研究内水压力下水工隧洞衬砌及围岩承载特性

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1、研究内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性摘要：内水压力是作为水工隧洞主要组成部分衬砌与围岩承担的荷载之一，通过设立计算模型，判断则以衬砌与围岩之间的应力状态为标准，分析了衬砌开裂前后变形模量和渗透系数对衬砌与围岩联合承载特性的作用，并详细介绍了透水衬砌的计算过程和设计方法，编制配筋设计程序和透水衬砌结构计算。根据计算验证结果得出，渗透系数和围岩变形模量是隧道结构设计的关键，围岩变形量越低，衬砌与围岩就越容易脱离；衬砌与围岩在混凝土开裂后也更容易脱离。最终选择钢筋混凝土衬砌方案里作为结构设计方法，可以减少钢材用量，另外在

2、隧道设计施工过程中，需要细致的固结灌浆，并保证围岩的完整性，以此来强化围岩抗渗能力。关键词：内水压力;水工隧洞衬砌;围岩承载特性中图分类号：tu74文献标识码：a文章编号：1前言水工隧洞经过多年发展，逐渐对衬砌与围岩的联合承载机理和水荷载作用形式等几个方面有了较为深入的研究，传统的钢板衬砌结构在处理近年出现的高内压、大直径的引水隧道时存在运输、拼装和焊接等各种困难且刚才消耗量很大，因而适时提出了透水衬砌理论，该理论认为：隧洞设计以围岩为主体；衬砌混凝土作为透水介质，主要起平整水流、减小糙率和保护围岩等作用；覆盖层厚度和

3、水力劈裂设计要求与不衬砌隧洞相同。笔者通过设立计算模型，判断则以衬砌与围岩之间的应力状态为标准，分析了衬砌开裂前后变形模量和渗透系数对衬砌与围岩联合承载特性的作用，并详细介绍了透水衬砌的计算过程和设计方法，编制配筋设计程序和透水衬砌结构计算。2计算模型和方案2.1计算模型某水电站的发电引水隧洞采用圆形衬砌断面，开挖直径为8.5ｍ，衬砌厚度为0.5ｍ，检修期外水水头为124ｍ，外水折减系数为0.5．据此建立的断面计算模型中采用右手法则构造三维直角坐标系：水平向右为ｘ轴正方向（面向上游），铅垂向上为ｙ轴正方向，指向上游方向

4、为ｚ轴正方向．ｘ方向范围为－65.00～65.00ｍ，ｙ方向范围为-65.00～65.00ｍ，ｚ方向范围为0.00～10.00ｍ，如图１所示．围岩类别为ⅳ类，衬砌混凝土标号为ｃ２５，具体材料参数详见表１．2.2计算方案为分析衬砌与围岩联合承载作用机理，针对检修期外水作用下的发电引水隧洞，制定了如表２的计算方案．在表２中，模型１（衬砌模型如图２所示）由衬砌单独承担外水压力．模型２采取整体模型作为计算模型（衬砌与围岩交界面上满足位移连续条件），除上表面外各边界上均加以法向位移约束，通过降低临近衬砌的围岩单元的变形模量，以模

5、拟衬砌与围岩的联合承载作用．模型３在在衬砌与围岩之间设置薄层单元（厚度较小的实体单元），通过改变薄层单元的抗拉强度，量化反映衬砌与围岩有条件联合承载能力，其中薄层模型如图３所示．3.衬砌与围岩联合承载特性3.1混凝土开裂前混凝土开裂前，可根据隧洞水力连续方程得到衬砌外表面的渗透水压力为：，混凝土开裂前假定衬砌与围岩接触良好，建立衬砌与围岩接触边界上的位移连续方程，可以得到衬砌与围岩间的相互作用力pr，推导过程略。当rp>0时，表示衬砌与围岩之间为压应力；当rp<0时，表示衬砌与围岩之间为拉应力；rp=0则表示衬砌与围岩

6、间无相互作用力。同时，从式（2）可以看出，围岩与衬砌间接触作用力pr与围岩变形模量er、泊松比rµ，混凝土弹模ec、泊松比cµ、围岩渗透系数rk、衬砌渗透系数kc、围岩渗透半径r、衬砌厚度参数21t=r/r等有关。本文取围岩泊松比rµ=0.22，混凝土泊松比cµ=0.167，渗透半径r=102r[3]，具体分析如下：临界*n的计算。假定围岩与衬砌之间黏结力等于0，则令rp=0可以计算得到此时衬砌外表面与内表面水压力之比，(记为*n)。根据不同er/ec，依次选取er/ec

7、=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，取kc/kr＝0.01进行对临界点处的*n的分析，详见图4。从图10可以看出，混凝土开裂前，当re/ce不变时，随着衬砌厚度参数21t=r/r的增加，临界*n逐渐减小；当er/ec=0.4，t从1.05增加到1.4时，临界*n从0.864mpa降低到了0.437mpa，降低了49.4%；t相同时，随着er/ec的增加，临界*n逐渐增加，当t=1.25，er/ec从0.2增加到1.0时，临界*n从0.385mpa增加到了0.761mpa，增加了97.7%，说明围岩硬度与衬砌越大时

8、，两者脱开的可能性越小（当围岩与衬砌间的拉力超过两者间的粘结强度时，衬砌与围岩脱开）。3.2混凝土开裂后临界*n的计算。混凝土开裂后，根据衬砌与围岩接触面上的位移连续方程，rp计算式为由于混凝土开裂后衬砌内水流呈线性分布，围岩承当了大部分的水压力，衬砌与围岩之间的接触状态变得更加复杂。令rp=0可以得到衬砌开裂后衬砌与围岩联合承载