浅谈水利工程中压力隧洞型式的研究

论文关键词:水利工程;水工建筑物;隧洞设计;原理分析;计算

论文摘要:水工压力隧洞的埋设深度决定其施工工期的长短和造价的高低。若能将隧洞内的水压力荷载传递到岩体内，而不引起岩石滑移或涌水的危险，则隧洞距地表面的距离即为压力隧洞的最小埋深。在工程实践中，确定埋深不大的压力隧洞的衬砌型式及参数应仔细研究山岩岩体的结构和应力状态，其最终方案的选择必须进行系统的数值研究。

水工压力隧洞距地表的距离究竟相对靠近到什么程度?其主要取决于水利枢纽布置中各主要建筑物的相互位置、地势低洼地段隧洞的横断面尺寸以及其它因素，其中，尽量减少隧洞的建筑工程量最为重要。

1 选择压力隧洞型式的前提

设计压力隧洞的主导思想:是保证能将水压力引起的荷载尽可能大的部分(最好是全部)传递给周围的山岩岩体。高水头隧洞推广采用无承力衬砌型式，在岩石破碎地段建造的混凝土或钢筋混凝土衬砌，旨在用来保证隧洞开挖和运行时岩体的稳定性，并不承受水压力。这种观点是基于对现实情况的考虑——混凝土或钢筋混凝士衬砌不可能承受很大的拉应力，衬砌中裂缝的形成，促使将水压力的主要部分传递给岩体，而衬砌材料则只能为该隧洞段创造有利的水力学条件，并在某种程度上减少其渗流量。在隧洞泄空的情况下，则恰恰相反，裂缝闭合，衬砌结构能承受山岩的压力。在设计时，考虑这一实际情况，就有可能采用更经济的结构。若遇到不可能将水压力的主要部分传递给岩体的情况，则采用预应力钢筋混凝土衬砌或承力钢板衬砌。当压力隧洞接近地面时，在相当坚固的岩石中，必须采用这样的衬的方式，将有可能缩短工期，降低工程造价。

2 无衬砌压力隧洞的最小埋深计算分析

压力隧洞的最小埋深指的是，若能将隧洞内的水压力荷载传递到山岩岩体，而不致引起岩石滑移或涌水的危险，则隧洞距地表面的距离，即为压力隧洞的最小埋深。实际上，是指无衬砌压力隧洞的最小允许埋设深度。下面以某埋深不大的压力隧洞附近山岩岩体应力——变形状态的分析成果，作为具体实例进行研究。该压力隧洞内径9.5m，水头为160m(P=1.6MPa)，穿越一段地形低洼地段。隧洞在地形低洼地段的最小埋深(至隧洞的顶拱)为36m。该洼地是一个山谷隘口，两侧与水平面的坡度分别为26°和46°。山岩岩体由弱泥质密实的层状石灰岩组成，层厚0.4m～0.8m。岩层隧洞轴线对水平面的倾角为6°，在垂直于隧洞纵轴的平面内，岩层对水平面的倾角为65°。顺层理的岩体变形模量采用E11=7000MPa:垂直于层理的岩体变形模量E⊥=3600MPa，泊桑比V=0.2，由于是空间结构，故利用计算机应用程序以有限元法求解。

计算区域的尺寸(考虑采用的对称条件)选择是沿隧洞轴线400m，水平方向距隧洞轴线200m，高400m(考虑地形情况)。对于有限元法标准的限制条件——各节点的水平位移限制在其下部的水平面内，计算区域包括936个等参数单元和1972个节点。在开挖轮廓附近，利用二次单元随后转移到一次单元。所采用的计算区域的对称性假定，不可能考虑岩体的实际结构。因此，对与对称条件不矛盾的两种极限——岩石具有垂直和水平层理的情况进行了分析。为了进行比较，对变形模量平均值E=5300MPa的各向同性岩体也进行了分析研究。对于最小埋深段的隧洞断面的平面变形条件进行了验算。这一算题是在非线性布置情况下解算的。对于山岩岩体，采用了横向——均质材料的综合性弹塑模型，该模型遵守库仑-摩尔塑性流(破坏)准则，计算中，岩石的有关参数采用以下值，粘着力C=1MPa，内摩擦角40°，抗拉强度极限Rt=2MPa。对于层理接触面，取C=0.4MPa，Φ=31°。

在岩体力学性能各相同性的情况下，埋深最小的隧洞其未来衬砌顶拱点处没有受到损坏的岩体的计算应力状态为，σmin=-2.1MPa，σmax=-0.97MPa;在岩体各向异性情况下，未来衬砌顶拱点处未损坏岩体的计算应力状态为:岩层呈垂直状时，σmin=-2.25MPa，σmax=-1.35MPa;岩层呈水平状时，σmin=-2.17MPa，σmax=-1.5MPa。岩体中的上述应力值表明，考虑地形的影响十分重要。要知道，对于平面问题来说，相应的最小应力值σmin=-0.94MPa。以上所求得的岩体中的自然应力值，是设计阶段用来决定能否在无衬砌条件下保留该隧洞作为压力隧洞的充分依据(σmin=-2.1MPa，其绝对值大于P=1.6MPa)。

在研究的主要部份，考虑隧洞衬砌不承受水压力，而将水压力全部传递给岩体。也不考虑隧洞衬砌附近岩石灌浆区的存在--岩石灌浆区拟作为安全余量。各种计算情况下的塑性变形区的范围(即隧洞最小埋深段，岩石中可能的裂缝开展区)。数值研究成果的分析表明，在隧洞内的水压力作用下，岩石中可能发生破坏区的大小，由岩体的应力状态决定，而与岩石的强度指标无关。然而，有理由作出推测;与计算情况相比，从定性上讲，所进行的岩石灌浆多少会减少可能破坏区的范围。增加隧洞的埋深，将导致塑性变形区范围缩小，并使其尺寸稳定在距开挖轮廓线1.3m～1.5m范围内(岩石强度参数值为零时，则为2.5m)。

在此情况下，考虑了隧洞中具有厚80cm，含筋率为1%的钢筋混凝土衬砌。衬砌中径向裂缝张开，一部分力由钢筋承担，而另一部分力则传递给岩体，则岩石塑性变形区的最大发展范围达7m。如果不考虑衬砌，则所进行的计算结果证明，塑性变形区有可能在垂直方向扩展到距开挖轮廓线达10m的范围。因此，在最坏的计算情况下，隧洞上部岩石仍保留有很大范围(不小于26m)的受压区，因而在所研究的情况下，可以采用无衬砌压力隧洞完全承受水压力。

对数值研究结果，其中包括一些中间性资料(利用初始应力法的特有加速方案得到的非线性解，在某种程度上使岩体加载)进行的分析表明，使很大范围的岩体参加受力，在水压力的作用下，开挖轮廓内的岩体将发生应力重分配现象。岩石可能破坏区的大小，不允许根据弹性问题的解答结果进行评估(例如，采用拉应力区等同于可能破坏区)，因为随着破坏区的发展，将会大大改变岩石的应力状态。因此，在此情况下，破坏区将停止发展，在比这更大的水压力作用下，达到平衡状态，这可以由弹性问题求解。因为在埋深相对不大的深处，岩体的应力状态在很大程度上取决于地形条件和岩体的结构，在设计时考虑此因素极其重要。

3 结语

在工程实践中，确定埋深不大的水工压力隧洞的衬砌型式及参数的意义十分重大。因此在论证时，应仔细研究山岩岩体的结构和应力状态。至于最终方案的选择，必须进行系统的数值研究。这就要依靠掌握专业技术的工作人员和先进的计算设备来完成这项任务了。