防滲帷幕上游無(wú)壓隧洞的設(shè)計(jì)分析

肖 劍，唐全民

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽(yáng)，618000)

?

防滲帷幕上游無(wú)壓隧洞的設(shè)計(jì)分析

肖 劍，唐全民

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽(yáng)，618000)

在水利樞紐工程中，放空隧洞進(jìn)口位于庫(kù)區(qū)內(nèi)，致使隧洞前段多位于樞紐防滲帷幕之前。水庫(kù)蓄水后，位于帷幕灌漿線上游的洞室段承受高水頭的外水壓力，又不能通過(guò)排水措施進(jìn)行降壓，造成隧洞的理論襯砌厚度很大或配筋及抗裂驗(yàn)算無(wú)法滿足要求。通過(guò)不同方法對(duì)襯砌進(jìn)行計(jì)算分析，得到了更符合工程實(shí)際情況的成果。

無(wú)壓隧洞 外水壓力 圍巖 分載

1 工程概況

水工隧洞是水利水電工程中一種主要的輸水結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)其流態(tài)及工作情況可分為無(wú)壓隧洞及有壓隧洞，在水利工程中，導(dǎo)流、放空及取水輸水常用的還是無(wú)壓隧洞型式。

二龍灘水庫(kù)壩址位于南廣河左岸支流二夾河中游，高縣西北部可久鎮(zhèn)金龍村月亮沱，距高縣縣城約20km。水庫(kù)集水面積148.0km2，最大壩高50.0m，正常蓄水位416.00m，總庫(kù)容1148×104m3，是一座中型水利樞紐工程。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)是農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水等綜合利用。

水庫(kù)樞紐工程主要由攔河大壩、泄洪隧洞、放空(導(dǎo)流)隧洞和取水隧洞等建筑物組成。

樞紐工程放空隧洞布置于大壩右岸山體內(nèi)，其位置靠近大壩，進(jìn)水口位于大壩軸線上游約120.0m，由引渠段、進(jìn)口有壓段、閘門豎井段、無(wú)壓段和出口消能段組成。引渠段為矩形斷面，斷面尺寸13.0m×11.44m(寬×高)。進(jìn)口有壓段長(zhǎng)35.0m，底板高程388.0m，平底坡，斷面型式為矩形，斷面尺寸5.0m×7.44m。豎井后采用“龍?zhí)ь^”的形式與施工導(dǎo)流隧洞銜接。無(wú)壓隧洞斷面型式為城門洞型，底坡1∶40，洞身斷面尺寸為5.0m×7.44m，隧洞頂拱采用C30混凝土襯砌，襯砌厚度0.6m。

隧洞沿線地層分別為：(J2S④)之砂巖，屬堅(jiān)硬巖類，巖體較完整，圍巖分類以Ⅲ類為主，但局部裂隙密集處巖體層間結(jié)合力差；(J2S⑤)之粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層夾薄層砂巖，為軟巖類，巖體完整性差～較完整，屬Ⅳ類圍巖，砂泥巖層間結(jié)合力差。

隧洞沿線天然地下水位均低于隧洞底板。

圖1 隧洞縱剖面

2 荷載工況

2.1 工況分析

無(wú)壓隧洞的主要荷載為外水壓力+圍巖壓力+襯砌自重。

普通無(wú)壓隧洞在水面以上一般均設(shè)置了排水孔，可結(jié)合圍巖地下水水位情況對(duì)外水壓力進(jìn)行折減。本工程由于原始地下水位較低，結(jié)構(gòu)面的滲水情況往往很少，與水庫(kù)蓄水后的情況是存在很大差異的，在隧洞襯砌計(jì)算時(shí)，采用開(kāi)挖揭示的地質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行外水壓力的折減是不符合實(shí)際情況的。

在其它工程曾出現(xiàn)過(guò)以下這種情況，在帷幕上游無(wú)壓隧洞段，隧洞水面線以上設(shè)置了排水孔，以降低外水壓力作用，但在運(yùn)行過(guò)程中排水孔出現(xiàn)射流水情況，對(duì)工程的外觀形象及安全均造成影響。本工程在帷幕上游段取消洞頂排水孔。根據(jù)隧洞的運(yùn)行工況，水庫(kù)蓄水后，在閘門正常擋水的情況下，此時(shí)隧洞承受外水壓力最大，內(nèi)水壓力為零，為最不利工況。

2.2 荷載分析

在無(wú)壓隧洞的襯砌計(jì)算中，外水壓力往往是控制性的荷載，但外水壓力的確定一直是一個(gè)令人很困擾的問(wèn)題?，F(xiàn)行的隧洞規(guī)范均是根據(jù)開(kāi)挖揭示的地下水情況，采用折減系數(shù)的方法來(lái)確定外水壓力。

帷幕上游隧洞受水庫(kù)蓄水影響，無(wú)法采用洞外排水設(shè)施降低外水壓力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多按隧洞以上至水庫(kù)正常蓄水位的全水頭計(jì)算外水壓力，本工程帷幕上游最大水頭H為42.7m。

采用平面有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算分析。根據(jù)計(jì)算，帷幕上游隧洞外水水頭為40.7m，與實(shí)際采用的全水頭42.7m差別不大。帷幕后外水水頭為17.7m，約為0.4H，實(shí)際工程中由于繞滲等因素，帷幕后水頭應(yīng)該更大一些(0.5～0.7H)。

由于外水壓力太大，與其相比，圍巖壓力荷載所占比重很小，規(guī)范也給出了明確的估算公式，在此不再贅述。

圖2 水頭等值線圖

3 結(jié)構(gòu)分析

采用襯砌邊值問(wèn)題的數(shù)值解法進(jìn)行隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算。

表1 配筋成果表

由于承受外水壓力，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)向洞內(nèi)方向變形，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算時(shí)，無(wú)法考慮圍巖的分載作用，使得全部荷載由襯砌結(jié)構(gòu)承受，計(jì)算配筋量很大，無(wú)法指導(dǎo)施工。若調(diào)整隧洞襯砌厚度，工程量增加又大。

在隧洞施工過(guò)程中，隧洞襯砌與圍巖之間均要做回填灌漿處理，以保證襯砌與圍巖之間的充分粘接，因此圍巖在隧洞襯砌中實(shí)際上具有一定的分載能力。

在襯砌與圍巖充分粘接情況下，圍巖的分載能力與其彈抗性密切相關(guān)，即與圍巖的彈模密切相關(guān)，圍巖的彈模越大，圍巖的分載能力越強(qiáng)，襯砌結(jié)構(gòu)分載減小，配筋量也會(huì)相應(yīng)降低，但常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法無(wú)法對(duì)此進(jìn)行定量分析。

并且，隧洞在開(kāi)挖過(guò)程中，無(wú)法避免會(huì)被擾動(dòng)，在巖體內(nèi)會(huì)形成一定深度的松動(dòng)圈，松動(dòng)圈彈模較未擾動(dòng)巖體會(huì)有所下降，為反映圍巖彈模對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)考慮圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)作用，采用不同松動(dòng)程度的圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋量敏感性分析，計(jì)算中松動(dòng)圈深度取2.0m。

表2 敏感性分析表

由表2可知，當(dāng)考慮襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的粘結(jié)作用時(shí)，不管松動(dòng)圈彈模減小多少，襯砌結(jié)構(gòu)配筋量都得到極大的減少。在隧洞襯砌中，保證圍巖與襯砌的共同作用對(duì)有效減小襯砌結(jié)構(gòu)工程更加有效。

4 工程措施

實(shí)際工程中，要得到圍巖被擾動(dòng)后準(zhǔn)確的力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)是十分困難的，所以也就無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行襯砌的結(jié)構(gòu)分析。因此，在高外水壓力作用又無(wú)法進(jìn)行排泄的隧洞設(shè)計(jì)中，為保證隧洞工程安全，可采用以下的處理方式。

(1)隧洞的回填灌漿應(yīng)保證質(zhì)量，使襯砌與圍巖充分接觸，緊密粘結(jié)，共同承擔(dān)外壓荷載；

(2)可使系統(tǒng)錨桿與襯砌結(jié)構(gòu)受力鋼筋連接，使圍巖與襯砌結(jié)合更加緊密，更好的發(fā)揮圍巖分載能力；

(3)對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，以保證擾動(dòng)巖體質(zhì)量，確保其具備相應(yīng)的分載能力，并適當(dāng)加大灌漿深度，使擾動(dòng)巖體與未擾動(dòng)巖體之間重新結(jié)合為一體。同時(shí)固結(jié)灌漿也能極大地減弱作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的外水荷載。

5 結(jié)語(yǔ)

隧洞的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法、計(jì)算理論做了一些假定，其使用范圍有一定局限，在特定工況下，計(jì)算成果與實(shí)際相差較大，有限元計(jì)算方法可添加更多的邊界條件，使得計(jì)算模型更貼近實(shí)際。通過(guò)二龍灘放空洞的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，圍巖與襯砌的粘結(jié)作用能很大程度上改善襯砌結(jié)構(gòu)的承力能力，采用回填灌漿、固結(jié)灌漿及錨桿等措施保證圍巖與襯砌共同受力，是減少襯砌結(jié)構(gòu)工程量的有效措施。

〔1〕SL279-2016，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社.

〔2〕熊啟筠.取水輸水建筑物叢書.隧洞[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

■

TV672.1∶TV314

B

2095-1809(2017)04-0030-03