隧洞的断面尺寸要综合考虑水头损失和建筑费用，进行动能经济比较，其经济流速一般为 3～5m/s。无压隧洞的过流能力决定于进口压力段，可用孔口出流公式校核；洞内水面线可由明渠恒定非均匀流公式推算。为保证洞内水流为明流，要求水面以上空间断面积不小于隧洞断面积的15％，且净空高度不小于40cm，当水流速度较高时，尚应按流速大小，留有必要的掺气水深。

衬砌的作用是：

（1）限制洞周岩体变形，保证围岩稳定；

（2）承受围岩压力、内水压力等荷载；

（3）防止渗漏；

（4）保护岩石免受水流、空气、温度及干湿变化的冲蚀；

（5）减小糙率等。

如地质构造简单，岩石坚硬完整，抗风化能力强，渗透性小，也可以不做衬砌。不衬砌，可缩短工期，节省工程费用，但糙率大，水头损失加大，对发电引水隧洞将长期损失电能，对泄水、供水隧洞则需加大洞身过水断面或加大隧洞底坡。衬砌与否，需由技术经济比较确定。

有压隧洞常用混凝土或钢筋混凝土单层衬砌，厚度约为洞径的1/12～1/8;当内水压力大或岩石条件较差时，可用内层为钢板，外层为混凝土或钢筋混凝土的组合式衬砌；高水头圆形有压隧洞，如施工条件允许，可采用预应力衬砌。对无压隧洞，如岩石条件较好，可只在进出口部位进行衬砌，洞内用喷浆或水泥砂浆、混凝土抹平，以减小糙率和防止渗漏；遇较差的岩石，可用混凝土、浆砌石或钢筋混凝土衬砌。当洞线通过断层、破碎带或软弱岩层等不良地质地段，为确保施工安全、加快工程进度，常用锚喷做为临时支护，并配合模板浇筑混凝土构成组合式衬砌。

为防止衬砌由于温度变化而开裂，通常沿洞线每隔6～12m设横向伸缩缝，缝中设止水（图2）。在洞身与进口段连接处或洞身通过较宽的断层破碎带时，为防止衬砌因不均匀沉降而开裂，应设沉降缝。为充填衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密贴接，协同工作，需要在顶拱中心角90°～120°范围内进行回填灌浆。为提高围岩的整体性，减小作用在衬砌上的围岩压力（由于围岩变形、滑移、塌落而施加于衬砌上的压力），保证d性抗力（当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，围岩对衬砌的抗力），减小渗漏，常需沿整个断面进行固结灌浆。为减小外水压力，对有压隧洞，除加强固结灌浆外，可在洞底衬砌外设纵向排水管；对无压隧洞，还可在洞内水面线以上穿过衬砌设径向排水孔（图3）。

衬砌计算的目的，在于验算衬砌的强度。计算前，要确定岩体的各项参数、荷载及其组合、衬砌形式和尺寸。各项参数可由野外试验、室内试验和参考类似工程研究确定。衬砌所受荷载主要有围岩压力、内水压力、外水压力和衬砌自重等。衬砌计算方法有结构力学法、d性力学法和有限单元法。其中，前两种方法都是将衬砌与围岩分开，按文克尔假定考虑围岩的d性抗力作用（d性抗力与衬砌表面法线方向位移成正比）；有限单元法可将衬砌与围岩视为整体，能够模拟复杂的岩体结构，计算结果更趋合理，但由于原始参数和围岩压力、外水压力等荷载都难以准确确定，因而计算成果也是近似的。

除发电引水隧洞的洞身段后接压力水管外，用于灌溉、供水、泄水等的隧洞出口均需设有消能设施。对有压隧洞，为使水流平顺过渡，常需设渐变段；为减免负压，防止空蚀，常将出口工作闸门处的断面加以收缩后接消力池或挑流鼻坎，消能后流入河道或渠道；无压隧洞的水流经消力池或挑流鼻坎后流入河道或渠道。隧洞出口一般单宽流量大，能量集中，常采用平面或纵向扩散，以降低单宽流量，减轻对下游河床及岸边的冲刷（图4）。

参考书目

熊启钧、高昌侠：《隧洞》，水利电力出版社，北京，1983。Γ.Γ.祖拉波夫、О.Ε.布加也娃著，吕元平译:《水电站水工隧洞》，中国工业出版社，北京，1966。