浅埋压力隧洞抗裂设计数值模拟分析.pdf

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1、第31卷第12期长江科学院院报Vo1．3lNo．122014年12月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteDec．2014DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2014．12．016浅埋压力隧洞抗裂设计数值模拟分析刘阳(吉林省水利水电勘测设计研究院，长春130021)摘要：纵观国内已建大型工程的浅埋压力隧洞，采用抗裂式预应力衬砌形式居多，而对于长距离引水隧洞，如果大范围采用该形式则投资过高。基于裂隙岩体渗流场一应力场耦合理论的有限元方法，对浅

2、埋压力隧洞内水外渗进行数值模拟分析，同时考虑了围岩固结灌浆、地下水位、渗流场变化对围岩的影响，反映了隧洞在开挖、充水、加压过程中围岩应力的变化。验证了孔隙水压力的增减均引起岩体有效应力的减小，岩体呈失稳趋势。围岩覆盖厚度越厚，承担荷载的能力越大。以吉林省中部引松供水工程为例，得出了长距离浅埋引水压力隧洞是否采用抗裂设计，需要结合高压水发生的频率、渗漏量、固结灌浆对提高围岩抗渗性能、岩体渗透压力、有效应力、岩体结构、是否存在排水通道、控制岩体渗漏失稳的状态等因素进行综合分析，确定隧洞衬砌形式。研究结果可为合理确定抗裂设计

3、区段、合理选择隧洞衬砌形式和隧洞埋深提供依据。关键词：长距离引水；吉林省中部引松供水工程；浅埋压力隧洞；渗流一应力耦合；抗裂设计；数值模拟中图分类号：TV672．1文献标志码：A文章编号：1001—5485(2014)12—0078—05没有必要，根据工程特点，靠近河流，有排水出路的地带，隧洞外渗的水成为了河谷的补充水源，对维持河1研究背景流中的生态平衡十分有利J。近30a来国内浅埋压力隧洞工程建设较多，研河谷浅埋段压力隧洞合理的衬砌形式及岩石最究和建设水平已近世界前沿。代表性大型工程如黄小埋深的研究至关重要。本文以吉

4、林省中部引松供河小浪底排沙洞(最大内水水头120in、洞径6．5m)、水工程穿越某河谷段隧洞为例，计算分析河谷浅埋段天生桥一级水电站引水隧洞(最大内水水头100．44～隧洞的受力特点、隧洞开挖支护、充水后的渗流场变122．93m、洞径9．6m)、隔河岩水利枢纽引水隧洞(最化，以期降低造价，为合理选择隧洞衬砌形式，提供依大内水水头94rn、洞径9．5m)、辽宁大伙房引水工程据。(最大内水水头55m、洞径6m)、南水北调穿黄工程(最大内水水头511TI、洞径7m)。以上工程的隧洞在2隧洞设计及其需解决的问题上覆岩体覆盖厚度

5、较薄、河谷段或防渗帷幕下游时，隧洞衬砌均采用抗裂设计的有黏结或无黏结预应力吉林省中部城市引松供水工程总干线全长110衬砌形式，且区段较长，投资较高。km，从丰满水库引水，由隧洞、预应力涵及管道组对长距离引水压力隧洞，非全线压力均处于高值成，其中隧洞长97．5km。60％为Ⅲ类围岩，洞径状态，在内水压力不是非常大的情况下，隧洞穿越河6．6m，其中穿越河谷及浅埋洞段长约30km。谷及浅埋段较多时，全部采用抗裂设计会导致工程投本文研究的河谷段隧洞岩石埋深20～30m(不资成倍增加。另外，河谷段隧洞如出现长时间较大降含全、强风

6、化岩石)，全长923m，实测地下水水位为雨，或隧洞充水后，内水外渗，在衬砌外缘都将产生高洞顶以上28～40m(隧洞开挖前的地下水位线)，最于地下水位静水头的外水压力，当隧洞突然放空，衬大内水压力0．5MPa。砌裂缝闭合，外水内渗受阻，衬砌外缘会有很大的外隧洞穿越的地层为侏罗系下统南楼山组凝灰水压力¨J。单层抗裂衬砌形式(预应力衬砌与钢板岩。洞室部位岩石为弱一微风化状态。微风化岩石衬砌等)，在抵抗外水压力上并不具备优势。因此，长饱和抗压强度60MPa，弱风化岩石饱和抗压强度30距离引水浅埋段隧洞全部采用严格限裂或抗裂设计

7、MPa。洞室岩体完整性系数0．31～0．56，属Ⅲ和Ⅳ收稿日期：2014—04—02；修回日期：2014—06—30作者简介：刘阳(1974一)，女，吉林公主岭人，高级工程师，硕士，从事水工地下洞室结构方面设计研究工作，(电话)0431—85622851(电子信箱)sunny一2099@163．tom。第12期刘阳浅埋压力隧洞抗裂设计数值模拟分析81计算，衬砌外缘渗流量在30．5—80L／(S·km)范围变厚度设计。灌浆质量好坏，也就是灌浆后渗透系数化。推求上游丰满水库相应水位约为260．07m，据统提高的数量级，对减

8、少渗漏量至为重要。计1956-2010年长系列丰满水库水位实测值_24J，频(3)当隧洞在开挖过程中遇见断层或者是隧洞率为16％，历史上超越此值的连续天数为210d(1956外侧(即临山谷一侧)出现平行于隧洞的断层或夹年)。层时，应特别慎重，以避免地下水位的上升造成山体4．4岩体有效应力及最小埋深分析滑坡等事故。从计算可以看出，隧