高壓水工隧洞透水襯砌設計與優化方法

豆品鑫

【摘要】高壓水工隧洞是隧道工程中的一種特殊情況，為提高隧洞的安全性，透水襯砌的設計是十分必要的。本文就對隧洞透水襯砌的設計與優化方法展開分析，希望可以為高壓水工隧洞的施工提供幫助。

【關鍵詞】高壓水工隧洞；透水襯砌；設計；優化方法

在一般的水工隧洞設計中，混凝土襯砌通常是被當成不透水材料的，但在高壓水工條件下，如果繼續采用傳統設計方式，會造成襯砌厚度增大，施工難度、成本都會大大提升。對此，透水襯砌開始得到人們更多的認同，如何做好高壓水工隧道透水襯砌的設計與優化，成為隧洞工程的一項重要工作。

1、高壓水工隧洞透水襯砌的設計方法

1.1襯砌的開裂條件

在高壓水工隧洞中，水壓力相對較大，給襯砌產生應力作用，導致襯砌的環向應變隨著水壓力的增加而增大，當這種應變超出襯砌混凝土軸向抗拉應變，就會導致襯砌出現開裂，具體開裂條件為：，其中，代表襯砌環向應變，是襯砌混凝土設計抗拉強度值，是混凝土的彈性模量。

1.2襯砌等效滲透系數

襯砌的滲透系數與環向應變之間也是有聯系的，其計算公式為，其中，即為襯砌等效滲透系數，代表襯砌環向應變，是裂縫間隙，、是水的容重與動力粘滯系數。其中，襯砌裂縫間隙又與鋼筋直徑、配筋率等有關，具體計算公式為：，其中，d表示的是受拉鋼筋直徑，p是配筋率，α1是計算系數，通常取0.16，v是鋼筋表面形狀系數，一般螺紋鋼筋取0.7。

1.3襯砌環向應變

在高壓水工隧洞中，襯砌受力是處于變化過程中的，隨內水壓力的增加，環向應變越來越大，先表現出開裂，然后再脫離圍巖。在襯砌沒有脫離圍巖前，環向應變計算公式為：，其中，是隧洞凈水壓力，為內水壓力與地下靜水壓力之差，、分別為圍巖的泊松比與變形模量，、分別是鋼筋的彈性模量與等效厚度，是隧道襯砌后平均半徑。根據相關推論可知，襯砌最大裂縫寬度與襯砌脫離圍巖時環向應變的關系為：。

2、高壓水工隧洞透水襯砌設計的優化方法

2.1某高壓水工隧洞透水襯砌概況

以某水電站工程為例，其引水隧洞采取的是圓形斷面，襯砌混凝土強度為C25，厚度為0.4m，內水壓力設計為5.0MPa，鋼筋設計為6φ22mm，配筋率為0.57%，滲透系數為1*10-9m/s。在實際運行中，此隧洞襯砌裂縫寬度與等效滲透系數變化規律如圖1所示，從中可知，在高壓水工條件下，襯砌滲流場變化可以分為襯砌未開裂、開裂但未脫離圍巖、與圍巖脫離3個階段，其中，變化最快的是在第二階段，這與襯砌脫離圍巖后，受到的內外水壓差增加幅度減小有關。此外，此高壓水工隧洞中，襯砌開裂是在內水壓力增長到1.95MPa時開始的，與圍巖的脫離是在2.38MPa，兩數值差距只有0.43MPa，表明襯砌會在開裂后較短時間內就脫離圍巖，而襯砌設計的最大裂縫寬度0.25mm能夠承受的內水壓力也只有2.52MPa，是較容易達到的，安全性相對較低，優化設計是十分必要的。

2.2優化方法

2.2.1襯砌厚度與圍巖滲透特性的影響

在保持當前隧洞6φ22mm配筋設計的基礎上，圍巖滲透特特性為km=1*10-7-50*10-7m/s，襯砌厚度與限裂間的關系如圖2所示，從中可知：（1）在圍巖滲透系數固定不變的條件下，單單增加襯砌厚度，限裂的最大值相較于原有襯砌厚度下降幅度是十分小的，以5*10-6m/s滲透系數為例，在初始襯砌厚度基礎上增加0.3m，限裂最大值降低幅度為3%；（2）在襯砌厚度不變條件下，將圍巖抗滲特性降低，對限裂最大值可以起到較好的降低效果，比如km值從5*10-6m/s降至1*10-7m/s，限裂最大值可以降低0.25mm以下。從上述可知，在透水襯砌優化設計中，降低圍巖抗滲特性是改善襯砌抗裂設計的有效途徑，但可能會出現富余情況，且在施工技術難度、工期以及成本上是有所增加的。

2.2.2配筋率與圍巖抗滲特性的影響

在保持當前隧洞襯砌初始0.4m厚度不變的基礎上，增加配筋率對襯砌限裂設計的影響如圖3所示，從中可知：（1）隨著襯砌配筋率增加、圍巖抗滲特性的降低，襯砌的安全性會有顯著提升，且圍巖抗滲特性的影響作用更大。（2）對于透水襯砌的優化設計，聯合運用增加配筋率、降低圍巖抗滲特性的方式，襯砌限裂設計值可以降至0.25mm之下，滿足此工程對襯砌裂縫寬度的要求。

綜上，在對高壓水工隧洞的透水襯砌進行優化設計時，最合適的方式是降低襯砌最大的裂縫寬度，實現此目標的優化方法主要有提高圍巖抗滲特性、增加襯砌的配筋率，在必要條件下，可以采取增加襯砌的厚度來進行輔助，最大程度的提高限裂設計安全性，為高壓水工隧洞透水襯砌的安全使用創造良好條件。

結束語：

綜上所述，隨著現代隧洞施工技術的發展與進步，隧洞工程面臨的地質條件、外部環境更為復雜，襯砌作為隧洞的關鍵組成部門，不同類型的隧洞，對襯砌設計有著不一樣的要求，如何提高襯砌設計水平是一項十分重要的工作。高壓水工隧洞是較為常見的一種，由于內水壓力普遍較大，將襯砌當成不透水材料的設計方式是無法滿足此隧洞要求的，透水襯砌理論開始被廣泛應用到實際工程中，了解隧洞水壓增長過程中透水襯砌的受力與變化情況，掌握相應的設計方法，通過增加配筋率、降低圍巖滲透特性等優化方式，提升高壓水工隧洞襯砌設計的合理性，對隧洞施工的進步是有重要意義的。

參考文獻：

[1]李騰，蘇凱，張智敏，伍鶴皋.高壓水工隧洞透水襯砌設計與優化方法[J].巖石力學與工程學報，2017，36（S2）：4047-4053.