水工压力隧洞结构设计中的关键问题分析

建筑设计与装饰 Construction & Decoration水工压力隧洞结构设计中的关键问题分析李勇娟贵州省水利水电勘测设计研究院 贵州 贵阳 550002摘 要 现今国内的水工压力隧洞工程已经取得较大的发展，然而在水工压力隧洞的实际建设过程中还是会出现一些问题，其中既包括施工质量造成的，也包括设计失误造成的，所以，必须合理进行水工压力隧洞的结构设计。基于此，本文针对水工压力隧洞结构设计中的关键建筑问题进行了分析，具体包括隧洞的围岩稳定及支护结构安全、水工隧洞设计中外水压力的处理、水工压力隧洞衬砌设计的荷载力。关键词 水工；压力隧洞结构；关键建筑问题；解析引言水工压力隧洞作为水电建设的标志建筑物之一，是在岩体之中挖掘而成，其长度远比其横截面积大，一般情况下会采取圆形断面的形式。普遍认为，隧洞的水头大于150m就属于高压型水工隧洞[1]。水工压力隧洞因为其结构和荷载力的特别性，设计方法与计算方法的不完善性，会出现许多还需要进一步证明和有待深入研究的重要问题，比方说外水压力导致的最小覆盖面问题、荷载力大小及其荷载之间的关系问题、围岩稳定性和防护结构问题、结构衬砌的间距问题等，这些问题都涉及水工压力隧洞结构设计的科学性与安全性。1  隧洞的围岩稳定及支护结构安全问题围岩挖掘以后绝大多数的区域就已经进入非线性工作状态，为了比较完善、具体地反映出隧洞围岩以及支护结构不同材料的力学特点，分析时需要着重对围岩采取弹性模型，而支护结构则采取塑性模型。实践结果证明，支护手段让围岩的应力重新散布，围岩位移趋势趋向稳定。围岩的塑性区域是否存在是关乎围岩稳定性的关键证据。结果表明有支护存在的围岩在外水压力下不曾出现明显塑性区域，而没有加支护的围岩在外水压力作用下会在侧墙中部出现对称性分布的四处塑性区域。可见水工压力隧洞结构设计的支护手段可以有效改善隧洞围岩的应力分布，能够明显的提高岩体的承载能力。围岩和加固区域作为隧洞的主要承载结构，在其施工期利用标杆支护与高压固结浇灌以及二次支护，均会使得隧洞围岩成为隧洞的主要承载结构，并与支护体系形成一个承载联合体，共同分担外部巨大的外水压力。2  水工隧洞设计中外水压力的处理问题水工压力隧洞作为存在于地质岩体中的人工建筑物，其中一个很关键的环境要素就是地下水，合理明确这一环境因素下产生的地下水荷载值是水工压力隧洞结构设计的又一个重要性的问题。在绝大部分的隧洞施工建设过程中，断层面的裂隙分布呈现较为集中，形状也是各式各样，大多数的宽度控制在1~5m之间，较为狭窄，即便是较宽的裂缝也仅仅刚刚达到5m 的距离。经过长时间的研究发现，距离隧洞下部越近，水资源就越是丰沛，围岩中基石裂缝的潜水性表现得也较为明显，局部区域甚至会出现渗透的状况。在实际泄洪洞中，地质环境差别各不相同，地下水的丰沛情况与活动流域也各不相同，按照这一具体情况设置排水孔，之后再与其他水工建设工程做比较，将折减系数设定为0.01，换句话说，作用在涨水洞顶端衬砌出的12.0m位置处，底板与顶层之间的距离为22.0m，如此一来就能够根据直线分布的状况研究外水压力情况。我们也可以利用有限元进行外水压力分布和大小的分析。这一方法的使用可以较好地体现出有限元的特征，还能够精准的模拟出排水孔的分布状况，以此来分析、研究固结浇灌层的发挥作用与排水设置的重要性。然而，如果在设置涨水洞的过程中，不具体设定排水的方式，那么固结浇灌层的压力水头值必须控制在＜ 12  建筑与装饰2019年8月下 3.1m，然而还需要＞ 1.14m，作用在混凝土外侧的压力数值便会高达3.72m。不同的横断面会对压力水头造成不同的破坏，进而产生一定的费用损失，具体的压力水头损失见下表。当然，如果可以在外围围岩结构进行一系列的固结浇灌层的设置，就可以在一定程度上有效缓解外水压力。所以，强化固结浇灌岩的有关工作是至关重要的。除此之外，即使设置了固结浇灌岩的有关作用，也需要慎重考虑到有没有设置排水孔，这是由于排水孔的设置会在一定程度上影响到外水压力的大小。然而，在安排排水孔时，衬砌外侧的洞顶压力就会从37.8m 降低到3.45m，从这个整体研究中不难看出，外水压力降低的速度极快，总而言之，设置排水孔可以做到有效的降压。3  水工压力隧洞衬砌设计的荷载力问题水工压力隧洞的灌浆孔段的最大灌浆压力设定为10MPa，其对结构衬砌的作用只存在于灌浆状态时，属于临时性的荷载力。按一般情况的设定，沿隧洞结构衬砌的背面均匀分布的外压荷载高达2500~5500 kN/m ，如此大的荷载压力，即便是在局部工作的瞬间作用状态下，隧洞结构衬砌也很难承受。所以，水工压力隧洞在进行灌浆以前必须采用安全性的经济手段，以防灌浆压力会直接作用在衬砌结构的背面，比方说对顶板进行回填灌浆工作，以充填拱顶衬砌后混凝土收缩坍塌形成的缝隙，使得衬砌与围岩之间形成一个整体；对围岩进行固结浇灌，进一步提高其安全性与完整性，以防较大的灌浆压力分布至衬砌背面；底板布置标杆，以防底板发生错位变形等。外水压力在结构上属于水工压力隧洞工程应用期的基本荷载力；灌浆压力主要受到围岩的地质环境与衬砌质量控制，在衬砌背面零星散布；弹性抗力只有在围岩发生垂直向变位才会产生，而衬砌所受灌浆压力越小的结构，其围岩的弹性抗力就越大，反之也是如此。因而，假设灌浆压力和弹性抗力一起发生作用，并均匀分布在衬砌结构的背面，进而达到简化的目的。需要说明的是，两种荷载力之和是均匀作用在衬砌体的背面，工作性质类似外水压力，根据回填灌浆压力与围岩固结浇灌压力的四分之一来考虑，即灌浆压力的取值基本是和外水压力保持一致。4  结束语本文对水工压力隧洞结构设计中的关键建筑问题进行分析，依托水工压力隧洞结构的基本工作机制，根据设计方案的基本取样与分析，实现本文研究。希望本文的研究能够为水工压力隧洞结构设计中的关键建筑问题的解决提供理论上的依据。参考文献[1] 杜小凯,任青文,夏宁.高压引水隧洞若干问题的研究现状和存在的问题[J].水力发电,2017,33(6):65-68.作者简介李勇娟（1986－），女，广西贵港人；学历：本科，职称：工程师；现就职单位：贵州省水利水电勘测设计研究院，研究方向：合同管理。建筑与装饰2019年 8月下 内页.indd 122019/8/30 星期五 下午 5:05:27