水利工程中壓力隧洞型式的研究

歐陽(yáng)湖　李國(guó)忠

摘要:水工壓力隧洞的埋設(shè)深度決定其施工工期的長(zhǎng)短和造價(jià)的高低。若能將隧洞內(nèi)的水壓力荷載傳遞到巖體內(nèi),而不引起巖石滑移或涌水的危險(xiǎn),則隧洞距地表面的距離即為壓力隧洞的最小埋深。在工程實(shí)踐中,確定埋深不大的壓力隧洞的襯砌型式及參數(shù)應(yīng)仔細(xì)研究山巖巖體的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),其最終方案的選擇必須進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值研究。

關(guān)鍵詞:水利工程;水工建筑物;隧洞設(shè)計(jì);原理分析;計(jì)算

水工壓力隧洞距地表的距離究竟相對(duì)靠近到什么程度?其主要取決于水利樞紐布置中各主要建筑物的相互位置、地勢(shì)低洼地段隧洞的橫斷面尺寸以及其它因素,其中,盡量減少隧洞的建筑工程量最為重要。

1 選擇壓力隧洞型式的前提

設(shè)計(jì)壓力隧洞的主導(dǎo)思想:是保證能將水壓力引起的荷載盡可能大的部分(最好是全部)傳遞給周圍的山巖巖體。高水頭隧洞推廣采用無(wú)承力襯砌型式,在巖石破碎地段建造的混凝土或鋼筋混凝土襯砌,旨在用來(lái)保證隧洞開挖和運(yùn)行時(shí)巖體的穩(wěn)定性,并不承受水壓力。這種觀點(diǎn)是基于對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的考慮——混凝土或鋼筋混凝士襯砌不可能承受很大的拉應(yīng)力,襯砌中裂縫的形成,促使將水壓力的主要部分傳遞給巖體,而襯砌材料則只能為該隧洞段創(chuàng)造有利的水力學(xué)條件,并在某種程度上減少其滲流量。在隧洞泄空的情況下,則恰恰相反,裂縫閉合,襯砌結(jié)構(gòu)能承受山巖的壓力。在設(shè)計(jì)時(shí),考慮這一實(shí)際情況,就有可能采用更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。若遇到不可能將水壓力的主要部分傳遞給巖體的情況,則采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌或承力鋼板襯砌。當(dāng)壓力隧洞接近地面時(shí),在相當(dāng)堅(jiān)固的巖石中,必須采用這樣的襯的方式,將有可能縮短工期,降低工程造價(jià)。

2 無(wú)襯砌壓力隧洞的最小埋深計(jì)算分析

壓力隧洞的最小埋深指的是,若能將隧洞內(nèi)的水壓力荷載傳遞到山巖巖體,而不致引起巖石滑移或涌水的危險(xiǎn),則隧洞距地表面的距離,即為壓力隧洞的最小埋深。實(shí)際上,是指無(wú)襯砌壓力隧洞的最小允許埋設(shè)深度。下面以某埋深不大的壓力隧洞附近山巖巖體應(yīng)力——變形狀態(tài)的分析成果,作為具體實(shí)例進(jìn)行研究。該壓力隧洞內(nèi)徑9.5m,水頭為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(至隧洞的頂拱)為36m。該洼地是一個(gè)山谷隘口,兩側(cè)與水平面的坡度分別為26°和46°。山巖巖體由弱泥質(zhì)密實(shí)的層狀石灰?guī)r組成,層厚0.4m～0.8m。巖層隧洞軸線對(duì)水平面的傾角為6°,在垂直于隧洞縱軸的平面內(nèi),巖層對(duì)水平面的傾角為65°。順層理的巖體變形模量采用E11=7000MPa:垂直于層理的巖體變形模量E⊥=3600MPa,泊桑比V=0.2,由于是空間結(jié)構(gòu),故利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序以有限元法求解。

計(jì)算區(qū)域的尺寸(考慮采用的對(duì)稱條件)選擇是沿隧洞軸線400m,水平方向距隧洞軸線200m,高400m(考慮地形情況)。對(duì)于有限元法標(biāo)準(zhǔn)的限制條件——各節(jié)點(diǎn)的水平位移限制在其下部的水平面內(nèi),計(jì)算區(qū)域包括936個(gè)等參數(shù)單元和1972個(gè)節(jié)點(diǎn)。在開挖輪廓附近,利用二次單元隨后轉(zhuǎn)移到一次單元。所采用的計(jì)算區(qū)域的對(duì)稱性假定,不可能考慮巖體的實(shí)際結(jié)構(gòu)。因此,對(duì)與對(duì)稱條件不矛盾的兩種極限——巖石具有垂直和水平層理的情況進(jìn)行了分析。為了進(jìn)行比較,對(duì)變形模量平均值E=5300MPa的各向同性巖體也進(jìn)行了分析研究。對(duì)于最小埋深段的隧洞斷面的平面變形條件進(jìn)行了驗(yàn)算。這一算題是在非線性布置情況下解算的。對(duì)于山巖巖體,采用了橫向——均質(zhì)材料的綜合性彈塑模型,該模型遵守庫(kù)侖-摩爾塑性流(破壞)準(zhǔn)則,計(jì)算中,巖石的有關(guān)參數(shù)采用以下值,粘著力C=1MPa,內(nèi)摩擦角40°,抗拉強(qiáng)度極限Rt=2MPa。對(duì)于層理接觸面,取C=0.4MPa,Φ=31°。

在巖體力學(xué)性能各相同性的情況下,埋深最小的隧洞其未來(lái)襯砌頂拱點(diǎn)處沒(méi)有受到損壞的巖體的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)為,σmin=-2.1MPa,σmax=-0.97MPa;在巖體各向異性情況下,未來(lái)襯砌頂拱點(diǎn)處未損壞巖體的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)為:巖層呈垂直狀時(shí),σmin=-2.25MPa,σmax=-1.35MPa;巖層呈水平狀時(shí),σmin=-2.17MPa,σmax=-1.5MPa。巖體中的上述應(yīng)力值表明,考慮地形的影響十分重要。要知道,對(duì)于平面問(wèn)題來(lái)說(shuō),相應(yīng)的最小應(yīng)力值σmin=-0.94MPa。以上所求得的巖體中的自然應(yīng)力值,是設(shè)計(jì)階段用來(lái)決定能否在無(wú)襯砌條件下保留該隧洞作為壓力隧洞的充分依據(jù)(σmin=-2.1MPa,其絕對(duì)值大于P=1.6MPa)。

在研究的主要部份,考慮隧洞襯砌不承受水壓力,而將水壓力全部傳遞給巖體。也不考慮隧洞襯砌附近巖石灌漿區(qū)的存在--巖石灌漿區(qū)擬作為安全余量。各種計(jì)算情況下的塑性變形區(qū)的范圍(即隧洞最小埋深段,巖石中可能的裂縫開展區(qū))。數(shù)值研究成果的分析表明,在隧洞內(nèi)的水壓力作用下,巖石中可能發(fā)生破壞區(qū)的大小,由巖體的應(yīng)力狀態(tài)決定,而與巖石的強(qiáng)度指標(biāo)無(wú)關(guān)。然而,有理由作出推測(cè);與計(jì)算情況相比,從定性上講,所進(jìn)行的巖石灌漿多少會(huì)減少可能破壞區(qū)的范圍。增加隧洞的埋深,將導(dǎo)致塑性變形區(qū)范圍縮小,并使其尺寸穩(wěn)定在距開挖輪廓線1.3m～1.5m范圍內(nèi)(巖石強(qiáng)度參數(shù)值為零時(shí),則為2.5m)。

在此情況下,考慮了隧洞中具有厚80cm,含筋率為1%的鋼筋混凝土襯砌。襯砌中徑向裂縫張開,一部分力由鋼筋承擔(dān),而另一部分力則傳遞給巖體,則巖石塑性變形區(qū)的最大發(fā)展范圍達(dá)7m。如果不考慮襯砌,則所進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果證明,塑性變形區(qū)有可能在垂直方向擴(kuò)展到距開挖輪廓線達(dá)10m的范圍。因此,在最壞的計(jì)算情況下,隧洞上部巖石仍保留有很大范圍(不小于26m)的受壓區(qū),因而在所研究的情況下,可以采用無(wú)襯砌壓力隧洞完全承受水壓力。

對(duì)數(shù)值研究結(jié)果,其中包括一些中間性資料(利用初始應(yīng)力法的特有加速方案得到的非線性解,在某種程度上使巖體加載)進(jìn)行的分析表明,使很大范圍的巖體參加受力,在水壓力的作用下,開挖輪廓內(nèi)的巖體將發(fā)生應(yīng)力重分配現(xiàn)象。巖石可能破壞區(qū)的大小,不允許根據(jù)彈性問(wèn)題的解答結(jié)果進(jìn)行評(píng)估(例如,采用拉應(yīng)力區(qū)等同于可能破壞區(qū)),因?yàn)殡S著破壞區(qū)的發(fā)展,將會(huì)大大改變巖石的應(yīng)力狀態(tài)。因此,在此情況下,破壞區(qū)將停止發(fā)展,在比這更大的水壓力作用下,達(dá)到平衡狀態(tài),這可以由彈性問(wèn)題求解。因?yàn)樵诼裆钕鄬?duì)不大的深處,巖體的應(yīng)力狀態(tài)在很大程度上取決于地形條件和巖體的結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)時(shí)考慮此因素極其重要。

3 結(jié)語(yǔ)

在工程實(shí)踐中,確定埋深不大的水工壓力隧洞的襯砌型式及參數(shù)的意義十分重大。因此在論證時(shí),應(yīng)仔細(xì)研究山巖巖體的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。至于最終方案的選擇,必須進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值研究。這就要依靠掌握專業(yè)技術(shù)的工作人員和先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)了。