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水工隧洞

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  在山体中或地下开凿的过水洞。水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。水流在洞内具有自由水面的,称为无压隧洞;充满整个断面,使洞壁承受一定水压力的,称为有压隧洞。

  发电隧洞一般是有压的;灌溉、供水和泄水隧洞,可以是无压的,也可以是有压的;而渠道和运河上的隧洞则是无压的。水工隧洞主要由进水口、洞身和出口段组成(发电用的引水隧洞在洞身后接压力水管,渠道上的输水隧洞和通航隧洞只有洞身段。闸门可设在进口、出口或洞内的适宜位置。出口设有消能防冲设施。为防止岩石坍塌和渗水等,洞身段常用锚喷(采用锚杆喷射混凝土)或钢筋混凝土做成临时支护或永久性衬砌。洞身断面可为圆形、城门洞形或马蹄形。有压隧洞多用圆形。进出口布置、洞线选择以及洞身断面的形状和尺寸,受地形、地质、地应力、枢纽布置、运用要求和施工条件等因素所制约,需要通过技术经济比较后确定。

  按其功用分为:①引水、输水隧洞。引水或输水以供发电、灌溉或工业和生活之用。②导流、泄洪隧洞。在兴建水利工程时用以导流或运行时泄洪。③尾水隧洞。排走水电站发电后的尾水。④排沙隧洞。排冲水库淤积的泥沙或放空库水以备防空或检修水工建筑物之用。

  以上也可概括为引水隧洞和泄水隧洞两大类。根据受压状态的不同,可分为有压隧洞和无压隧洞。前者水流充满全洞,且受到一定的内水压力;后者水流不充满全洞,在水面上保持着与大气接触的自由水面。

  水工隧洞是水利枢纽中的重要组成部分之一。隧洞线路必须与水利枢纽的建设任务相适应,并须根据地形、工程地质和水文地质、水文等条件选定。线路应力求短而直。当高速有压隧洞在平面上采用曲线布置时,为避免水流脱壁,产生负压和空蚀,其半径和转角应通过水工模型试验确定;而对高速无压隧洞在平面上则尽量不设曲线段。

  有压隧洞的底坡取决于进出口的高程。无压隧洞的底坡应根据水力计算确定。为了自流排水,便于隧洞检修,要有一定的底坡。采用有轨运输施工的隧洞,其底坡不宜太大。

  一般包括进口建筑物、洞身和出口建筑物三个主要部分。此外,水电站厂房也可设置在地下和隧洞邻接(图1)。

  ①进口建筑物。包括进水喇叭口、闸门及其控制建筑物、通气孔道、进口渐变段(从安装闸门地段的矩形断面过渡到洞身断面),作用是:进水和控制水流;保证水流平顺,避免空蚀现象;尽量减少局部阻力,保证过水能力。

  ②洞身。隧洞的主体,其断面形式和尺寸取决于水流条件、施工技术情况和运用要求等。有压隧洞一般采用圆形断面(图2a、b),而无压隧洞则采用圆拱直墙(图2c、d)或曲墙形(图2e)。隧洞断面尺寸必须满足设计流量的要求,有压隧洞按管流计算,无压隧洞按明渠流计算。为保证无压隧洞的明流状态,在按能量方程计算的水面曲线以上应留有一定净空。对于高流速的无压隧洞,还要考虑渗气和冲击波的影响,水面以上要另留一定的余幅面积。洞身一般要修建衬砌,用以防护岩面并减小洞壁粗糙,防止渗漏,承受围岩压力内水压力及其他荷载。衬砌类型有不承载的护面结构;混凝土、钢筋混凝土喷锚支护的单层衬砌;内层为钢板,外层为混凝土或钢筋混凝土,或由喷锚支护和现浇混凝土组合成的复合式衬砌。地质条件较好的隧洞,特别是无压隧洞,可以不作衬砌,但要采用光面爆破开挖,以达到岩面平整的要求。

  ③出口建筑物。其组成和功用按隧洞类型而定。用于引水发电的有压隧洞,其末端连接水电站的压力水管。通常还设置有调压室(井),当电站负荷急剧变化时,用以减轻有压隧洞和压力水管中的动压现象,改善水轮机的工作条件。泄水洞口一般设有消能建筑物,如出口设置扩散段以扩散水流,减小单宽流量(从洞内流出的最大流量除以水面宽度),防止对出口渠道或河床的冲刷。

  当河谷狭窄、岸坡陡峻、布置地面发电厂有困难而地质条件较好时,可考虑设置地下发电厂,使其结构简化,占地少;厂房的施工和运行,不受气候的影响;厂房的主要设备安装在地下,有利防空。但施工较复杂,运营条件也较差,而且要有良好的通风、防潮、照明等附属设备及地下通道。

  中国在水利水电建设中,已建成长度在2000米以上的隧洞近30座,长于10000米m的大型隧洞有11座。其中渔子溪一级水电站引水隧洞长8610米,冯家山灌区引水隧洞长达12600米。引滦入津工程的输水隧洞全长为11380米。引黄入晋总干渠上最长的隧洞单洞长54.85km。断面为17.5m×23m,断面面积为402.6㎡。尾水洞断面为24m×36m,其断面面积达876㎡。到20世纪末,世界上长度超过10km的单体隧洞近40条,其中芬兰派延奈隧洞长达120km。

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