高外水压力下水工隧洞设计理念的初步探讨

◎ 高鑫 新疆水利水电勘测设计研究院

1.工程概况

某水电站工程水库的正常蓄水位为2000m，设计洪水位为2000m、校核洪水位为2003.5m；水电站的装机容量为5×300MW，水电站多年发电量均值为51.5×108kWh。防洪建筑中右岸的水平旋转内消能泄洪洞是通过原有导流洞建筑改造而成，由进水口、竖井、旋转内消能段、水垫塘段以及退水洞段所构成。其中旋转内消能段设计水头为110m，在工程的校核水位条件下的泄洪流量可达到1060m3/s；此段总长度为50m，建筑的断面呈现为圆形，直径为10.5m，原导流洞结构断面为长方形，尺寸为15m（h）×12m（w）。水垫塘段与旋转内消能段连接部位断面为圆渐变方形的形式，水垫塘段的长度为50m，由前段套衬厚度为0.5m的钢筋混凝土改造，结构的断面为长方形，尺寸14m（h）×11m（w）。水垫塘段后部经过收缩后与导流洞相连接，而导流洞则被作为退水洞。

2.高外水压力对水工隧道的影响因素

2.1 渗透系数分析

本工程中引水隧洞的渗透系数只考虑固结灌浆圈与衬砌，其中衬砌的内径为3.5m，外径为4.5m；固结灌浆圈的厚度为6m。将外水水头假设为150m，衬砌的外水计算公式可以表示为：

式中：p—表示衬砌外水压力数值；γW—表示水容重；H—表示外水的水头；r0—表示衬砌的内径尺寸；r1—表示衬砌的外径尺寸；rg—表示固结灌浆圈外径尺寸。

在保持围岩及固结灌浆圈渗透系数不发生变化的情况下，衬砌上的外水压力将与衬砌渗透系数呈现反比的关系；衬砌的渗透系数不断增加的情况下，外水压力的减小变化情况也会增加；在衬砌的渗透系数不发生变化的情况下，固结灌浆圈以及围岩的渗透系数将呈现增长趋势，并且其作用在衬砌的外水压力也将增加。当围岩以及衬砌渗透系数不发生变化的情况下，固结灌浆圈渗透系数将与衬砌的外水压力呈正比的关系；随着固结灌浆圈渗透系数的增加，其外水压力的增长变化情况也会降低。

2.2 固结灌浆圈厚度分析

在本工程中，通过将固结灌浆圈的厚度不断的增加可获得其余作用在衬砌的外水压力之间的关系。固结灌浆圈不同厚度对衬砌的外水压力影响如图1所示。

图1 固结灌浆圈不同厚度对衬砌的外水压力影响

（1）固结灌浆圈的渗透系数=1.0×10-6

（2）固结灌浆圈的渗透系数=5.0×10-7

（3）固结灌浆圈的渗透系数=1.0×10-7

根据图1显示，在保持围岩及固结灌浆圈渗透系数不发生变化的情况下，固结灌浆圈修筑的厚度与衬砌外水压力将呈现反比的趋势；而衬砌的渗透系数数值越大，衬砌的外水压力降低的程度就愈大。在保持固结灌浆圈修筑厚度，围岩以及衬砌的渗透系数保持不变的情况下，固结灌浆圈渗透系数将与衬砌外水压力呈正比状态。在固结灌浆圈修筑厚度，围岩以及衬砌的渗透系数保持不变的情况下，衬砌的渗透系数愈小，固结灌浆所在实际工程项目中呈现的效果就愈不突出，而作用在衬砌的外水压力则会愈大。

2.3 排水孔分析

在本工程项目中排水孔的设计主要参考两个方面进行计算，其一是仅考虑固结灌浆的作用，其二是同时考虑固结灌浆和排水孔的作用，并且设定排水孔直径为5cm、入岩尺寸为0.5m、间隔设置为3m，为了更好地验证排水孔上述各尺寸中数据，本研究将使用ABAQU软件进行建模计算分析。在计算中对排水孔进行空气单元的建模分析，并将模型转为二维，其中各部位的计算参数如表1所示。

其中计算的边界计算条件为设定外水水头为1400m，并在围岩的四周设置水头边界，将上表面水头值固定为0m、底边界水头固定为2800m、双侧为线性水头；进行衬砌的开挖后不予内水压因素的考虑，设定二衬表面水位设置为0m。

若不进行排水孔及固结灌浆等因素的考虑时，作用在衬砌的外水压力最大值约为8.38Mpa，即其水头数值为838m，此时的折减系数将为0.6。若考录到排水孔因素，作用在衬砌的外水压力值将为8×10-4Mpa，即其水头数值为0.08m，此时的折减系数将为0，折减效果较为显著。这说明固结灌浆在高外水压力作用下不能将外水压力折减到钢筋混凝土衬砌的适用范围，因此增加排水措施具有重要的作用。

表1 模拟计算中各计算参数

表2 衬砌以及围岩物理力学参数

3.外水压力作用下的衬砌结构分析

无论采用何种方式进行衬砌的外水压力分析，均需要将外水压力转化为面进行相关的计算。围岩在进行荷载分析时仅需要进行抗压弹性模拟即可；围岩及衬砌通常只需要将混凝土单轴抗压强度作为计算的主要数据，并分别在考虑与不考虑接触的条件下，通过平面有限元分析的方式计算衬砌所能够承受的最大外水压力值。衬砌以及围岩物理力学参数数值如表2所示。

在不考虑接触条件下外水压力位3.79Mpa时、在考虑接触条件下外水压力位1.32Mpa时，混凝土的最大外水压力可达到单轴抗压的强度。因此，在不考虑围岩以及衬砌发生接触因素将导致放大衬砌结构可承担外水压力的水平。

4.结论

通过本次研究发现，衬砌的外水压力主要与围岩、固结灌浆圈以及衬砌渗透性具有紧密的联系，其中对外水压力影响最大的因素为衬砌的渗透性；通过增加固结灌浆圈的厚度能够有效地降低衬砌的外水压力，而且发生的折减效果与衬砌渗透性具有密切的联系；排水孔消减衬砌外水压力的成效优于固结灌浆圈的构筑厚度，因此在设计中应以深固结灌浆联合浅排水孔的方式为核心，在降低衬砌外水压力时又能降低渗透率，从而有效地保护环境。