论有压水工隧洞最小覆盖厚度

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1、论有压水工隧洞最小覆盖厚度张有天(中国水利水电科学研究院)摘要：本文讨论了有压水工隧洞最小覆盖厚度问题。首先对现有的各种设计准则进行了介绍和讨论，从一些工程运行的实际情况说明现有确定最小覆盖厚度准则的局限性。据此提出确定有压水工隧洞最小覆盖厚度准则的建议。关键词：有压隧洞；水力劈裂；最小覆盖厚度作者简介：张有天(1933-)，男，安徽人，教授级高工，主要从事水工结构及地下工程研究。不衬砌有压隧洞的内水压力直接作用在围岩上，要使隧洞能保持稳定，并不因渗水过大而不能正常运行，必须保证隧洞有足够的埋深，使隧洞岩石覆盖厚度大于最小覆盖厚度。对混凝土或钢筋混凝土衬砌的有压隧洞，因衬

2、砌裂缝很难避免，水由裂缝渗出，作用在围岩上的水压力接近于内水压力，也有最小覆盖厚度问题。因此，最小覆盖厚度的确定是水工有压隧洞设计的一个重大问题。由于覆盖厚度不足出现事故或大量渗水的工程实例屡见不鲜，因而这一问题是水工隧洞设计人员最为关注的问题之一。1现有确定有压水工隧洞最小覆盖厚度的准则简要评述1.1上抬准则(平缓地表面)[1]设隧洞直径为2r0，洞轴线埋深为De。上抬理论认为，宽度为2r0，长度为l，高度为De的岩柱重量应大于作用在2r0×l面积上的垂直扬压力。设洞内水头为hs(坐标原点在隧洞轴线)，则有De=Fhsγ/γR或De=λhs(1)式中：γ为水的重度；γR

3、为岩体的重度；F为安全系数；λ=Fγ/γR。(1)早期上抬理论λ=2。当岩石重度为25kN/m3时，λ=2时安全系数为F=5，显然，这种设计是非常保守的。(2)美国Haas,Nantahala等许多不衬砌隧洞设计取λ=1，即认为渗水不应溢出地面为原则。(3)太沙基建议λ=0.5。(4)悉尼供水隧洞设计取λ=1/2.4。若γR=24kN/m3，则安全系数F=1。现今很多水工隧洞设计都遵循这一原则，包括我国水工隧洞设计规范SD134-84。(5)加拿大Spray水电站有压隧洞，岩石覆盖厚65.5m，内水头为370m。经换算λ=0.2，安全系数仅F=0.5。上述表明上抬理论安全

4、系数取值的建议，不同国家，不同时期，不同工程之间差别极大。按上抬准则，一些有压隧洞安全系数很小，但并没有出问题，另一些隧洞虽然安全系数大于1，却出现渗水量较大等问题。这种情况说明上抬准则本身存在问题，按上抬准则布置隧洞而不考虑具体地质条件是难以保证安全的。1.2上抬准则(陡倾地表面)(1)雪山准则[2]。1969年，澳大利亚雪山工程有压隧洞设计时，对陡倾地面条件下提出如下准则(图1)：De=hsγ/γR(2)比较式(1)和式(2)，式(2)其实即为F=1条件下的式(1)。(2)挪威准则。在1968年以前，挪威对陡倾地表面下的有压隧洞的最小覆盖厚度仍按式(1)设计，但根据地

5、面不同倾角对上抬准则式(1)加以修正，α≤35°时，λ=0.6；α=60°时，λ=1.0。但由于按此设计的一些隧洞产生严重渗水，至1970年，挪威提出陡倾地表条件下有压隧洞最小覆盖厚度按下式控制(图2)。De=Fγhs/γRcosα(3)*据HardRockUndergroundEngineering,FHS.Norway.挪威王子来华访问交流资料和谷兆祺主编“挪威水电工程经验介绍”，挪威泰比亚公司，1985.12.图1水工隧洞最小覆盖厚度(按雪山准则)图2水工隧洞最小覆盖厚度(按挪威准则)挪威岩土研究所(NGI)取挪威的一些有压隧洞实际运行情况对式(3)进行检验，在NG

6、I的基础上，美国加州大学又进行了补充，将56个有压隧洞运行情况按式(3)整理成图3[3]。图3挪威准则的工程检验图中曲线代表安全系数F=1(γR=27.5kN/m3)，满足式(3)的隧洞(图中曲线F=1以上的点)渗水均较小(其中也有几个较大者)，一些渗水较大的(也有若干渗水较小的)隧洞不满足式(3)。1.3水力劈裂准则完整的岩块透水性微弱，水在岩体中的运动主要是通过岩体中的裂隙或节理。设裂隙的隙宽为a，则在一定水力梯度J作用下通过裂隙的流量与隙宽3次方成正比[4]，即q=-kaJ=-ga3/12νJ(4)式中：g为重力加速度；ν为水的运动粘滞系数；k=ga2/12ν为裂隙

7、的导水系数。图4水工有压隧洞最小覆盖厚度(水力劈裂准则)隧洞是在岩体中开挖而形成，总会有裂隙与隧洞周边相交。设与隧洞相交的裂隙的法向应力为σn(图4)。如果γhs>σn，则在水的作用下，裂隙法向应力将变为拉应力，裂隙将张开，即所谓的水力劈裂。假如裂隙劈裂后隙宽a增大一倍，则由式(4)知其渗流量将增大到原来的8倍，1.4初始应力场最小主应力准则由于裂隙产状是随机的，其产状无法确定。为了能够实际上防止水力劈裂，1972年，在总结经验的基础上，挪威提出了更合理、更通用的设计准则，即不衬砌有压隧洞的内水压力应小于围岩初始应力场最小主应