高外水壓力下水工隧洞設計理念的初步探討

◎ 高鑫 新疆水利水電勘測設計研究院

1.工程概況

某水電站工程水庫的正常蓄水位為2000m，設計洪水位為2000m、校核洪水位為2003.5m；水電站的裝機容量為5×300MW，水電站多年發電量均值為51.5×108kWh。防洪建筑中右岸的水平旋轉內消能泄洪洞是通過原有導流洞建筑改造而成，由進水口、豎井、旋轉內消能段、水墊塘段以及退水洞段所構成。其中旋轉內消能段設計水頭為110m，在工程的校核水位條件下的泄洪流量可達到1060m3/s；此段總長度為50m，建筑的斷面呈現為圓形，直徑為10.5m，原導流洞結構斷面為長方形，尺寸為15m（h）×12m（w）。水墊塘段與旋轉內消能段連接部位斷面為圓漸變方形的形式，水墊塘段的長度為50m，由前段套襯厚度為0.5m的鋼筋混凝土改造，結構的斷面為長方形，尺寸14m（h）×11m（w）。水墊塘段后部經過收縮后與導流洞相連接，而導流洞則被作為退水洞。

2.高外水壓力對水工隧道的影響因素

2.1 滲透系數分析

本工程中引水隧洞的滲透系數只考慮固結灌漿圈與襯砌，其中襯砌的內徑為3.5m，外徑為4.5m；固結灌漿圈的厚度為6m。將外水水頭假設為150m，襯砌的外水計算公式可以表示為：

式中：p—表示襯砌外水壓力數值；γW—表示水容重；H—表示外水的水頭；r0—表示襯砌的內徑尺寸；r1—表示襯砌的外徑尺寸；rg—表示固結灌漿圈外徑尺寸。

在保持圍巖及固結灌漿圈滲透系數不發生變化的情況下，襯砌上的外水壓力將與襯砌滲透系數呈現反比的關系；襯砌的滲透系數不斷增加的情況下，外水壓力的減小變化情況也會增加；在襯砌的滲透系數不發生變化的情況下，固結灌漿圈以及圍巖的滲透系數將呈現增長趨勢，并且其作用在襯砌的外水壓力也將增加。當圍巖以及襯砌滲透系數不發生變化的情況下，固結灌漿圈滲透系數將與襯砌的外水壓力呈正比的關系；隨著固結灌漿圈滲透系數的增加，其外水壓力的增長變化情況也會降低。

2.2 固結灌漿圈厚度分析

在本工程中，通過將固結灌漿圈的厚度不斷的增加可獲得其余作用在襯砌的外水壓力之間的關系。固結灌漿圈不同厚度對襯砌的外水壓力影響如圖1所示。

圖1 固結灌漿圈不同厚度對襯砌的外水壓力影響

（1）固結灌漿圈的滲透系數=1.0×10-6

（2）固結灌漿圈的滲透系數=5.0×10-7

（3）固結灌漿圈的滲透系數=1.0×10-7

根據圖1顯示，在保持圍巖及固結灌漿圈滲透系數不發生變化的情況下，固結灌漿圈修筑的厚度與襯砌外水壓力將呈現反比的趨勢；而襯砌的滲透系數數值越大，襯砌的外水壓力降低的程度就愈大。在保持固結灌漿圈修筑厚度，圍巖以及襯砌的滲透系數保持不變的情況下，固結灌漿圈滲透系數將與襯砌外水壓力呈正比狀態。在固結灌漿圈修筑厚度，圍巖以及襯砌的滲透系數保持不變的情況下，襯砌的滲透系數愈小，固結灌漿所在實際工程項目中呈現的效果就愈不突出，而作用在襯砌的外水壓力則會愈大。

2.3 排水孔分析

在本工程項目中排水孔的設計主要參考兩個方面進行計算，其一是僅考慮固結灌漿的作用，其二是同時考慮固結灌漿和排水孔的作用，并且設定排水孔直徑為5cm、入巖尺寸為0.5m、間隔設置為3m，為了更好地驗證排水孔上述各尺寸中數據，本研究將使用ABAQU軟件進行建模計算分析。在計算中對排水孔進行空氣單元的建模分析，并將模型轉為二維，其中各部位的計算參數如表1所示。

其中計算的邊界計算條件為設定外水水頭為1400m，并在圍巖的四周設置水頭邊界，將上表面水頭值固定為0m、底邊界水頭固定為2800m、雙側為線性水頭；進行襯砌的開挖后不予內水壓因素的考慮，設定二襯表面水位設置為0m。

若不進行排水孔及固結灌漿等因素的考慮時，作用在襯砌的外水壓力最大值約為8.38Mpa，即其水頭數值為838m，此時的折減系數將為0.6。若考錄到排水孔因素，作用在襯砌的外水壓力值將為8×10-4Mpa，即其水頭數值為0.08m，此時的折減系數將為0，折減效果較為顯著。這說明固結灌漿在高外水壓力作用下不能將外水壓力折減到鋼筋混凝土襯砌的適用范圍，因此增加排水措施具有重要的作用。

表1 模擬計算中各計算參數

表2 襯砌以及圍巖物理力學參數

3.外水壓力作用下的襯砌結構分析

無論采用何種方式進行襯砌的外水壓力分析，均需要將外水壓力轉化為面進行相關的計算。圍巖在進行荷載分析時僅需要進行抗壓彈性模擬即可；圍巖及襯砌通常只需要將混凝土單軸抗壓強度作為計算的主要數據，并分別在考慮與不考慮接觸的條件下，通過平面有限元分析的方式計算襯砌所能夠承受的最大外水壓力值。襯砌以及圍巖物理力學參數數值如表2所示。

在不考慮接觸條件下外水壓力位3.79Mpa時、在考慮接觸條件下外水壓力位1.32Mpa時，混凝土的最大外水壓力可達到單軸抗壓的強度。因此，在不考慮圍巖以及襯砌發生接觸因素將導致放大襯砌結構可承擔外水壓力的水平。

4.結論

通過本次研究發現，襯砌的外水壓力主要與圍巖、固結灌漿圈以及襯砌滲透性具有緊密的聯系，其中對外水壓力影響最大的因素為襯砌的滲透性；通過增加固結灌漿圈的厚度能夠有效地降低襯砌的外水壓力，而且發生的折減效果與襯砌滲透性具有密切的聯系；排水孔消減襯砌外水壓力的成效優于固結灌漿圈的構筑厚度，因此在設計中應以深固結灌漿聯合淺排水孔的方式為核心，在降低襯砌外水壓力時又能降低滲透率，從而有效地保護環境。