夏軍

【摘要】在水利水電建設(shè)工程中 ，水工隧洞可以為工程提供完善的電力，可以為周邊打通水利運輸?shù)耐ǖ?。水工隧洞由于?yīng)用廣泛，近年來得到大家廣泛的關(guān)注 。水工隧洞是引水工程中的重要部分，在水力建設(shè)中起到了舉足輕重的作用。水工隧洞初砌時，需要考慮的一個重要參數(shù)就是外水壓力，它直接關(guān)系到水工隧洞的使用壽命和能否承受水的壓力荷載，因此，在水工隧洞設(shè)計中，外水壓力的準(zhǔn)確測定是關(guān)鍵。本文針對滇中引水工程玉溪段穿越軟巖地區(qū)的深埋長隧洞——小撲隧洞進(jìn)行有限元滲流場初步分析。本文首先分析小撲隧洞的基本情況，然后利用有限元滲流場建模進(jìn)行初步分析。最后分析討論外水壓力值，為設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

【關(guān)鍵詞】水工隧洞；外水壓力；有限元滲流場

引言

我國是一個水利大國，水工隧洞在水利工程中隨處可見，作為引水工程的重要途徑，水工隧洞的設(shè)計一直備受關(guān)注，水工隧洞的設(shè)計和挖掘，受多方面因素的影響，不同地區(qū)的地質(zhì)條件，地下水的豐富程度等都有所不同，水工隧洞初砌時混凝土的用量和配筋量也有所不同。因此確定隧洞的外水壓力，地質(zhì)環(huán)境，從而確定隧洞的材料用量，是設(shè)計人員重點關(guān)注的問題，也是保證隧洞可以正常運行的關(guān)鍵參數(shù)。隧洞外水壓力的測定有很多方法，常見的有外水壓力折減系數(shù)法和有限元滲流場分析法，本文就有限元滲流場法對滇中引水工程玉溪段小撲隧洞的外水壓力進(jìn)行分析討論。

1、工程概況

滇中引水工程位于云南省中部，涉及金沙江、瀾滄江、紅河、南盤江四大水系，是國務(wù)院要求加快推進(jìn)建設(shè)的172項節(jié)水供水重大水利工程之一。滇中引水工程任務(wù)為：以城鎮(zhèn)生活與工業(yè)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。工程供水范圍涉及大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪、紅河六個州（市）的35個縣（市、區(qū)）。輸水工程采用無壓自流輸水方式，劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段6段，線路總長664.236公里，工程總投資為8267717萬元。

玉溪段位于金沙江、南盤江兩大水系分水嶺地帶，是滇中引水工程輸水干渠的組成部分之一。玉溪段輸水總干渠起點為昆明新莊（與昆明院節(jié)點），末點為玉溪市與紅河州分界的曲江，干渠建筑物主要有隧洞、渡槽、暗涵、倒虹吸、消能及控制建筑物，建筑物以隧洞為主，其中隧洞8條，長72.775km，占線路總長的94.43%。

小撲隧洞為玉溪段線路渠首建筑物，橫穿晉寧、江川兩縣，隧洞全長32.1km，是玉溪紅河段最長的隧洞。小撲隧洞在平面上設(shè)置8個轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑R=30m。隧洞沿線穿越地層主要有：

Pt1m板巖、粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)粉砂巖、Zac長石石英砂巖、粉砂巖夾泥巖、礫巖、Zbdn白云巖、∈1q、∈1m頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、P1d鋁土巖、頁巖夾煤線、P1q+m白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r，中厚～厚層狀。P2β玄武巖夾凝灰?guī)r、T3y紫紅、灰黃色長石砂巖夾泥巖為主。

2、外水壓力分析

隧洞沿線含水層以裂隙水、巖溶水為主。裂隙水：主要分布非可溶巖地層中，地層透水性以弱～中等為主。隧洞沿線的碎屑巖地層內(nèi)發(fā)育的向斜構(gòu)造部位地下水均具有一定的承壓性質(zhì)，承壓水頭0.25～0.45MPa。

根據(jù)勘探鉆孔揭露輸水線路地下水埋藏情況，小撲隧洞多位于地下水位以下，部分深埋隧洞段外水水頭較高，最高達(dá)227m。因此，需要對外水壓力的折減做必要的分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

2.1目前對外水壓力的分析處理方法

國內(nèi)目前對外水壓力的分析處理， 主要有 2 種方法，一種是把外水壓力作為面力，另一種是把外水壓力當(dāng)作體積力。前一種是推薦的方法，也是設(shè)計人員常采用的，其概念簡單，易于用結(jié)構(gòu)力學(xué)法進(jìn)行分析計算；后一種采用滲流場理論，較為符合外水壓力作用的實際情況，但隧洞周圍的巖石節(jié)理及裂隙情況千差萬別，難以較為準(zhǔn)確地模擬，其計算結(jié)果與實際受力情況可能有較大的差別。

通常，在設(shè)計工作中把外水壓力當(dāng)作面力來處理，一般情況下，地下水位線可根據(jù)水文地質(zhì)條件分析確定，但外水壓力的取值差別較大，關(guān)于外水壓力的取值主要有如下幾種方法：一種是當(dāng)無壓隧洞和地下洞室設(shè)置排水設(shè)施時，可根據(jù)排水效果和排水設(shè)施的可靠性對外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的作用水頭作適當(dāng)折減， 其折減值可采用工程類比法或滲流分析確定；另一種是地下水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，可采用地下水位線以下的水柱高乘以相應(yīng)折減數(shù)估算。

以上方法主要涉及折減系數(shù)和設(shè)排水后的折減，由于其可操作難度大， 處理具體情況仍難以取舍： 折減系數(shù)取值過大， 不僅顯得保守和不經(jīng)濟(jì)， 而且有時甚至無法實現(xiàn)設(shè)計意圖； 折減系數(shù)取值過小，結(jié)構(gòu)的安全又難以保證。設(shè)排水后的折減也有同樣的問題，而且還要考慮排水失效的可能性。故外水壓力的取值需要認(rèn)真分析，合理取值。

2.2外水壓力大小、分布及成果分析

把外水壓力當(dāng)作面力進(jìn)行分析， 主要考慮 2 種情況： 一種是把外水壓力作用在襯砌邊緣上，另一種是把外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結(jié)圈上。之所以要考慮外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結(jié)圈上，是因為水工隧洞在進(jìn)行固結(jié)灌漿且設(shè)置錨桿后，保證了襯砌與巖石的聯(lián)合作用， 由于固結(jié)灌漿的作用，使得襯砌周圍的巖石滲透系數(shù)減小，客觀地使外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結(jié)圈上。外水壓力大小及分布計算方法主要采用外水壓力折減系數(shù)法和滲流分析確定。

本文主要通過地下水力學(xué)中外水壓力計算公式及有限元法模擬隧洞外水滲流來對小撲隧洞外水壓力進(jìn)行分析，通過兩種方法的結(jié)果對比，探求外水壓力合理的計算方法。

3、公式法

由地下水水力學(xué)，采用圖1所示的簡化計算模型。假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，隧洞為圓形，地下水頭設(shè)為H，水流為穩(wěn)定流，其運動規(guī)律服從Darcy定理，水在水頭下降的瞬間就釋放出來，并假定隧洞的排水是通過襯砌均勻滲水實現(xiàn)的。根據(jù)公式可推導(dǎo)出隧道中無內(nèi)水壓時地下水排放量Q和襯砌外水壓力P 以及注漿圈外的滲透水壓Pg 的計算公式。

計算選取4+881.500處斷面，斷面尺寸為5.58m×5.58m，斷面處隧洞底板高程為1877.782m，地下水位高程為2104.468m，隧洞內(nèi)設(shè)計水位高于隧洞底板3.437m。根據(jù)不同的情況，主要對三方面進(jìn)行分析：隧洞開挖前圍巖初始工況，隧洞開挖襯砌后正常通水工況以及襯砌外圍進(jìn)行注漿的堵水限排工況.滲流場計算所需材料參數(shù)：1）圍巖：D/3zg灰?guī)r、白云巖，其滲透系數(shù)k1=2.92e-6 m/s；2）襯砌：C25混凝土材料，其滲透系數(shù)為1.0e-10 m/s；考慮設(shè)排水孔的折減，滲透系數(shù)計算取值為k2=4.21e-7 m/s；（根據(jù)滲流理論推測進(jìn)行折減）3）注漿圈砼：其滲透系數(shù)k3=2.47e-7 m/s（q=3lu）。各工況計算結(jié)果見下表：

4、有限元法

4.1 有限元模型

小撲隧洞為馬蹄形斷面，斷面尺寸為5.58m×5.58m。所選的計算斷面為4+881.500，以該截面為中心，前后長度各取5m，圍巖范圍尺寸以隧洞凈尺寸寬的10倍取整進(jìn)行三維建模，如圖，為有限元模型。隧洞長度方向為Z軸，豎向為Y軸，垂直隧洞走向為X軸，本次分析計算道德高程系統(tǒng)為隧洞所在大地坐標(biāo)的真實高程系統(tǒng)，圍巖及初砌采用八節(jié)點六面體單元進(jìn)行模擬，共劃分單元總數(shù)51420個，節(jié)點總數(shù)55146個。

4.2 隧洞荷載及邊界條件建模

對隧洞開挖前、開挖襯砌蓄水、及考慮注漿圈后的滲流場進(jìn)行模擬。計算參數(shù)及計算工況與公式法相同。

計算出當(dāng)前狀況下不同結(jié)構(gòu)下的外水壓力值，計算結(jié)果如圖所示：

5、結(jié)果分析

對比上述兩種計算方法結(jié)果，可以看出，各工況下公式法及有限元法計算結(jié)果比較接近，無固結(jié)灌漿和有固結(jié)灌漿相比，無論是洞底還是洞頂，所受到的外水壓力值都減小，但減小效果不明顯；而設(shè)置排水孔與不設(shè)置排水孔相比較，設(shè)置排水孔后所受到的外水壓力值大大減小，由此可見，對隧洞周圍的巖石進(jìn)行固結(jié)灌漿灌漿可以降低隧洞周圍所受到的外水壓力，而設(shè)置排水孔則可使襯砌承受外水壓力大幅減小。因此，筆者得出結(jié)論，對于水工隧洞，減小外水壓力最直接有效的措施便是在襯砌上設(shè)置排水孔；對于涉及地下水環(huán)境問題的洞段，則應(yīng)采取固結(jié)灌漿去+排水孔的綜合措施。

6、結(jié)語

水利工程中隧洞設(shè)計條件復(fù)雜，不確定因素較多，外水壓力的取值直接關(guān)系到隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。單純的根據(jù)外水壓力折減系數(shù)進(jìn)行簡單的折減，不盡合理。本文通過地下水力學(xué)外水壓力計算方法及有限元滲流分析，初步探索出一個外水壓力計算的方法，分析時考慮了灌漿圈、排水孔對外水水頭的折減效果，相對合理，且此種方法已經(jīng)應(yīng)用于滇中引水工程初步設(shè)計中。滇中引水工程全面開工在即，屆時，可根據(jù)實際開挖情況，驗證并優(yōu)化外水壓力分析理論，對以后水工隧洞設(shè)計具有重大指導(dǎo)意義。

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