第八章有壓引水建筑物

第八章有壓引水建筑物教學(xué)規(guī)定：了解有壓進(jìn)水口的型式、特點(diǎn)和合用條件，掌握有壓進(jìn)水口各種設(shè)備的作用及進(jìn)口高程、輪廓尺寸的擬定；了解水工隧洞的選線與布置、組成及各部分的型式與構(gòu)造，掌握水工隧洞襯砌的計算方法；了解噴錨支護(hù)的應(yīng)用；了解壩下涵管的布置方式及各部分構(gòu)造；了解壓力管道的布置方式，掌握壓力明管的水力計算和經(jīng)濟(jì)直徑的擬定；了解鎮(zhèn)墩、支墩的作用、形式及合用條件和明管上的閥門與附件；熟悉埋管的布置方式；了解調(diào)壓室的工作原理和水位波動的計算方法。第一節(jié)概述圖8-1為有壓引水式水電站的示意圖。該水電站的建筑物涉及水庫、攔河壩、泄水道、水電站進(jìn)水口、有壓引水道（壓力隧洞）、調(diào)壓室、壓力管道、廠房樞紐（含變電、配電建筑物）以及尾水渠。本章只介紹整個引水系統(tǒng)（涉及進(jìn)水口、有壓隧洞、壓力管道和調(diào)壓室），其他建筑物則在相應(yīng)章節(jié)討論。圖8－1有壓引水式水電站示意圖1-水庫；2-閘門室；3-進(jìn)水口；4-壩；5-溢洪道；6-調(diào)壓室；7-有壓隧洞；8-壓力管道；9-廠房第二節(jié)有壓進(jìn)水口流道均淹沒于水中，并始終保持滿流狀態(tài)，具有一定的壓力水頭的進(jìn)水口，稱之為有壓進(jìn)水口。有壓進(jìn)水口也稱為深式進(jìn)水口或潛沒式進(jìn)水口。有壓引水式水電站和壩后式水電站的進(jìn)口大都屬于這種類型,其后常接有壓隧洞或管道，合用于從水位變幅較大的水庫中取水。有壓進(jìn)水口的重要類型及合用條件有壓進(jìn)水口的類型重要取決于水電站的開發(fā)和運(yùn)營方式、引用流量、樞紐布置規(guī)定以及地形地質(zhì)條件等因素，可分為豎井式、墻式、塔式、壩式四種重要類型。（1）豎井式進(jìn)水口豎井式進(jìn)水口的閘門井布置于山體豎井中，豎井的頂部布置啟閉設(shè)備和操作室，如圖8-2所示。進(jìn)口段開挖成喇叭形，以使水流平順。閘門段經(jīng)漸變段與引水隧洞銜接。這種進(jìn)水口合用于隧洞進(jìn)口的地質(zhì)條件較好、地形坡度適中的情況。本地質(zhì)條件不好，擴(kuò)大進(jìn)口和開挖豎井會引起塌方，地形過于平緩，不易成洞，或過于陡峻，難以開鑿豎井時，都不宜采用。豎井式進(jìn)水口充足運(yùn)用了巖石的作用，鋼筋混凝土工程量較少，是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的結(jié)構(gòu)形式，因而應(yīng)用廣泛。（2）墻式進(jìn)水口墻式進(jìn)水口的進(jìn)口段和閘門段均布置在山體之外，形成一個緊靠在山巖上的墻式建筑物，如圖8-3所示。這種進(jìn)水口合用于洞口附近地質(zhì)條件較差或地形陡峻因而不宜采用洞式進(jìn)水口時。墻式進(jìn)水口其建筑物承受水壓力，有時也承受山巖壓力，因而需要足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，有時可將墻式結(jié)構(gòu)連同閘門槽依山做成傾斜的，以減小或免去山巖壓力，同時使水壓力部分或所有傳給山巖承受，這時的墻式進(jìn)水口稱為斜臥式進(jìn)水口。（3）塔式進(jìn)水口塔式進(jìn)水口的進(jìn)口段和閘門段組成一個豎立于水庫邊的塔式結(jié)構(gòu)，通過工作橋與岸邊相連，如圖8-4所示。這種進(jìn)水口合用于洞口附近地質(zhì)條件較差或地形平緩從而不宜采用洞式進(jìn)水口的引水工程。本地材料壩的壩下涵管也常采用塔式進(jìn)水口。塔式結(jié)構(gòu)要承受風(fēng)浪壓力及地震力，必須有足夠的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。塔式進(jìn)水口可由一側(cè)進(jìn)水，也可由四周進(jìn)水，然后將水引入塔底巖基的豎井中（在我國應(yīng)用實(shí)例較少）。（4）壩式進(jìn)水口壩式進(jìn)水口指的是布置在擋水壩或擋水建筑物上的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)水口，進(jìn)口段和閘門段常合二為一，布置緊湊，如圖8-5所示。當(dāng)水電站壓力管道埋設(shè)在壩體內(nèi)時，只能采用這種進(jìn)水口，壩式進(jìn)水口的布置應(yīng)與壩體協(xié)調(diào)一致，其形狀也隨壩型不同而異。有壓進(jìn)水口的布置及輪廓尺寸（1）有壓進(jìn)水口的位置水電站有壓進(jìn)水口在樞紐中的位置應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件、水位變幅、隧洞線路、進(jìn)水口型式等綜合考慮擬定。在各級運(yùn)營水位下，應(yīng)進(jìn)流勻稱、水流平順、，不發(fā)生回流和旋渦，不出現(xiàn)淤積，不聚集污物，不受其他建筑物運(yùn)營的影響。進(jìn)水口后連接引水隧洞時，應(yīng)與隧洞平順過渡，選擇地形、地質(zhì)及水流條件相宜的位置。（2）有壓進(jìn)水口的高程有壓進(jìn)水口在上游最低運(yùn)營水位時仍應(yīng)有足夠的淹沒深度，防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦。最小淹沒深度可按式（8－1）（8－1）式中——最小淹沒深度（進(jìn)口頂部高程與水位之間的差值）；——閘孔高度（m）；——閘孔斷面平均流速（m/s）；——系數(shù)，對稱水流取0.55，邊界復(fù)雜和側(cè)向水流取0.73。引水工程進(jìn)水口難以達(dá)成最小淹沒深度規(guī)定期，應(yīng)在水面以下設(shè)立防渦梁（板）和防渦柵等防渦措施。在滿足進(jìn)水口前不產(chǎn)生漏斗狀吸氣旋渦及引水道內(nèi)不產(chǎn)生負(fù)壓的前提下，進(jìn)水口高程應(yīng)盡也許抬高，以改善結(jié)構(gòu)受力條件，減少閘門、啟閉設(shè)備及引水道的造價，也便于進(jìn)水口運(yùn)營維護(hù)。有壓進(jìn)水口的底部高程應(yīng)高于設(shè)計淤積高程。若無法滿足，則應(yīng)在進(jìn)水口附近設(shè)排沙孔，以保證進(jìn)水口不被淤塞，并防止有害的石塊進(jìn)入引水道。（3）有壓進(jìn)水口的輪廓尺寸豎井式、墻式及塔式進(jìn)水口的進(jìn)口段、閘門段和漸變段劃分比較明確，進(jìn)水口的輪廓尺寸重要取決于三個控制斷面的尺寸，即攔污柵斷面、閘門孔口斷面和隧洞斷面。攔污柵斷面尺寸通常按過柵流速不超過某個極限值的規(guī)定來決定。閘門孔口通常為矩形，事故閘門處凈過水?dāng)嗝嬉话銥樗矶磾嗝娴?.1倍左右，檢修閘門孔口常與此相等或稍大，孔口寬度略小于隧洞直徑，而高度等于或稍大于隧洞直徑。進(jìn)水口的輪廓應(yīng)能光滑地連接這三個斷面，使得水流平順，流速變化均勻，水流與四周側(cè)壁之間無負(fù)壓及渦旋。進(jìn)口段的作用是連接攔污柵與閘門段。隧洞的進(jìn)口段常為平底，兩側(cè)稍有收縮，上唇收縮較大。兩側(cè)收縮曲線常為圓弧，上唇收縮曲線一般用四分之一橢圓，如圖8-2所示，當(dāng)引用流量及流速不大時可用圓弧或雙曲線。進(jìn)口段的長度無一定標(biāo)準(zhǔn)，在滿足工程結(jié)構(gòu)布置與水流順暢的條件下，盡也許緊湊。閘門段的體型重要決定于所采用的閘門、門槽型式及結(jié)構(gòu)的受力條件，其長度應(yīng)滿足閘門及啟閉設(shè)備布置需要，并考慮引水道檢修通道的規(guī)定。漸變段是由矩形閘門段到圓形隧洞的過渡段。通常采用圓角過渡，如圖8-6所示，其中1-1斷面為閘門段，3-3斷面為隧洞。圓角半徑可按直線規(guī)律變?yōu)樗矶窗霃?。漸變段的長度一般為隧洞直徑的1.5～2.0倍，側(cè)面擴(kuò)散角以6°～8°為宜。上述擬定方法對壩式進(jìn)水口同樣合用，但為了適應(yīng)壩體的結(jié)構(gòu)規(guī)定，進(jìn)水口長度要縮短，進(jìn)口段與閘門段常合二為一。壩式進(jìn)水口一般都做成矩形喇叭口狀。進(jìn)水口的中心線可以是水平的，也可以是傾斜的，視與壓力管道的連接條件而定。開口較小時工作閘門可設(shè)于喇叭口的中部而將檢修閘門置于喇叭口上游，如圖8-5所示。該圖中還表達(dá)了為保證水流平順各部分所需的最小尺寸。上述各點(diǎn)均系就水電站進(jìn)水口而言。抽水蓄能電站的進(jìn)水口在抽水工況時成為出水口，其體型還要利于反向水流的均勻擴(kuò)散，以防脫流和旋渦。有壓進(jìn)水口的重要設(shè)備有壓進(jìn)水口應(yīng)根據(jù)運(yùn)用條件設(shè)立攔污設(shè)備、閘門及啟閉設(shè)備、通氣孔以及充水閥等重要設(shè)備。（一）攔污設(shè)備攔污設(shè)備的功用是防止漂浮物隨水流帶入進(jìn)水口，同時不讓這些漂浮物堵塞進(jìn)水口，影響過水能力。重要的攔污設(shè)備是進(jìn)口處的攔污柵。工程實(shí)踐表白，進(jìn)水口攔污柵極易被漂浮物堵塞，清理不及時，也許導(dǎo)致水電站被迫減小出力甚至停機(jī)的后果，壓壞攔污柵的事例也曾發(fā)生。工程上為減小進(jìn)水口攔污柵的壓力，常在遠(yuǎn)離進(jìn)水口幾十米之外設(shè)一道粗柵或攔污浮排，攔住粗大的漂浮物，并將其引向溢流壩，渲泄至下游。1．?dāng)r污柵的布置及支承結(jié)構(gòu)攔污柵可采用傾斜或垂直的布置方式。豎井式及墻式進(jìn)水口的攔污柵常布置為傾斜的，傾角為60°～70°左右，見圖8-2及圖8-3，其優(yōu)點(diǎn)是過水?dāng)嗝娲?，且易于清污。塔式進(jìn)水口的攔污柵可布置為傾斜的或垂直的，取決于進(jìn)水口的結(jié)構(gòu)形狀。但壩式進(jìn)水口的攔污柵一般為垂直的。攔污柵的平面形狀可以是平面的或多邊形的。前者便于清污，后者可增大攔污柵處的過水?dāng)嗝?。豎井式及墻式進(jìn)水口一般采用平面攔污柵，見圖8-2和圖8-3，塔式及壩式進(jìn)水口則兩種均也許采用。壩式進(jìn)水口采用多邊形攔污柵的情況見圖8-5。攔污柵的總面積常按電站的引用流量及擬定的過柵流速反算得出。過柵流速是指扣除墩（柱）、橫梁及柵條等各種阻水?dāng)嗝婧蟀磧裘娣e算出的流速。攔污柵總面積小則過柵流速大，水頭損失大，漂浮物對攔污柵的撞擊力大，清污亦困難；攔污柵面積大，則會增長造價，甚至布置困難。為便于清污，過柵流速以不超過1.0m/s為宜，當(dāng)河流污物很少或經(jīng)粗柵、攔污浮排等措施解決后，攔污柵前污物很少，此時,水電站引用流量可加大，過柵流速可隨之加大。攔污柵通常由鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)支承，見圖8-2及圖8-5，攔污柵框架由墩（柱）及橫梁組成，墩（柱）側(cè)面留槽，攔污柵片插在槽內(nèi)，上、下兩端分別支承在兩根橫梁上，承受水壓時相稱于簡支梁。橫梁的間距一般不大于4m，間距過大會加大柵片的橫斷面，但過小會減小凈過水?dāng)嗝?，增長水頭損失。多邊形攔污柵離壓力管道進(jìn)口不能太近，以保證入流平順。攔污柵框架頂部應(yīng)高出需要清污時的相應(yīng)水庫水位。2．?dāng)r污柵柵片攔污柵由若干塊柵片組成，每塊柵片的寬度一般不超過2.5m，高度不超過4m，柵片像閘門同樣插在支承結(jié)構(gòu)的柵槽中，必要時可一片片提起檢修。柵片的結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。其矩形邊框由角鋼或槽鋼焊成，縱向的柵條常用扁鋼制成，上下兩端焊在邊框上。沿柵條的長度方向，等距設(shè)立幾道帶有槽口的橫隔板，柵條背水側(cè)嵌入該槽口并加焊，不僅固定了位置，也增長了側(cè)向穩(wěn)定性。柵片頂部設(shè)有吊環(huán)。柵條的厚度及寬度由強(qiáng)度計算決定，通常厚8～12mm，寬100～200mm。柵條的凈距b取決于水輪機(jī)的型號及尺寸，以保證通過攔污柵的污物不會卡在水輪機(jī)過流部件中為原則。3．?dāng)r污柵的清污及防凍攔污柵是否被污物堵塞及其堵塞限度可通過觀測柵前柵后的壓力差來判斷，這是由于正常情況下水流通過攔污柵的水頭損失很小，被污物堵塞后則明顯增大。發(fā)現(xiàn)攔污柵被堵時，要及時清污，以免導(dǎo)致額外的水頭損失。堵塞不嚴(yán)重時清污方便，堵塞過多則過柵流速大，水頭損失加大，污物被水壓力緊壓在柵條上，清污困難，解決不妥時會導(dǎo)致停機(jī)或壓壞攔污柵的事故。攔污柵的清污方法隨清污設(shè)施及污物種類不同而異。人工清污是用齒耙扒掉攔污柵上的污物，一般用于小型水電站的淺水、傾斜式攔污柵。大中型水電站常用清污機(jī)，如圖8-8所示。若污物中的樹枝較多，不易扒除時，可運(yùn)用倒沖的方法使其脫離攔污柵，如引水系統(tǒng)中有調(diào)壓井或前池，則可先加大水電站出力，然后忽然丟棄負(fù)荷，導(dǎo)致引水道內(nèi)短時間反向水流，將污物自攔污柵上沖下，再將其扒走。攔污柵吊起清污方法可用于污物不多的河流，結(jié)合攔污柵檢修進(jìn)行，也可用于污物（特別是漂浮的樹枝）較多、清污困難的情況。對于后一種情況，可設(shè)兩道攔污柵，一道吊出清污時，另一道可以攔污，以保證水電站正常運(yùn)營，如四川映秀灣水電站。在嚴(yán)寒地區(qū)要防止攔污柵封凍。如冬季仍能保證所有柵條完全埋在水下，則水面形成冰蓋后，下層水溫高于0℃，柵面不會結(jié)冰。如柵條露出水面，則要設(shè)法防止柵面結(jié)冰。一種方法是在柵面上通過50V（二）閘門及啟閉設(shè)備進(jìn)水口通常設(shè)兩道閘門，即事故閘門及檢修閘門。當(dāng)隧洞較短或調(diào)壓室處另設(shè)有事故閘門時，可只設(shè)一道檢修閘門。事故閘門僅在全開或全關(guān)的情況下工作，不用于流量調(diào)節(jié)，其重要功用是，當(dāng)機(jī)組或引水道內(nèi)發(fā)生事故時迅速切斷水流，以防事故擴(kuò)大。此外，引水道檢修期間，也用以封堵水流。事故閘門常懸掛于孔口上方，以便事故時能在動水中快速(1～2min）關(guān)閉。閘門啟動為靜水啟動。事故閘門一般為平面門，每套閘門配備一套固定的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)或油壓啟閉機(jī)，以便隨時操作。閘門啟閉機(jī)應(yīng)有就地操作和遠(yuǎn)方操作兩套系統(tǒng)，并配有可靠電源。閘門應(yīng)能吊出進(jìn)行檢修。檢修閘門設(shè)在事故閘門上游側(cè)，在檢修事故閘門及其門槽時用以堵水。一般采用靜水啟閉的平板門，中小型電站也可采用迭梁。幾個進(jìn)水口可合用一扇檢修門，并采用移動式的啟閉機(jī)（如壩頂門機(jī)）或臨時啟閉設(shè)備進(jìn)行啟閉。（三）通氣孔及充水閥通氣孔設(shè)在事故閘門之后，其功用是，當(dāng)引水道充水時用以排氣，當(dāng)事故閘門關(guān)閉放空引水道時，用以補(bǔ)氣以防出現(xiàn)有害的真空。當(dāng)閘門為前止水時，常運(yùn)用閘門井兼作通氣孔，如圖8-2所示。當(dāng)閘門為后止水時，則必須設(shè)專用的通氣孔，如圖8-5所示。通氣孔中常設(shè)爬梯，兼作進(jìn)人孔。通氣孔的面積常按最大進(jìn)氣流量除以允許進(jìn)氣流速得出。最大進(jìn)氣流量出現(xiàn)在事故閘門緊急關(guān)閉時，可近似認(rèn)為等于進(jìn)水口的最大引用流量。允許進(jìn)氣流速與引水道形式有關(guān)，對于露天鋼管可取30～50m/s，壩內(nèi)鋼管及隧洞可取70～80m/s或更高。通氣孔頂端應(yīng)高出上游最高水位，以防水流溢出。要采用適當(dāng)措施，防止通氣孔因冰凍堵塞，防止大量進(jìn)氣時危害運(yùn)營人員或吸入周邊物件。充水閥的作用是啟動閘門前向引水道充水，平衡閘門前后水壓，以便靜水啟動閘門。充水閥的尺寸應(yīng)根據(jù)充水容積、下游漏水量及規(guī)定充滿的時間等來擬定。充水閥可安裝在專門設(shè)立的連通閘門前后水道的旁通管上，但較常見的是直接在平板閘門上設(shè)“小門”，運(yùn)用閘門拉桿啟閉。閘門關(guān)閉時，拉桿及充水閥重量同時關(guān)閉充水閥，提高拉桿而閘門本體尚未提起時即可先行啟動充水閥。此外，進(jìn)水口應(yīng)設(shè)有可靠的測壓設(shè)施，以便監(jiān)視攔污柵前后的水位差，以及事故閘門、檢修閘門在啟動前的平壓情況。第三節(jié)水工隧洞概述（一）水工隧洞的類型為滿足水利水電工程各項(xiàng)任務(wù)而設(shè)立的隧洞稱為水工隧洞，其功用是：(1)配合溢洪道宣泄洪水，有時也作為重要泄洪建筑物之用。(2)引水發(fā)電，或?yàn)楣喔?、供水和航運(yùn)送水。(3)排放水庫泥沙，延長使用年限，有助于水電站等的正常運(yùn)營。(4)放空水庫，用于人防或檢修建筑物。(5)在水利樞紐施工期用來導(dǎo)流。按上述功用，水工隧洞可分為泄洪隧洞、引水發(fā)電和尾水隧洞、灌溉和供水隧洞、放空和排沙隧洞、施工導(dǎo)流隧洞等。按隧洞內(nèi)的水流狀態(tài)，又可分為有壓隧洞和無壓隧洞。從水庫引水發(fā)電的隧洞一般是有壓的；灌溉渠道上的輸水隧洞常是無壓的，有的干渠及干渠上的隧洞還可兼用于通航；其余各類隧洞根據(jù)需要可以是有壓的，也可以是無壓的。在同一條隧洞中可以設(shè)計成前段是有壓的而后段是無壓的。但在同一洞段內(nèi)，除了流速較低的臨時性導(dǎo)流隧洞外，應(yīng)避免出現(xiàn)時而有壓時而無壓的明滿流交替流態(tài)，以防引起振動、空蝕和對泄流能力的不利影響。在設(shè)計水工隧洞時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)樞紐的規(guī)劃任務(wù)，按照一洞多用的原則，盡量設(shè)計為多用途的隧洞，以減少工程造價。有壓隧洞和無壓隧洞在工程布置、水力計算、受力情況及運(yùn)營條件等方面差別較大，對于一個具體工程，究竟采用有壓隧洞還是無壓隧洞，應(yīng)根據(jù)工程的任務(wù)、地質(zhì)、地形及水頭大小等條件提出不同的方案，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選定。（二）水工隧洞的工作特點(diǎn)(1)水力特點(diǎn)。樞紐中的泄水隧洞，除少數(shù)表孔進(jìn)口外，大多數(shù)是深式進(jìn)口。深式泄水隧洞的泄流能力與作用水頭H的1/2次方成正比，當(dāng)H增大時，泄流量增長較慢，不如表孔超泄能力強(qiáng)。但深式進(jìn)口位置較低，能提前泄水，從而提高水庫的運(yùn)用率，減輕下游的防洪承擔(dān)，故常用來配合溢洪道宣泄洪水。泄水隧洞所承受的水頭較高、流速較大，假如體形設(shè)計不妥或施工存在缺陷，也許引起空化水流而導(dǎo)致空蝕；水流脈動會引起閘門等建筑物的振動；出口單寬流量大、能量集中會導(dǎo)致下游沖刷。為此應(yīng)采用適宜的防止空蝕和消能措施。(2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。隧洞為地下結(jié)構(gòu)，開挖后破壞了本來巖體內(nèi)的應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形甚至崩塌，為此，常需設(shè)立臨時支護(hù)和永久性襯砌，以承受圍巖壓力。但圍巖自身也具有承載力，可與襯砌共同承受內(nèi)水壓力等荷載。承受較大內(nèi)水壓力的隧洞，規(guī)定圍巖具有足夠的厚度和進(jìn)行必要的襯砌，否則一旦襯砌破壞，內(nèi)水外滲，將危害巖坡穩(wěn)定及附近建筑物的正常運(yùn)營。(3)施工特點(diǎn)。隧洞一般是斷面小，洞線長，從開挖、襯砌到灌漿，工序多，干擾大，施工條件較差，工期一般較長。施工導(dǎo)流隧洞或兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞，其施工進(jìn)度往往控制整個工程的工期。（三）水工隧洞的組成水利樞紐中的泄水隧洞重要涉及下列三個部分：(1)進(jìn)口段。位于隧洞進(jìn)口部位，用以控制水流。涉及攔污柵、進(jìn)水喇叭口、閘門段及漸變段等。(2)洞身段。用以輸送水流。一般都需進(jìn)行襯砌。(3)出口段。用以連接消能設(shè)施。無壓泄水隧洞的出口僅設(shè)有門框，有壓隧洞的出口一般設(shè)有漸變段及工作閘門室。而用于水電站引水的隧洞末端通常與平水建筑物相連，無專門的出口段。本節(jié)只討論有壓引水隧洞布置與選線及各組成部分的設(shè)計問題。水工隧洞的布置與選線（一）總體布置及線路選擇1．總體布置(1)水工隧洞在樞紐中的布置應(yīng)根據(jù)樞紐的任務(wù)、隧洞用途、地形、地質(zhì)、施工、運(yùn)營等條件綜合研究并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后方能擬定。(2)在合理選定洞線方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)及水流條件，選定進(jìn)口段的結(jié)構(gòu)形式，擬定閘門在隧洞中的布置。(3)擬定洞身縱坡及洞身斷面形狀和尺寸。(4)根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位等條件及建筑物之間的互相關(guān)系選定出口位置、高程及消能方式。2．線路選擇引水隧洞的線路選擇是設(shè)計中的關(guān)鍵，它關(guān)系到隧洞的造價、施工難易、工程進(jìn)度、運(yùn)營可靠性等方面。因此，應(yīng)當(dāng)在勘測工作的基礎(chǔ)上擬定不同方案，考慮各種因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選定。選擇洞線的一般原則和規(guī)定為：(1)隧洞的線路應(yīng)盡量避開不利的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖也許不穩(wěn)定及地下水位高、滲水量豐富的地段，以減小作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。洞線要與巖層層面、構(gòu)造破碎帶和節(jié)理面有較大的交角，在整體塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中，其夾角不宜小于30°；在層狀巖體中，特別是層間結(jié)合疏松的高傾角薄巖層，其夾角不宜小于45°。在高地應(yīng)力地區(qū)，應(yīng)使洞線與最大水平地應(yīng)力方向盡量一致，以減小隧洞的側(cè)向圍巖壓力。(2)洞線在平面上應(yīng)力求短直，這樣既可減小工程費(fèi)用，方便施工，且有良好的水流條件。若因地形、地質(zhì)、樞紐布置等因素必須轉(zhuǎn)彎時，應(yīng)以曲線相連。對于低流速的隧洞，其曲率半徑不宜小于5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)角不宜大于60°，彎道兩端的直線段長度也不宜小于5倍洞徑或洞寬。高流速的有壓隧洞，即或轉(zhuǎn)彎半徑大于5倍洞徑，由彎道引起的壓力分布不均，有的達(dá)成彎道末端10倍洞徑以外，甚至影響到出口水流不對稱，流速分布不均。因此，設(shè)立彎道時其轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)角最佳通過實(shí)驗(yàn)擬定。(3)進(jìn)、出口位置合適。隧洞的進(jìn)、出口在開挖過程中容易塌方且易受地震破壞，應(yīng)選在覆蓋層、風(fēng)化層較淺，巖石比較堅(jiān)固完整的地段，避開有嚴(yán)重的順坡卸荷裂隙、滑坡或危巖地帶。引水隧洞的進(jìn)口應(yīng)力求水流順暢，避免在進(jìn)口附近產(chǎn)生串通性或間歇性漩渦。出口位置應(yīng)與調(diào)壓室的布置相協(xié)調(diào)，有助于縮短壓力管道的長度。(4)隧洞應(yīng)有一定的埋藏深度，涉及：洞頂覆蓋厚度和傍山隧洞岸邊一側(cè)的巖體厚度，統(tǒng)稱為圍巖厚度。圍巖厚度涉及開挖時的成洞條件，運(yùn)營中在內(nèi)、外水壓力作用下圍巖的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)計算的邊界條件和工程造價等。對于有壓隧洞，當(dāng)考慮彈性抗力時，圍巖厚度應(yīng)不小于3倍洞徑。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對于較堅(jiān)硬完整的巖體，有壓隧洞的最小圍巖厚度應(yīng)不小于(為洞頂壓力水頭），如不加襯砌，頂部和側(cè)向的厚度應(yīng)分別不小于和。一般洞身段圍巖厚度較厚，但進(jìn)、出口則較薄，為增大圍巖厚度而將進(jìn)、出口位置向內(nèi)移動會增長明挖工程量，延長施工時間。一般情況，進(jìn)、出口頂部巖體厚度不宜小于1倍洞徑或洞寬。(5)隧洞的縱坡，應(yīng)根據(jù)運(yùn)用規(guī)定、上下游銜接、施工和檢修等因素綜合分析比較以后擬定。無壓隧洞的縱坡應(yīng)大于臨界坡度。有壓隧洞的縱坡重要取決于進(jìn)、出口高程，規(guī)定全線洞頂在最不利的條件下保持不小于2m的壓力水頭。有壓隧洞不宜采用平坡或反坡，因其不利于檢修排水。為了便于施工期的運(yùn)送及檢修時排除積水，有軌運(yùn)送的底坡一般為3‰～5‰，但不應(yīng)大于10‰；無軌運(yùn)送的坡度為3‰～15‰，最大不宜超過20‰。(6)對于長隧洞，選擇洞線時還應(yīng)注意運(yùn)用地形、地質(zhì)條件，布置一些施工支洞、斜井、豎井，以便增長工作面，有助于改善施工條件，加快施工進(jìn)度。（二）閘門在隧洞中的布置引水隧洞中一般要設(shè)立兩道閘門，一道是工作閘門，用來調(diào)節(jié)流量和封閉孔口，能在動水中啟閉，一道是檢修閘門，設(shè)立在進(jìn)口，用來擋水，以便檢修工作閘門或隧洞。當(dāng)隧洞出口低于下游水位時，出口處還需設(shè)立疊梁檢修門。大中型隧洞的深式進(jìn)水口常規(guī)定檢修閘門能在動水中關(guān)閉，靜水中啟動，以滿足發(fā)生事故時的需要，所以也稱事故檢修門。對于有壓泄水隧洞，其工作閘門通常布置在出口如圖8-9所示。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是：泄流時洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門后通氣條件好，便于部分啟動；工作閘門的控制結(jié)構(gòu)也較簡樸，管理方便；隧洞線路布置適應(yīng)性強(qiáng)。但洞內(nèi)經(jīng)常承受較大的內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，對巖坡及土石壩等建筑物的穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。實(shí)際工程中，常在進(jìn)口設(shè)事故檢修門，平時也可用以擋水，以免洞內(nèi)長時間承受較大的內(nèi)水壓力。實(shí)際工程中，有時為了便于樞紐布置，減小工程量，減少造價，也許采用發(fā)電與泄洪、發(fā)電與灌溉相結(jié)合的隧洞布置方式。但必須妥善解決由于不同任務(wù)結(jié)合所帶來的一些矛盾問題。三、水工隧洞各組成部分的形式及構(gòu)造（一）進(jìn)口段有壓隧洞進(jìn)口段涉及進(jìn)口喇叭口、閘門室、通氣孔、平壓管和漸變段等幾個部分，本章第二節(jié)已介紹了相關(guān)內(nèi)容，不再贅述。（二）洞身段1．洞身斷面形式洞身斷面形式取決于水流流態(tài)、地質(zhì)條件、施工條件及運(yùn)營規(guī)定等。有壓隧洞一般均采用圓形斷面，如圖8-10(a)，(b)，(c)，(g)所示，因素是圓形斷面的水流條件和受力條件都較為有利。當(dāng)圍巖條件較好，內(nèi)水壓力不大時，為了施工方便，也可采用無壓隧洞常用的斷面形式。2．洞身斷面尺寸洞身斷面尺寸應(yīng)根據(jù)運(yùn)用規(guī)定、泄流量、作用水頭及縱剖面布置，通過水力計算擬定，有時還要進(jìn)行水工模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。有壓隧洞水力計算的重要任務(wù)是核算泄流能力及沿程壓坡線。對于無壓隧洞重要是計算其泄流能力及洞內(nèi)水面線，當(dāng)洞內(nèi)的水流流速大于15～20m/s時，還應(yīng)研究由于高速水流引起的摻氣、沖擊波及空蝕等問題。有壓隧洞泄流能力按管流計算(8-1)式中——考慮隧洞沿程阻力和局部阻力的流量系數(shù)；——隧洞出口的斷面面積，；——作用水頭，m。洞內(nèi)的壓坡線，可根據(jù)能量方程分段推求。為了保證洞內(nèi)水流處在有壓狀態(tài)，如前所述，洞頂應(yīng)有2m以上的壓力余幅。在擬定隧洞斷面尺寸時，還應(yīng)考慮到洞內(nèi)施工和檢查維修等方面的需要，圓形斷面的內(nèi)徑不小于1.8m，非圓形洞的斷面不小于1.5m×1.8m。3．洞身襯砌1)襯砌的功用為了保證水工隧洞安全有效地運(yùn)營，通常需要對隧洞進(jìn)行襯砌。襯砌的功用是：①限制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定；②承受圍巖壓力、內(nèi)水壓力等荷載；③防止?jié)B漏；④保護(hù)巖石免受水流、空氣、溫度、干濕變化等的沖蝕破壞作用；⑤減小表面糙率。2)襯砌的類型隧洞襯砌重要有以下幾種類型：(1)平整襯砌。亦稱護(hù)面或抹平襯砌，它不承受作用力，只起減小隧洞表面糙率，防止?jié)B漏和保護(hù)巖石不受風(fēng)化的作用。對于無壓隧洞，如巖石不易風(fēng)化，可只襯砌過水部分。平整襯砌合用于圍巖條件較好，能自行穩(wěn)定，且水頭、流速較低的情況。根據(jù)隧洞的開挖情況，平整襯砌可采用混凝土、漿砌石或噴混凝土。(2)單層襯砌。由混凝土[圖8-10(a)]，鋼筋混凝土[圖8-10(b)，(c)，(d)]或漿砌石等做成。單層襯砌特別是鋼筋混凝土、混凝土襯砌應(yīng)用最廣，合用于中檔地質(zhì)條件、斷面較大、水頭及流速較高的情況。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土及鋼筋混凝土的厚度，一般約為洞徑或洞寬的1/8～1/12，且不小于25cm，由襯砌結(jié)構(gòu)計算最終擬定。(3)組合式襯砌。有內(nèi)層為鋼板、鋼筋網(wǎng)噴漿，外層為混凝土或鋼筋混凝土[圖8-10(g)]；有頂拱為混凝土，邊墻和底板為漿砌石[圖8-10(h)]；頂拱、邊墻噴錨后再進(jìn)行混凝土或鋼筋混凝土襯砌[圖8-10(i)]等形式。在軟弱破碎的巖體中開挖隧洞，因其自穩(wěn)能力差，容易發(fā)生塌方，先用噴錨支護(hù)，再作混凝土或鋼筋混凝土襯砌是一種很好的組合形式。引灤入津引水隧洞在1700m長度范圍內(nèi)采用了這種形式，收到了很好的效果。選擇洞身襯砌類型，應(yīng)根據(jù)隧洞的任務(wù)、地質(zhì)條件、斷面尺寸、受力狀態(tài)、施工條件等因素，通過綜合分析比較后擬定。在有壓圓形隧洞中，一般以采用混凝土、鋼筋混凝土單層襯砌最為普遍。當(dāng)內(nèi)水壓力較大，圍巖條件較差，鋼筋混凝土襯砌不能滿足規(guī)定或不經(jīng)濟(jì)時，可采用內(nèi)層為鋼板的組合式雙層襯砌。馮家山水庫右岸壓力泄洪洞（水頭70m）出口段采用了雙層襯砌圖8-10(g）。當(dāng)內(nèi)水壓力較大時，也可研究采用預(yù)應(yīng)力襯砌。配合光面爆破，噴錨是一種經(jīng)濟(jì)、快速的襯砌形式。當(dāng)圍巖堅(jiān)硬、完整、裂隙少、穩(wěn)定性好且不易風(fēng)化時，對于流速低、流量較小的引水發(fā)電隧洞或?qū)Я魉矶?，可以不加襯砌。不襯砌的有壓隧洞，其內(nèi)水壓力應(yīng)小于地應(yīng)力的最小主應(yīng)力，以保證圍巖穩(wěn)定。不襯砌隧洞的糙率大，引用同樣流量要增長開挖斷面。因此，是否采用不襯砌隧洞，應(yīng)當(dāng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較之后擬定。3）襯砌分縫混凝土及鋼筋混凝土襯砌是分段分塊澆筑的。為防止混凝土干縮和溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，在相鄰分段間設(shè)有環(huán)向伸縮縫，沿洞線的澆筑分段長度應(yīng)根據(jù)澆筑能力和溫度收縮等因素分析決定，一般可采用6~12m。有壓隧洞需在縫中設(shè)止水[圖8-11(a)，(b)]?？v向施工縫應(yīng)設(shè)在拉、剪應(yīng)力較小的部位，對于圓形隧洞常設(shè)在與中心鉛直線夾角45°處[圖8-11(c)]；縱向施工縫需要鑿毛解決，有時增設(shè)插筋以加強(qiáng)整體性，縫內(nèi)可設(shè)鍵槽，必要時設(shè)止水。隧洞穿過斷層破碎帶或軟弱帶，襯砌需要加厚。當(dāng)破碎帶較寬，為防止因不均勻沉降而開裂，在襯砌厚度突變處，應(yīng)設(shè)沉降縫（圖8-12)。此外，在進(jìn)口閘門室與漸變段、漸變段與洞身交接處以及襯砌的形式、厚度改變，也許產(chǎn)生相對位移的部位，也需要設(shè)立環(huán)向沉降縫。沉降縫的縫面不鑿毛，分布鋼筋也不穿過，但縫內(nèi)應(yīng)填1~2cm厚的瀝青油氈或其他填料。有壓隧洞還應(yīng)在縫內(nèi)設(shè)止水。4．灌漿隧洞灌漿分為回填灌漿和固結(jié)灌漿兩種。回填灌漿是為了充填襯砌與圍巖之間的空隙，使之結(jié)合緊密，共同受力，以發(fā)揮圍巖的彈性抗力作用，并減少滲漏。砌筑頂拱時，可預(yù)留灌漿管，待襯砌完畢后，通過預(yù)埋管進(jìn)行灌漿(圖8-13)。回填灌漿范圍，一般在頂拱中心角90°～120°以內(nèi)，孔距和排距為2～6m，灌漿孔應(yīng)進(jìn)一步圍巖5cm以上，灌漿壓力為0.2～0.3MPa。固結(jié)灌漿的目的在于加固圍巖，提高圍巖的整體性，減小圍巖壓力，保證圍巖的彈性抗力，減小滲漏。對圍巖是否需要進(jìn)行固結(jié)灌漿，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較擬定。固結(jié)灌漿孔一般進(jìn)一步巖石2～5m，有時可達(dá)l0m，或?yàn)樗矶窗霃降?倍左右，根據(jù)對圍巖的加固和防滲規(guī)定而定。固結(jié)灌漿孔排距2～4m，每排不少于6孔，對稱布置，相鄰斷面錯開排列，按逐步加密法灌漿。固結(jié)灌漿壓力一般為0.4～1.0MPa或更大，對于有壓隧洞可用1.5～2.0倍的內(nèi)水壓力。固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿7～14d之后進(jìn)行。灌漿時應(yīng)加強(qiáng)觀測，以防洞壁發(fā)生變形破壞?；靥罟酀{孔和固結(jié)灌漿孔常分排間隔排列，如圖8-13所示。5．排水設(shè)立排水，可以減少作用在襯砌上的外水壓力。對于有壓圓形隧洞，外水壓力一般不控制襯砌設(shè)計。當(dāng)外水位很高，對襯砌設(shè)計起控制作用時，可在襯砌底部外側(cè)設(shè)縱向排水管，通至下游。必要時，還可增設(shè)環(huán)向排水槽，每隔6～8m設(shè)一道，收集的滲水匯集后由縱向排水暗管排向下游。（三）出口段有壓隧洞出口，絕大多數(shù)設(shè)有工作閘門，布置啟閉機(jī)室，閘門前設(shè)有漸變段，將洞身從圓形斷面漸變?yōu)殚l門處的矩形孔口，出口之后即為消能設(shè)施。圖8-14為馮家山水庫右岸有壓泄洪洞的出口段結(jié)構(gòu)圖。四、水工隧洞的襯砌計算襯砌結(jié)構(gòu)計算的目的在于核算在設(shè)計規(guī)定的荷載組合下襯砌強(qiáng)度能否滿足設(shè)計規(guī)定。計算之前可先按（1/8～1/12)的洞徑或用工程類比法初擬襯砌厚度，通過計算再行修正。我國已建大量的水工隧洞采用了多種應(yīng)力計算方法，如結(jié)構(gòu)力學(xué)法、彈性力學(xué)法、邊界元法、有限元法等等。盡管方法各異，但這些隧洞絕大多數(shù)運(yùn)營正常，說明襯砌計算的設(shè)計條件較接近實(shí)際情況，有一定的安全裕度?！端に矶丛O(shè)計規(guī)范》(SL279-2023)指出：①將圍巖作為承載結(jié)構(gòu)的隧洞可采用有限元法進(jìn)行圍巖和襯砌的分析計算。計算時應(yīng)根據(jù)圍巖特性選取適宜的力學(xué)模型，并應(yīng)模擬圍巖中的重要構(gòu)造。②以內(nèi)水壓力為重要荷載，圍巖為Ⅰ、Ⅱ類的圓形有壓隧洞，可采用彈性力學(xué)解析方法計算。③對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖中的洞段可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算。（一）荷載及其組合在進(jìn)行水工隧洞襯砌計算之前，必須一方面擬定作用在隧洞襯砌上的荷載，并根據(jù)荷載特性，按不同的工作情況分別計算出襯砌中的內(nèi)力。襯砌上的作用力有：圍巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、襯砌自重、灌漿壓力、溫度作用和地震力等，其中，內(nèi)水壓力、襯砌自重容易擬定，而圍巖壓力、外水壓力、灌漿壓力、溫度及地震力等只能在一些假定的前提下進(jìn)行近似計算。荷載計算對象與結(jié)構(gòu)計算相同，為單位洞長。1．圍巖壓力圍巖壓力也稱山巖壓力。隧洞開挖后由于圍巖變形（隧洞開挖破壞了巖體本來的平衡，從而引起圍巖應(yīng)力重分布，引起變形）或塌落而作用在襯砌上的壓力，稱圍巖壓力。按作用的方向山巖壓力重要有兩種：作用于襯砌頂部的垂直山巖壓力；作用于襯砌兩側(cè)的側(cè)向山巖壓力。一般巖體中，作用在襯砌上的重要是垂直向下的圍巖壓力，對Ⅳ、Ⅴ類破碎巖層，還需考慮側(cè)向山巖壓力。計算山巖壓力的方法很多，但目前工程中常用的方法重要有自然平衡拱法和經(jīng)驗(yàn)法。這里僅介紹較為實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)法。《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2023）規(guī)定，圍巖作用在襯砌上的荷載，應(yīng)根據(jù)圍巖條件、橫斷面形狀和尺寸、施工方法以及支護(hù)效果來擬定,圍巖壓力的計取應(yīng)符合下列規(guī)定。(1)自穩(wěn)條件好，開挖后變形不久穩(wěn)定的圍巖，可不計圍巖壓力。(2)薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力：垂直方向(8—2)水平方向(8—3)式中——垂直均布圍巖壓力，kN/m2；——水平均布圍巖壓力，kN/m2；——巖石的重度，kN/m3；——隧洞開挖寬度，m?！矶撮_挖高度，m。(3）不能形成穩(wěn)定拱的淺埋隧洞，宜按洞室頂拱的上覆蓋層巖體重力作用計算圍巖壓力，再根據(jù)施工所采用的支護(hù)措施予以修正。(4)塊狀、中厚層至厚層狀結(jié)構(gòu)的圍巖，可根據(jù)圍巖中不穩(wěn)定塊體的作用力來擬定圍巖壓力。(5)采用了支護(hù)或加固措施的圍巖，根據(jù)其穩(wěn)定狀況，可不計或少計圍巖壓力。(6)采用掘進(jìn)機(jī)開挖的圍巖，可適當(dāng)少計圍巖壓力。(7)具有流變或膨脹等特殊性質(zhì)的圍巖，也許對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形壓力時，應(yīng)對這種作用進(jìn)行專門研究，并宜采用措施減小其對襯砌的不利作用。2．彈性抗力在荷載作用下，襯砌向外變形時受到圍巖的抵抗，這種因圍巖抵抗襯砌向外變形而作用在襯砌外壁的作用力，稱為彈性抗力。彈性抗力是一種被動力。它與地基反力不同，后者是由力的平衡決定的，其數(shù)值與圍巖的性質(zhì)無關(guān)；而前者的產(chǎn)生是有條件的。圍巖考慮彈性抗力的重要條件是巖石自身的承載能力，而充足發(fā)揮彈性抗力作用的重要條件是圍巖與襯砌接觸限度。當(dāng)巖石比較堅(jiān)硬，且有一定的厚度（一般規(guī)定大于3倍的洞徑），無不利的滑動面，圍巖與襯砌緊密接觸時，才可考慮彈性抗力的作用，否則不考慮圍巖的彈性抗力，只考慮襯砌底部的地基反力。巖石的彈性抗力可以近似地認(rèn)為與襯砌變形導(dǎo)致的圍巖的法向位移成正比，即（10kPa)(8—4)式中——巖石彈性抗力；——襯砌表面法線方向位移；——與巖石情況及隧洞開挖尺寸有關(guān)的彈性抗力系數(shù)，N/cm3。彈性抗力系數(shù)是與圍巖性質(zhì)和隧洞直徑有關(guān)的比例常數(shù)。實(shí)質(zhì)上，它表達(dá)能阻止10-4m2襯砌面積變位0.01m所需要的力。實(shí)踐中，常以隧洞半徑為1m時的單位彈性抗力系數(shù)表達(dá)圍巖的抗力特性，對開挖半徑為時的彈性抗力系數(shù)為：(8—5)式中r——隧洞開挖半徑，cm，對非圓形隧洞，(為開挖洞寬）。彈性抗力系數(shù)常用類比法和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)方法來擬定。彈性抗力估計過高，則會使襯砌結(jié)構(gòu)不安全，估計過低則導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì)。因此，必須對其進(jìn)行認(rèn)真分析和估算。3．內(nèi)、外水壓力內(nèi)水壓力是有壓隧洞襯砌上的重要荷載。當(dāng)圍巖堅(jiān)硬完整，洞徑小于6m時，可只按內(nèi)水壓力進(jìn)行襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計。內(nèi)水壓力可根據(jù)隧洞壓力線或洞內(nèi)水面線擬定。在有壓隧洞的襯砌計算中，常將內(nèi)水壓力分為均勻內(nèi)水壓力和非均勻內(nèi)水壓力兩部分。均勻內(nèi)水壓力是洞頂內(nèi)壁以上水頭產(chǎn)生的，其值位；非均勻內(nèi)水壓力是指洞內(nèi)充滿水，洞壁各點(diǎn)的壓強(qiáng)值為(為計算點(diǎn)半徑與洞頂半徑的夾角，d為隧洞內(nèi)直徑）時的壓力。非均勻內(nèi)水壓力的合力向下，方向向下，數(shù)值等于單位洞長內(nèi)的水重（見圖8-15)。對有壓發(fā)電引水隧洞，還應(yīng)考慮機(jī)組甩負(fù)荷時引起的水擊壓力。外水壓力的大小取決于水庫蓄水后形成的地下水位線，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確計算，一般來說，常假設(shè)隧洞進(jìn)口處的地下水位線與水庫正常擋水位相同，在隧洞出口處與下游水位或洞頂齊平，中間按直線變化。考慮到地下水滲流過程的水頭損失，工程中實(shí)際取用外水壓力的數(shù)值應(yīng)等于地下水的水頭乘以折減系數(shù)（見表8-1)。設(shè)計中，當(dāng)與內(nèi)水壓力組合時，外水壓力常用偏小值；當(dāng)隧洞放空時，采用偏大值。表8—1外水荷載折減系數(shù)值選用表級別地下水活動狀況地下水對圍巖穩(wěn)定的影響值1洞壁干燥或潮濕無影響0～0.22沿結(jié)構(gòu)面有滲水或滴水風(fēng)化結(jié)構(gòu)面填充物質(zhì)，地下水減少結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，對軟弱巖體有軟化作用0～0.43沿裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面有大量滴水，線狀流水或噴水泥化軟弱結(jié)構(gòu)面充填物質(zhì)，地下水減少結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，對中硬巖體有軟化作用0.25～0.64嚴(yán)重滴水，沿軟弱結(jié)構(gòu)面有小量涌水地下水沖刷結(jié)構(gòu)面中充填物質(zhì)，加速巖體風(fēng)化，對斷層等軟弱帶軟化泥化，并使其膨脹崩解，以及產(chǎn)生機(jī)械管涌；有滲透壓力，能鼓開較薄的軟弱層0.4～0.85嚴(yán)重股狀水流，斷層等軟弱帶有大量涌水地下水沖刷攜帶結(jié)構(gòu)面中填充物質(zhì)，分離巖體，有滲透壓力，能鼓開一定厚度的斷層等軟弱帶，能導(dǎo)致圍巖塌方0.65～1.04．襯砌自重沿隧洞軸線1m長的襯砌重量。一般根據(jù)襯砌厚度的不同，沿洞線分段進(jìn)行計算，認(rèn)為自重是均勻作用在襯砌厚度的平均線上，襯砌單位面積上的自重強(qiáng)度為：（8-6）式中——襯砌材料重度，kN/m3；——襯砌厚度，m。應(yīng)考慮平均超挖回填的部分。除上述重要荷載外，隧洞襯砌上還作用有灌漿壓力、溫度荷載和地震荷載等。由于對襯砌影響較小，荷載組合時均不予考慮。5．荷載組合襯砌計算時，應(yīng)根據(jù)荷載特點(diǎn)及同時作用的也許性，按不同情況進(jìn)行組合。設(shè)計中常用的組合有：(1)正常運(yùn)用情況。山巖壓力+襯砌自重+宣泄設(shè)計洪水時的內(nèi)水壓力+外水壓力。(2)施工、檢修情況。山巖壓力+襯砌自重+也許出現(xiàn)的最大外水壓力。(3)非常運(yùn)用情況。山巖壓力+襯砌自重+宣泄校核洪水時的內(nèi)水壓力+外水壓力。正常運(yùn)用情況屬于基本組合，用以設(shè)計襯砌的厚度、配筋量和強(qiáng)度校校，其他情況用作校核。工程中視隧洞的具體運(yùn)用情況還應(yīng)考慮其他荷載組合。（二）襯砌結(jié)構(gòu)計算襯砌結(jié)構(gòu)計算環(huán)節(jié)，重要涉及：選擇襯砌型式并初步擬定其厚度；分別計算單位洞長上各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，并按不同的荷載組合疊加；進(jìn)行強(qiáng)度核核、擬定配筋量，鑒定初擬襯砌厚度是否合理并進(jìn)行修改。下面介紹以內(nèi)水壓力為重要荷載，圍巖為Ⅰ、Ⅱ類,直徑不大于6m的圓形有壓隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)計算?；炷梁弯摻罨炷烈r砌結(jié)構(gòu)不作為有嚴(yán)格防滲規(guī)定的結(jié)構(gòu)。襯砌厚度的計算方法如下：1.混凝土襯砌求混凝土襯砌厚度h時，以均勻內(nèi)水壓力p作用下內(nèi)邊沿切向拉應(yīng)力不超過混凝土的允許軸心抗拉強(qiáng)度[σhl]為限，計算公式如下：（8-7）（8-8）式中Rl——混凝土的設(shè)計抗拉強(qiáng)度；Kl——混凝土的抗拉安全系數(shù)，按表8-2選用。A——彈性特性因素；h——襯砌厚度；ri——隧洞內(nèi)徑。表8-2混凝土的抗拉安全系數(shù)表荷載級別12、34、5荷載組合正常運(yùn)用非常運(yùn)用正常運(yùn)用非常運(yùn)用正常運(yùn)用非常運(yùn)用安全系數(shù)Kl2.11.81.81.61.71.52.鋼筋混凝土襯砌同樣，求鋼筋混凝土襯砌厚度h時，以均勻內(nèi)水壓力p作用下內(nèi)邊沿切向拉應(yīng)力不超過鋼筋混凝土的允許軸心抗拉強(qiáng)度[σgh]為限，計算公式如下：（8－9）襯砌的內(nèi)邊沿應(yīng)力，可按下式校核：（8－10）（8－11）式中Rf——混凝土的設(shè)計抗裂強(qiáng)度；Kf——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)；F——沿洞線1m長襯砌混凝土的縱斷面面積；Fn——F中涉及鋼筋在內(nèi)的折算面積。假如由式（8－9）求出的h為負(fù)值或小于結(jié)構(gòu)的最小厚度時，則應(yīng)采用結(jié)構(gòu)的最小厚度，鋼筋可按結(jié)構(gòu)的最小配筋率，對稱配置。當(dāng)圍巖條件較差，或圓洞直徑大于6m時，不能只按內(nèi)水壓力設(shè)計襯砌。此時，應(yīng)當(dāng)計算出均勻內(nèi)水壓力作用下的內(nèi)力，然后與其他荷載引起的內(nèi)力進(jìn)行組合，再行設(shè)計。五、水工隧洞的噴錨支護(hù)噴錨支護(hù)是噴混凝土支護(hù)與錨桿支護(hù)的總稱。根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件和對支護(hù)的規(guī)定，可以單獨(dú)或聯(lián)合使用，還可在噴層中加設(shè)鋼筋網(wǎng)。噴錨支護(hù)（錨噴支護(hù)）是配合新奧法（NewAustrianTunnellingMethod，縮寫為NATM）而逐漸發(fā)展起來的一種新型支護(hù)方式。由于其具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：能及時對圍巖進(jìn)行加固,充足發(fā)揮圍巖的自承作用，可節(jié)省材料和勞力，減少造價等，故自20世紀(jì)50年代以來，在國內(nèi)外的礦山坑道、鐵路隧道等地下工程中獲得了廣泛應(yīng)用。在我國的水利水電建設(shè)中，20世紀(jì)50年代也曾采用過噴錨修補(bǔ)隧洞襯砌和錨桿臨時支護(hù)洞室。隨著技術(shù)的發(fā)展，在交通洞室、地下廠房、調(diào)壓井、導(dǎo)流隧洞中已逐步推廣應(yīng)用，直至做為水工隧洞的永久性支護(hù)（噴錨襯砌）。國內(nèi)采用噴錨支護(hù)的水工隧洞已有數(shù)十項(xiàng)，其中，1971年建成的回龍山引水隧洞，斷面為11m×11.1m的城門洞形，總長646m，所有采用噴錨，至今運(yùn)營良好。在長達(dá)9680m的引灤入津引水隧洞中噴錨段總長5000m，是國內(nèi)采用噴錨支護(hù)最長的水工隧洞。噴錨襯砌與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土或鋼筋混凝土襯砌相比，前者噴層薄、柔性大，能與圍巖緊密貼結(jié)，圍巖承受內(nèi)水壓力的百分?jǐn)?shù)很高。幾個工程的水壓實(shí)驗(yàn)表白，當(dāng)圍巖的變形模量MPa時，圍巖能承擔(dān)80%～90％的內(nèi)水壓力。但也由于噴層薄，且隨開挖巖面起伏不平，糙率較大。此外，大面積噴射，施工質(zhì)量難以控制，在內(nèi)水壓力及水流作用下，有也許引起滲漏及沖蝕。隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，噴錨支護(hù)必將得到更為廣泛的應(yīng)用。噴錨支護(hù)有以下幾種類型：(1)噴混凝土支護(hù)[圖8-16(b)]。洞室開挖后，及時噴射混凝土使其與圍巖緊密貼結(jié)（加入早強(qiáng)劑可使混凝土不久凝固），可以有效地限制圍巖的變形發(fā)展，發(fā)揮圍巖的自承能力，改善支護(hù)的受力條件。混凝土在噴射壓力下，部分砂漿滲入圍巖的節(jié)理、裂隙，可以重新膠結(jié)松動巖塊，能起到加固圍巖、堵塞滲水通道、填補(bǔ)缺陷的作用。(2)錨桿支護(hù)。根據(jù)洞室周邊的地質(zhì)條件和也許的破壞形式（局部性破壞或整體性破壞），采用局部錨桿加固或系統(tǒng)錨桿加固，對節(jié)理發(fā)育的塊狀圍巖，運(yùn)用錨桿可將不穩(wěn)定的巖塊錨固于穩(wěn)定的巖體上[圖8-16(a)]；對層狀圍巖，垂直于層面布置的錨桿起組合作用，可將巖層組合起來形成“組合梁”；對于軟弱巖體通過系統(tǒng)布置的錨桿，可以加固節(jié)理、裂隙和軟弱面，形成承重環(huán)，使圍巖變形受到約束，達(dá)成圍巖自承狀態(tài)。(3)噴混凝土錨桿聯(lián)合支護(hù)。此種支護(hù)，用于強(qiáng)度不高和穩(wěn)定性較差的巖體。兩者兼顧可加固錨桿之間的不穩(wěn)定巖塊，達(dá)成穩(wěn)定巖體、保證洞室安全運(yùn)營的目的。(4)噴錨加鋼筋網(wǎng)支護(hù)。對軟弱、碎裂的圍巖，如噴混凝土錨桿支護(hù)仍感局限性時，可加設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，以改善圍巖應(yīng)力，使支護(hù)受力趨于均勻，提高噴層的整體性及強(qiáng)度，并可減少溫度裂縫[圖8-16(c),(d)]。第四節(jié)壩下涵管在土石壩水庫樞紐中，重要泄水建筑物應(yīng)是河岸溢洪道，底孔的設(shè)計流量一般不大。當(dāng)由于兩岸地質(zhì)條件或其他因素，不宜開挖隧洞時，可以采用壩下設(shè)涵管的方法來滿足泄、放水的規(guī)定。壩下涵管結(jié)構(gòu)簡樸、施工方便、造價較低，故在小型水庫工程中應(yīng)用較多。但其最大的缺陷是：如設(shè)計施工或運(yùn)用管理不妥，極易影響土石壩的安全。由于管壁和填土是兩種不同性質(zhì)的材料，如兩者結(jié)合不緊密，庫水就會沿管壁與填土之間的接觸面產(chǎn)生集中滲流。特別是當(dāng)管道由于壩基不均勻沉陷或連接結(jié)構(gòu)方面的因素發(fā)生斷裂、漏水等情況時，后果更加嚴(yán)重。實(shí)踐證明，管道滲漏是引起土石壩失事的重要因素之一。所以壩下涵管不如隧洞運(yùn)用安全，但如涵管能置于比較好的基巖上，加上精心設(shè)計施工，是可以保證涵管及土石壩的安全的。在軟基上，除通過技術(shù)論證外，不得采用涵管式底孔。對于高壩和多地震區(qū)的壩，在巖基上也應(yīng)盡量避免采用壩下涵管。一、涵管的類型和位置選擇（一）壩下涵管的類型涵管按其過流形態(tài)可分為：具有自由水面的無壓涵管；滿水的有壓涵管；閘門前段滿水但門后具有自由水面的半有壓涵管。其管身斷面形式有圓形、圓拱直墻形（城門洞形）、箱形等。涵管材料一般為預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土和鋼筋混凝土或漿砌石。無壓涵管的斷面形式如圖8－17所示。（二）涵管的位置選擇在進(jìn)行涵管的位置選擇及布置時，應(yīng)綜合考慮涵管的作用、地基情況、地形條件、水力條件、與其他建筑物（特別是土壩）之間的關(guān)系等因素，選擇若干方案進(jìn)行分析比較后擬定。在進(jìn)行線路選擇及布置時，應(yīng)注意以下幾個問題：(1)地質(zhì)條件。應(yīng)盡也許將涵管設(shè)在巖基上。壩高在10m以下時，涵管也可設(shè)于壓縮性小、均勻而穩(wěn)定的土基上。但應(yīng)避免部分是巖基，部分是土基的情況。(2）地形條件。涵管應(yīng)選在與進(jìn)口高程相適宜的位置，以免過多的挖方。涵管進(jìn)口高程的擬定，應(yīng)考慮運(yùn)用規(guī)定、河流泥沙情況及施工導(dǎo)流等因素。(3）運(yùn)用規(guī)定。引水灌溉的涵管，應(yīng)布置與灌區(qū)同岸，以節(jié)省費(fèi)用；兩岸均有灌區(qū)，可在兩岸分設(shè)涵管。涵管最佳與溢洪道分設(shè)兩岸，以免水流干擾。(4)管線宜直。涵管的軸線應(yīng)為直線并與壩軸線垂直，以縮短管長，使水流順暢。若受地形或地質(zhì)條件的限制，涵管必須轉(zhuǎn)彎時，其彎曲半徑應(yīng)大于5倍的管徑。二、涵管的布置與構(gòu)造（一）涵管的進(jìn)口形式小型水庫的壩下涵管，大多數(shù)是為灌溉引水而設(shè)，常用的型式如下。(1）分級斜臥管式。這種型式是沿山坡修筑臺階式斜臥管，在每個臺階上設(shè)進(jìn)水口，孔徑10～50cm，用木塞或平板門控制放水。臥管的最高處設(shè)通氣孔，下部與消力池或消能井相連（見圖8－18)。該型式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)簡樸，能引取溫度較高的表層水灌溉。有助于作物生長。缺陷是容易漏水，木塞閘門運(yùn)用管理不便。(2）斜拉閘門式。該型式與隧洞的斜坡式進(jìn)水口相似，如圖8-19所示。其優(yōu)缺陷與隧洞斜坡式進(jìn)水口相同。(3)塔式和井式進(jìn)水口。該型式適于水頭較高、流量較大、水量控制規(guī)定較嚴(yán)的涵管，其構(gòu)造和特點(diǎn)與隧洞的塔式進(jìn)口基本相同。井式進(jìn)口是將豎井設(shè)在壩體內(nèi)部，如圖8－20所示，以位置Ⅱ?yàn)榧?。位置Ⅰ，如豎井和涵管的結(jié)合處漏水，將使壩體浸潤線升高，并且豎井上游涵管檢修不便。位置Ⅲ，豎井穩(wěn)定性差，實(shí)際已成塔式結(jié)構(gòu)。豎井應(yīng)設(shè)于防滲心墻上游，以保證心墻的整體性。（二）管身布置與構(gòu)造(1)管座。設(shè)立管座可以增長管身的縱向剛度，改善管身的受力條件，并使地基受力均勻，所以管座是防止管身斷裂的重要結(jié)構(gòu)措施之一。管座可以用漿砌石或低標(biāo)號混凝土做成，厚度30～50㎝。管座和管身的接觸面成90°～180°包角，接觸面上涂以瀝青或設(shè)油毛氈墊層，以減少管身受管座的約束，避免因縱向收縮而裂縫。(2)伸縮縫。土基上的涵管，應(yīng)設(shè)立沉陷縫，以適應(yīng)地基變形。良好的巖基，不均勻沉陷很小，可設(shè)溫度伸縮縫。一般將溫度伸縮縫與沉陷縫統(tǒng)一考慮。對于現(xiàn)澆鋼筋混凝土涵管，伸縮縫的間距一般為3～4倍的管徑，且不大于15m，當(dāng)管壁較薄設(shè)立止水有困難時，可將接頭處的管壁加厚。對于預(yù)制涵管，其接頭即為伸縮縫，多用套管接頭，如圖8－21所示。(3)截滲環(huán)。為防止沿涵管外壁產(chǎn)生集中滲流，加長管壁的滲徑，減少滲流的坡降和減小流速，避免填土產(chǎn)生滲透變形，通常在涵管外側(cè)每隔10～20m設(shè)立一道截滲環(huán)。（三）涵管的出口布置壩下涵管通常流量不大，水頭較低，多采用底流式消能。壓力明管一、壓力管道的功用和類型壓力管道是指從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的管道，其一般特點(diǎn)是坡度陡，內(nèi)水壓力大，承受水錘的動水壓力，并且靠近廠房，因此它必須是安全可靠的。萬一發(fā)生事故，也應(yīng)有防止事故擴(kuò)大的措施，以保證廠房設(shè)施和運(yùn)營人員的安全。壓力管道按材料可分為：(1)鋼管鋼管具有強(qiáng)度高、防滲性能好等許多優(yōu)點(diǎn)，常用于大中型水電站。水電站壓力鋼管有三種重要形式：布置在地面以上者稱明鋼管。布置于壩體混凝土中者稱壩內(nèi)鋼管。埋設(shè)于巖體中者則成地下埋管。(2)鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管具有造價低、可節(jié)約鋼材、能承受較大外壓和經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，通常用于內(nèi)壓不高的中小型水電站。除普通鋼筋混凝土管外，尚有預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥和預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管等。普通鋼筋混凝土管因易于開裂，一般用在水頭H和內(nèi)徑D的乘積HD<50m2的情況下；預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管的HD值可超過200m2；預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管由于抗裂性能好，抗拉強(qiáng)度高，HD值可超過300m(3)鋼襯鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管是在鋼筋混凝土管內(nèi)襯以鋼板構(gòu)成。在內(nèi)水壓力作用下鋼襯與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可減小鋼襯的厚度，合用于大HD值管道情況。由于鋼襯可以防滲，外包鋼筋混凝土可按允許開裂設(shè)計，以充足發(fā)揮鋼筋的作用。本節(jié)重要講明鋼管。二、壓力管道的布置和供水方式（一）壓力管道的布置壓力管道是引水系統(tǒng)的一個組成建筑物。壓力管道的布置應(yīng)根據(jù)其形式、本地的地形地質(zhì)條件和工程的總體布置規(guī)定擬定，其基本原則可歸納如下：(1)盡也許選擇短而直的路線。這樣不僅可以縮短管道的長度，減少造價，減小水頭損失，并且可以減少水錘壓力，改善機(jī)組的運(yùn)營條件。因此，明鋼管常敷設(shè)在陡峻的山坡上，以縮短平水建筑物（假如有的話）和廠房之間的距離。(2)盡量選擇良好的地質(zhì)條件。明鋼管應(yīng)敷設(shè)在堅(jiān)固而穩(wěn)定的山坡上，以免因地基滑動引起管道破壞。(3)盡量減少管道的起伏波折，避免出現(xiàn)反坡，以利管道排空；管道任何部位的頂部應(yīng)在最低壓力線以下，并有2m的裕度。若因地形限制，為了減少挖方而將明管布置成折線時，在轉(zhuǎn)彎處應(yīng)設(shè)鎮(zhèn)墩，管軸線的曲率半徑應(yīng)不小于3倍管徑。明鋼管的底部至少應(yīng)高出地表0.6m，以便安裝檢修；若直管段超過150m，中間宜加鎮(zhèn)墩。地下埋管的坡度應(yīng)便于開挖出碴和鋼管的安裝檢修。(4)避開也許發(fā)生山崩或滑坡地區(qū)。明管應(yīng)盡也許沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷之中，若明管之上有墜石或也許崩塌的峭壁，則應(yīng)事先清除。(5)明鋼管的首部應(yīng)設(shè)事故閘門，并應(yīng)考慮設(shè)立事故排水和防沖設(shè)施，以免鋼管發(fā)生事故時危及電站設(shè)備和運(yùn)營人員的安全。（二）壓力管道的供水方式水電站的機(jī)組往往不止一臺，壓力管道也許有一根或數(shù)根，壓力管道向機(jī)組的供水方式可歸納為三類。(1)單元供水每臺機(jī)組由一根專用水管供水，如圖8-22(a),(b)所示。這種供水方式結(jié)構(gòu)簡樸，工作可靠，管道檢修或發(fā)生事故時，只影響一臺機(jī)組工作，其余機(jī)組可照常運(yùn)營。這種布置方式除水頭較高和機(jī)組容量較大者外，一般只在進(jìn)口設(shè)事故閘門，不設(shè)下閥門。單機(jī)供水所需的管道根數(shù)較多，需要較多的鋼材，合用于單機(jī)流量大或者壓力管道較短的電站。壩內(nèi)鋼管一般較短，通常都采用單元供水。(2)集中供水所有機(jī)組集中由一根管道供水，如圖8-22（c）、(d）所示。用一根管道代替幾根管道，管身材料較省，但需設(shè)立結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分岔管，并需在每臺機(jī)組之前設(shè)立事故閥門，以保證在任意一臺機(jī)組檢修或發(fā)生事故時不致影響其他機(jī)組運(yùn)營。這種供水方式的靈活性和可靠性不如單元供水，一旦主管發(fā)生事故或進(jìn)行檢修，需全廠停機(jī)，運(yùn)營的靈活性和可靠性較單元供水差。合用于水頭較高、流量較小，管道較長的電站。地下埋管由于不宜平行開挖幾根近距離的管井時，常采用這種供水方式。(3)分組供水采用數(shù)根管道，每根管道向幾臺機(jī)組供水，如圖8-22(e)，(f）所示。這種供水的特點(diǎn)介于單元供水和集中供水之間，合用于壓力管道較長、機(jī)組臺數(shù)較多和容量較大的情況。無論采用聯(lián)合供水或者分組供水，與每根管道相連的機(jī)組臺數(shù)一般不宜超過4臺。壓力管道可以從正面進(jìn)入廠房，如圖8-22(a)，(c)，(e)所示，也可以從側(cè)面進(jìn)入廠房，如圖8-22(b)，(d)，(f)所示。前者合用于水頭不高、管道不長或地下埋管情況。對于明鋼管，若水頭較高，宜從側(cè)面進(jìn)入廠房，在這種情況下，萬一管道爆破，可使高速水流從廠外排走，以防危及廠房和運(yùn)營人員的安全。在集中供水和分組供水情況下，管道從側(cè)面進(jìn)入廠房也易于分岔。地下埋管爆破的也許性較小，即使爆破，由于受圍巖限制亦不易忽然擴(kuò)大，管道進(jìn)入廠房的方式常決定于管道及廠房布置的需要。三、壓力管道的水力計算和經(jīng)濟(jì)直徑的擬定（一）水力計算壓力管道的水力計算涉及恒定流計算和非恒定流計算兩種。1．恒定流計算恒定流計算重要是為了擬定管道的水頭損失。管道的水頭損失對于水電站裝機(jī)容量的選擇、電能的計算、經(jīng)濟(jì)管徑的擬定以及調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計算等都是不可缺少的。水頭損失涉及摩阻損失和局部損失兩種。(1)摩阻損失管道中的水頭損失與水流形態(tài)有關(guān)。水電站壓力管道中水流的雷諾數(shù)Re一般都超過3400，因而水流處在紊流狀態(tài)，摩阻水頭損失可用曼寧公式或斯柯別公式計算。曼寧公式應(yīng)用方便，在我國應(yīng)用較廣。該公式中，水頭損失與流速平方成正比，這對于鋼筋混凝土管和隧洞這類糙率較大的水道是合用的。對于鋼管，由于糙率較小，水流未能完全進(jìn)入阻力平方區(qū)，但隨著時間的推移，管壁因銹蝕糙率逐漸增大，按流速平方關(guān)系計算摩阻損失仍然是可行的。曼寧公式見水力學(xué)教材，此處從略。斯柯別推薦用以下公式計算每米長鋼管的摩阻損失(8-12)式中——水頭損失系數(shù)，焊接管用0.00083；m——考慮水頭損失隨使用年數(shù)t的增長而增大的系數(shù)，清水取K=0.01，腐蝕性水可取K＝0.015。（2）局部損失在流道斷面急劇變化處，由于受邊界的擾動，使水流與邊界之間及水流的內(nèi)部形成旋渦，在水流強(qiáng)烈的混摻和大量的動量互換過程中，在不長的距離內(nèi)導(dǎo)致較大的能量損失，這種損失通常稱為局部損失。壓力管道的局部損失發(fā)生在進(jìn)口、門槽、漸變段、彎段、分岔等處。壓力管道的局部損失往往不可忽視，特別是分岔的損失有時也許達(dá)成相稱大的數(shù)值。局部損失的計算公式通常表達(dá)為（8-13）系數(shù)可查有關(guān)手冊。2．非恒定流計算管道中的非恒定流現(xiàn)象通常稱為水錘。進(jìn)行非恒定流計算的目的是為了推求管道各點(diǎn)的動水壓強(qiáng)及其變化過程，為管道的布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)組的運(yùn)營提供依據(jù)。（二）管徑的擬定壓力管道的直徑應(yīng)通過動能經(jīng)濟(jì)計算擬定。在第七章中我們已經(jīng)研究了擬定渠道和隧洞經(jīng)濟(jì)斷面的方法，其基本原理對壓力管道也完全合用，可以擬定幾個不同管徑的方案進(jìn)行比較，選定較為有利的管道直徑，也可以將某些條件加以簡化，推導(dǎo)出計算公式直接求解。在可行性研究和初步設(shè)計階段，可用以下彭德舒公式來初步擬定大中型壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)直徑(8-14)式中——鋼管的最大設(shè)計流量，m3/s；——設(shè)計水頭，m。四、鋼管的管壁厚度壓力鋼管按其構(gòu)造又分為無縫鋼管、焊接管和箍管，其中焊接管應(yīng)用最普遍。焊接管是用鋼板按規(guī)定的曲率輥卷成弧形，在工廠用縱向焊縫連接成管節(jié)，運(yùn)到現(xiàn)場后再用橫向焊縫將管節(jié)連成整體。內(nèi)水壓力是鋼管的重要荷載，縱縫受力較大，在工廠焊接后應(yīng)以超聲法或射線法作探傷檢查，以保證縱縫的焊接質(zhì)量。在焊接橫縫時，應(yīng)使各管節(jié)的縱縫錯開，見圖8-23。對于明管，縱縫不應(yīng)布置在橫斷面的水平軸線和垂直軸線上，與軸線的夾角應(yīng)大于10°，相應(yīng)的弧線距離應(yīng)大于300mm。管壁厚度一般經(jīng)結(jié)構(gòu)分析擬定。管壁的結(jié)構(gòu)厚度取為計算厚度加2mm的銹蝕裕度?？紤]制造工藝、安裝、運(yùn)送等規(guī)定，管壁的最小結(jié)構(gòu)厚度不宜小于下式擬定的數(shù)值，也不宜小于6mm。(8-15)式中D——鋼管直徑，mm。按內(nèi)水壓力計算管壁厚度為+2mm（8-16）式中為焊縫系數(shù)，雙面對接焊時，取0.95；單面對接焊、有墊板時，取0.90。管壁的計算厚度還需進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定校核（不計2mm裕度）。光面明鋼管管壁能保持穩(wěn)定的管壁厚,（8-17）式中D0——管徑。若無法滿足抗外壓穩(wěn)定規(guī)定，用設(shè)立加勁環(huán)的方法提高其抗外壓能力,一般較為經(jīng)濟(jì)。剛性環(huán)式鋼管抗外壓穩(wěn)定分析涉及剛性環(huán)間管壁和剛性環(huán)兩個部分的穩(wěn)定分析：（1）剛性環(huán)間管壁的穩(wěn)定分析地下埋管剛性環(huán)間的管壁失穩(wěn)時，因剛性環(huán)的存在，管壁屈曲波數(shù)一般較多，波幅較小。目前，設(shè)計規(guī)范規(guī)定臨界外壓仍采用明管的相應(yīng)公式計算。剛性環(huán)的間距為l，則對于剛性環(huán)中間管壁，可用米賽斯公式計算臨界外壓力：（8-18）（8-19）式中us一鋼材泊桑比，取0.3；—鋼材彈性模量；r—鋼管內(nèi)半徑；n—相應(yīng)于最小臨界壓力的波數(shù)，取與計算值相近的整數(shù)。（2）剛性環(huán)的穩(wěn)定分析加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定臨界壓力按下列兩式中的小值取用。(8-20)(8-21)式中—加勁環(huán)有效斷面重心軸線半徑，；—剛性環(huán)的有效截面面積（㎜2），；h—剛性環(huán)高度（㎜）；a—剛性環(huán)厚度（㎜）；l—剛性環(huán)間距（㎜）。地下埋管的抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)Kc，對光面管管壁取2.0，剛性環(huán)和剛性環(huán)間管壁取1.8。五、明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備（一）明鋼管的敷設(shè)方式明鋼管一般敷設(shè)在一系列的支墩上，底面高出地表不小于0.6m，這樣使管道受力明確，管身離開地面也易于安裝、維護(hù)和檢修。在管道的轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將管道固定，使其不能自由伸縮，相稱于梁的固定端。根據(jù)明鋼管的管身在鎮(zhèn)墩間是否連續(xù)，其敷設(shè)方式有連續(xù)式和分段式兩種。明鋼管宜做成分段式，在兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)伸縮節(jié)，如圖8-24所示。由于伸縮節(jié)的存在，在溫度變化時，管身在軸向可以自由伸縮，由溫度變化引起的軸向力僅為管壁和支墩間的摩擦力和伸縮節(jié)的摩擦力。為了減小伸縮節(jié)的內(nèi)水壓力和便于安裝鋼管，伸縮節(jié)一般布置在管段的上端，靠近上鎮(zhèn)墩處。這樣布置也經(jīng)常有助于鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定。伸縮節(jié)的位置可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。若直管段的長度超過150m，可在其間加設(shè)鎮(zhèn)墩；若其坡度較緩，也可不加鎮(zhèn)墩，而將伸縮節(jié)置于該管段的中部。（二）明鋼管的支墩和鎮(zhèn)墩1．支墩支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相稱于梁的滾動支承，允許管道在軸向自由移動。減小支墩間距可以減小管道的彎矩和剪力，但支墩數(shù)增長，故支墩的間距應(yīng)通過結(jié)構(gòu)分析和經(jīng)濟(jì)比較擬定，一般在6～12m之間。大直徑的鋼管可采用較小的支墩間距。按管身與墩座間相對位移的特性，可將支墩提成滑動式、滾動式和擺動式三種。(1)滑動式支墩滑動式支墩的特性是管道伸縮時沿支墩頂部滑動，可分為鞍式和支承環(huán)式兩種。鞍式支墩如圖8-25(a)所示。鋼管直接安放在一個鞍形的混凝土支座上，鞍座的包角在120°左右。為了減小管壁與鞍座間的摩擦力，在鞍座上常設(shè)有金屬支承面，并敷以潤滑劑。支承環(huán)式滑動支墩是在支墩處的管身外圍加剛性的支承環(huán)，用兩點(diǎn)支承在支墩上，這樣可改善支座處的管壁應(yīng)力狀態(tài)，減小滑動摩阻，并可防止滑動時摩損管壁，如圖8-25(b）所示。但與滾動式支座相比，摩阻系數(shù)仍然較大，合用于直徑200cm以下的管道。(2)滾動式支墩滾動式支墩與上述支承環(huán)式滑動支墩不同之處，在于支承環(huán)與墩座之間有輥軸，如圖8-26所示，改滑動為滾動，從而使摩擦系數(shù)降為0.1左右，合用于直徑200cm以上的管道。由于輥軸直徑不也許做得很大，所以輥軸與上下承板的接觸面積較小，不能承受較大的垂直荷載，使這種支墩的使用受到限制。(3)擺動式支墩擺動式支墩的特性是在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動短柱，如圖8-27所示。圖中擺柱的下端與墩座鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的承板接觸，管道伸縮時，短柱以鉸為中心前后擺動。這種支墩摩阻力很小，能承受較大的垂直荷載，合用于大直徑管道。2．鎮(zhèn)墩鎮(zhèn)墩一般布置在管道的轉(zhuǎn)彎處，以承受因管道改變方向而產(chǎn)生的不平衡力，將管道固定在山坡上，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移，如圖8-24所示。在管道的直線段，若長度超過150m，在直線段的中間也應(yīng)設(shè)立鎮(zhèn)墩，此時伸縮節(jié)可布置在中間鎮(zhèn)墩兩側(cè)的等距離處，以減小鎮(zhèn)墩所受的不平衡力。鎮(zhèn)墩靠自身重量保持穩(wěn)定，一般用混凝土澆制。按管道在鎮(zhèn)墩上的固定方式，鎮(zhèn)墩可分為封閉式（圖8-28)和開敞式（圖8-29)兩種。前者結(jié)構(gòu)簡樸，節(jié)省鋼材，對管道的固定好，應(yīng)用較多；后者易檢修，但鎮(zhèn)墩處管壁受力不夠均勻，用于作用力不太大的情況。（三）明鋼管上的閘、閥門和附件1．閘門及閥門壓力管道的進(jìn)口處常設(shè)立平面鋼閘門，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。平面鋼閘門價格便宜，便于制造，應(yīng)用較廣。平面鋼閘門可用到80m水頭或更高。在壓力管道末端，即蝸殼進(jìn)口處，是否需要設(shè)立閥門則視具體情況而定：如系單元供水，水頭不高，或單機(jī)容量不大，而管道進(jìn)口處又有閘門者，則管末可不設(shè)閥門，壩內(nèi)埋管通常如此；如為集中供水或分組供水，或雖系單元供水而水頭較高和機(jī)組容量較大時，則需在管道末端設(shè)立閥門。閥門的類型很多，有閘閥（平板閥）、蝴蝶閥、球閥、圓筒閥、針閥和錐閥等，但作為水電站壓力管道上的閥門，最常用的是蝴蝶閥和球閥。(1)蝴蝶閥蝴蝶閥由閥殼和閥體構(gòu)成。閥殼為一短圓筒。閥體形似圓餅，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)閥體平面與水流方向一致時，閥門處在啟動狀態(tài)；當(dāng)閥體平面與水流方向垂直時，閥門處在關(guān)閉狀態(tài)，如圖8-30所示。蝴蝶閥的操作有電動和液壓兩種，前者用于小型，后者用于大型。蝴蝶閥的優(yōu)點(diǎn)是啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價較低；缺陷是在啟動狀態(tài)，由于閥體對水流的擾動，水頭損失較大；在關(guān)閉狀態(tài)，止水不夠嚴(yán)密。它合用于直徑較大和水頭不很高的情況。蝴蝶閥有橫軸和豎軸兩種。前者結(jié)構(gòu)簡樸，水壓力的合力偏于閥體的中心軸以下，一旦閥體離開中間位置，即有自閉傾向，特別適于用作事故閥門，但因控制閥門啟閉的接力器在閥門旁側(cè)，需要較大的位置。后者接力器在閥頂，結(jié)構(gòu)緊湊，但需設(shè)推力軸承支撐閥體，較復(fù)雜。蝴蝶閥是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的一種閥門。國外最大直徑用到800cm以上，最大水頭用到200m。蝴蝶閥可在動水中關(guān)閉，但必須用旁通管上下游平壓后啟動，蝴蝶閥因止水不夠嚴(yán)密，不合用于高水頭情況。(2)球閥球閥由球形外殼、可轉(zhuǎn)動的圓筒形閥體及其他附件構(gòu)成。當(dāng)閥體圓筒的軸線與管道軸線一致時，閥門處在啟動狀態(tài)，如圖8-31(b)；若將閥體旋轉(zhuǎn)90°，使圓筒一側(cè)的球面封板擋住水流通路，則閥門處在關(guān)閉狀態(tài)，如圖8-31(a)。關(guān)閉時，將小閥B關(guān)閉，在空腔A內(nèi)注入高壓水（可使之與上游管道相通），使球閥封板緊緊壓在下游管口的閥座上，故止水嚴(yán)密。啟動時，先將小閥B打開，將空腔A中的壓力水排至下游，并用旁通管向下游管道充水，形成反向壓力，使球面封板離開閥座，以減小旋轉(zhuǎn)閥體時的阻力，和防止摩損止水。球閥的優(yōu)點(diǎn)是在啟動狀態(tài)時事實(shí)上沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；缺陷是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尺寸和重量較大，造價高。球閥合用于高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。球閥可在動水中關(guān)閉，但必須用旁通管上下游平壓后方能啟動。2．附件明鋼管上的附件有伸縮節(jié)、通氣閥、人孔和排水管等。(1)伸縮節(jié)根據(jù)功用的不同，伸縮節(jié)可采用不同的結(jié)構(gòu)型式。圖8-32(a）為單套筒伸縮節(jié)，這種伸縮節(jié)只允許管道在軸向伸縮；圖8-32(b)為雙套筒伸縮節(jié)，具有這種伸縮節(jié)的管道除可作軸向伸縮外，還允許有微小的角位移。這兩種均屬溫度伸縮節(jié)。如地基也許出現(xiàn)較大的變形，則應(yīng)采用溫度沉陷伸縮節(jié)，這種伸縮節(jié)除允許管道沿軸向自由變形外，還允許兩側(cè)管道發(fā)生較大的相對轉(zhuǎn)角。溫度沉陷伸縮節(jié)與圖8-32(b)相似，只在管壁與填料的接觸部位沿軸向做成弧形，以適應(yīng)管軸轉(zhuǎn)動。細(xì)部結(jié)構(gòu)參閱有關(guān)資料。(2)通氣閥通氣閥常布置在閥門之后，其功用與通氣孔相似。當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時，管道中的負(fù)壓使通氣孔打開進(jìn)氣；管道充水時，管道中的空氣從通氣閥排出，然后運(yùn)用水壓將通氣閥關(guān)閉。在也許產(chǎn)生負(fù)壓的供水管路上，有時也需設(shè)通氣閥。(3)人孔人孔是工作人員進(jìn)人管內(nèi)進(jìn)行觀測和檢修的通道。明鋼管的人孔宜設(shè)在鎮(zhèn)墩附近，以便固定鋼絲繩、吊籃和布置卷揚(yáng)機(jī)等。人孔在管道橫斷面上的位置以便于進(jìn)人為原則，其形狀一般做成450～500mm直徑的圓孔。人孔間距視具體情況而定，一般可取150m。(4)排水及觀測設(shè)備管道的最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)排水管，以便在檢修管道時排除其中積水和閘閥漏水。大中型壓力管道應(yīng)有進(jìn)行應(yīng)力、沉陷和振動（明管）、腐蝕與磨損等原型觀測設(shè)備。第六節(jié)埋管一、地下埋管地下埋管指埋設(shè)于巖體中并在管道和巖壁間充填混凝土之鋼管，斷面形式如圖8-33所示。地下埋管雖然增長了巖石開挖和混凝土襯砌的費(fèi)用，但與明鋼管相比，往往可以縮短壓力管道的長度，省去支承結(jié)構(gòu)，在堅(jiān)固的巖體中，可運(yùn)用圍巖承擔(dān)部分內(nèi)水壓力，從而減小鋼襯的厚度，節(jié)約鋼材。此外，地下埋管位于地下，受氣候等外界影響較小，運(yùn)營安全可靠，在我國大中型水電站中應(yīng)用較廣。(1)地下埋管的布置形式地下埋管有豎井、斜井和平洞三種布置形式。豎井式管道的軸線是垂直的，常用于首部開發(fā)的地下電站。采用豎井式可使壓力管道縮至最短，從而減小水錘壓強(qiáng)和壓力管道的工程量。雖然這樣做不可避免地會增長尾水隧洞的長度，但在經(jīng)濟(jì)上往往仍然是合理的。豎井的開挖、鋼管的安裝和混凝土的回填，一般都自下而上進(jìn)行。斜井式管道的軸線傾角小于90°，對于地面式或地下式廠房均合用，在地下埋管中是采用最多的一種。斜井的傾角通常決定于施工規(guī)定。如斜井自上而下開挖，為了便于出碴，傾角不宜超過35°；若采用自下而上開挖，為了使爆破后的石碴能自由滑落，傾角不宜小于45°。平洞一般作過渡段使用。例如，上游引水道經(jīng)平洞過渡為豎井或斜井；豎井或斜井先轉(zhuǎn)為平洞再進(jìn)入廠房，管道分岔也多在平洞部分；對于高水頭電站，斜井的長度很大，為了使斜井開挖、鋼管安裝和混凝土回填等工作能分段同時進(jìn)行，可在斜井中部的適當(dāng)部位設(shè)立一個平段，并用交通洞與地面相通。地下埋管應(yīng)盡量布置在堅(jiān)固完整的巖體之中，以便充足運(yùn)用圍巖的彈性抗力承擔(dān)內(nèi)水壓力。完整巖體的透水性小，在水管放空時，鋼襯因外壓失穩(wěn)的也許性也小。管道的埋置深度以大些為宜，對于斜井和平洞，只有當(dāng)垂直管軸方向的新鮮巖石覆蓋厚度達(dá)成3倍開挖直徑時，才干考慮巖石的彈性抗力。對于豎井，這一數(shù)值還應(yīng)取得大些。(2)地下埋管的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造地下埋管的工作特點(diǎn)相稱于一個多層襯砌的隧洞。鋼襯的功用是承擔(dān)部分內(nèi)水壓力和防止?jié)B透；回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳給圍巖，因此，回填混凝土與鋼襯和圍巖必須緊密結(jié)合。回填混凝土的質(zhì)量是地下埋管施工中的一個關(guān)鍵。鋼管與巖壁的間距在滿足鋼管安裝和混凝土澆筑規(guī)定的前提下應(yīng)盡量減小，一般在50cm左右。一般說來，豎井的回填混凝土質(zhì)量易于保證，斜井次之，平洞最難。在斜井和平洞中，鋼管兩側(cè)混凝土的質(zhì)量較易保證，在頂、底拱處，平倉振搗困難，稀漿集中，易于形成空洞。我國幾個電站的地下埋管曾因外壓和內(nèi)壓導(dǎo)致破壞，破壞部位多位于平洞部位，這不是偶爾的。由于混凝土凝固收縮和溫降的影響，在鋼管和混凝土之間、混凝土與圍巖之間均也許存在一定縫隙，需進(jìn)行灌漿。斜井和平洞的頂部應(yīng)進(jìn)行回填灌漿，壓力不小于0.2Mpa,鋼管與混凝土、混凝土與巖壁之間有時也進(jìn)行壓力不小于0.2MPa的接縫灌漿。對于不太完整的圍巖，為了提高其整體性，增長彈性抗力，有時還進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿壓力與孔深視水頭大小和圍巖的破碎情況而定，壓力可達(dá)0.5～1.0MPa，孔深一般為2～4m。灌漿應(yīng)在氣溫較低時進(jìn)行。鋼管與巖壁間的混凝土除一般常用的澆筑方法外，尚有預(yù)壓骨料灌漿法，后者最早于1960年在密云水庫白河電站高壓管道鋼管外壁混凝土回填和調(diào)壓井井壁接頭混凝土填筑采用過此項(xiàng)施工技術(shù)。在巖體破碎、地下水位較高的地區(qū)，管道放空后，鋼襯也許因外壓而失去穩(wěn)定，國內(nèi)外地下埋管均有因此而破壞的例子。解決的辦法有二：一是離開管道一定距離打排水洞以減少地下水位，這是一種很有效的措施，有的工程在回填混凝土中設(shè)排水管，但排水管在施工中易被堵塞，可靠性差；二是在鋼襯外設(shè)加勁環(huán)，或用錨件將鋼襯錨固在混凝土上。在襯砌的周邊進(jìn)行壓力灌漿，可減小鋼襯、混凝土與巖壁間的初始縫隙，減小圍巖的透水性，這些都有助于鋼襯的抗外壓穩(wěn)定。(3)不用鋼襯的地下管道為了節(jié)約投資和加快施工進(jìn)度，取消鋼襯是近代埋藏式壓力管道設(shè)計的一個發(fā)展方向。充足運(yùn)用圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力是其設(shè)計的指導(dǎo)思想