一種新型異形橢圓無壓隧洞斷面的水力學(xué)分析

武周虎, 王 瑜, 祝帥舉,2

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河南 鄭州 450044)

水工隧洞的斷面形狀是影響其水流條件、過流能力、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及施工設(shè)計(jì)的重要因素。有壓隧洞宜采用圓形斷面，無壓隧洞宜采用圓拱直墻式斷面，若地質(zhì)條件差，或洞軸線與巖層夾角偏小，宜選用圓形或馬蹄形斷面[1-2]。馬蹄形包括標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形[3-4]、馬蹄形(Ⅰ型，Ⅱ型，Ⅲ型，特型)[5-7]、平底馬蹄形(Ⅰ型，Ⅱ型，特型)[7-9]；還有蛋形包括半橢圓與半圓的上下組合型[10]、四圓弧蛋形[11]和六圓弧蛋形(Ⅰ型，Ⅱ型)[12-13]等形式；再有二圓弧仰拱曲墻式大斷面水工隧洞[14]等形式。除圓形斷面外，其他隧洞斷面內(nèi)輪廓線都是由圓弧、橢圓弧和直線等多段線采用相交或相切形式組合而成。

在隧洞斷面設(shè)計(jì)中，圍巖介質(zhì)和初始地應(yīng)力場(chǎng)等邊界條件是客觀存在不能改變，若水平地應(yīng)力大于垂直地應(yīng)力，宜采用高度小而寬度大的斷面；若垂直地應(yīng)力大于水平地應(yīng)力，宜采用高度大而寬度小的斷面，可以調(diào)整隧洞斷面的幾何形狀、尺寸等參數(shù)，以改善圍巖的應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性狀態(tài)[15-16]。雖然在這些隧洞斷面內(nèi)輪廓線的相交點(diǎn)處曲線連續(xù)，但一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)；在相切點(diǎn)處曲線連續(xù)、可導(dǎo)，但一階導(dǎo)數(shù)不光滑、二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。在相交和相切點(diǎn)處都將發(fā)生曲線的曲率突變，且在斷面內(nèi)輪廓線相交點(diǎn)處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)內(nèi)力的極大值，受力條件變差[16]。這些隧洞斷面形式的組合方式多樣，內(nèi)輪廓線形式復(fù)雜，水力設(shè)計(jì)的分區(qū)與計(jì)算公式煩瑣，又各不相同，缺乏設(shè)計(jì)與建造的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。……