《无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、无压水工隧洞设计如何考虑隧洞的外水压力作者：陈华松 单位：云南省水利水电勘测设计研究院 邮编：650021摘要云南水工无压隧洞基本上都位于地下水位以下，水工无压隧洞外水压力问题特别突出，水利版水工隧洞设计规范中采用水压力折减系数的方法计算外水压力，然在实际设计过程中，折减系数要根据洞壁的渗水量和围岩情况取值，而这种设计状况只有在隧洞开挖完成后，选取的折减系数才比较可靠。而施工前的隧洞设计，对选取合适的折减系数成为工程设计人员面临的难题。本文在云南省水电勘测设计研究院的隧洞设计项目中，对具有代表性的水工隧洞的地质水文情况进行研究，试图通过统计隧洞穿越几种有代表性的洞段时的岩壁渗水情况，来指导隧洞
2、外水压力折减系数的选取。并提出隧洞设计的建议。关键词：水工无压隧洞；外水压力；折减系数 ；强风化底界；断层；环境；结构配筋Hydraulic free-flow tunnel design how to consider the external water pressureThe author:Chen Huasong Work unit: Water conservancy and hydropower survey design institute in yunnan provinceZip cord:650021SummaryThe Free-flow tunnel in Yunnan
3、 province is below the underground water level under normal conditions,and hydraulic free-flow tunnel problem is especially prominent the external water pressure, water conservancy version specification for design of hydraulic tunnel water pressure reduction factor method is adopted in the external
4、water pressure calculation, but in the actual design process, the reduction factor according to the width of the leakage of water value and surrounding rock conditions, the design status only in the tunnel excavation is completed, selecting the reduction factor is more reliable. And before construct
5、ion of the tunnel design, selection of appropriate reduction factor into the challenges faced by the engineering designers.Tunnel of hydropower survey design institute in yunnan province is presented in this paper, geological and hydrological condition of the typical hydraulic tunnel are studied, th
6、rough statistics of several representative hole section of tunnel through the rock seepage situation, to guide the selection of external water pressure reduction factor. And put forward Suggestions for tunnel design.Key words: hydraulic free-flow tunnel; the external water pressure; Reduction factor
7、; Strongly weathered bottom; Fault; The environment; Structure reinforcement1无压水工隧洞的外水压力问题 云南省水工隧洞基本上都位于地下水位以下，水工无压隧洞外水压力问题特别突出，由于隧洞工程地质情况复杂，围岩情况及工程水文地质情况有很大的不确定性。随着云南省内包括铁路、公路、输水渠道的隧洞的建设，使得隧洞工程区地下水位下降，造成沿线周边居民无水可用，生态破坏，水土流失，土地荒漠化等问题逐渐凸显。对于生态环境脆弱的地区，施工期排水就足以造成致命性的破坏，更何况传统的以排为主降低外水压力的隧洞设计方式，长期汲取地下水，在
8、运行期地下水位也得不到恢复，对生态环境造成不可逆转的永久性破坏。“有声的居民在索赔，无声的生命哭泣并渐渐死去”。采用传统的设置排水管降低外水压力的方法面临严峻挑战，因此改变以排为主的传统设计理念，采用以堵为主的设计模式，值得探讨和研究。如何对隧洞外水压力进行分析和计算是设计人员遇到的难题。同时正确合理地进行外水压力计算和隧洞设计，对隧洞工程有极大的工程意义。1.1规范中规定的计算方法1在无压隧洞设计过程中，隧洞的外水压力的选取，对隧洞混凝土衬砌结构的设计，及配筋计算有重大影响，如外水压力选取过大，造成混凝土衬砌结构厚度，配筋增大，造成很大浪费。然而隧洞外水压力作用一般也很难准确确定。根据围岩的
9、渗透系数、岩层结构、地质构造、渗流类型、补给水源等条件，通过渗流计算来确定作用在衬砌上的外水压力可能比较准确。但是由于计算工作量较大，计算参数确定的难度，这种计算对重要工程或重要洞段是必要的，所有水工隧洞就不现实。在水工隧洞设计规范（SL 279-2002）中，对外水压力的计算采用外水压力折减系数的方法，折减系数根据地下水活动状态和地下水对围岩稳定的影响取值，即根据洞壁的渗水量的多少强弱和围岩情况，选取外水压力折减系数。用这种方法在隧洞开挖完成后，根据实际情况选取的外水压力折减系数比较可靠。1.2实际设计中外水压力折减系数取值的困惑而隧洞设计，特别是隧洞设计前期，如按照规范的外水压力折减系数这
10、一计算方法，用一折减系数乘以地下水位来确定外水压力，过于简单；特别是根据围岩类别选取外水压力折减系数的方法，更是粗暴。根据围岩类别选取外水压力折减系数，而不考虑围岩是否会有渗水，在隧洞埋深较深，比如在昆明市清水海引水工程中的恩甲隧洞埋深480m，实际钻孔勘察的地下水位最高就有360m，这时取较低折减系数如0.1，外水水头就有36m，这与开挖后揭露的实际情况不符，隧洞开挖后洞内只有局部地方有渗水，绝大多数洞段干燥和岩壁潮湿，如这时还按照外水压力折减系数法计算外水压力，进行结构设计，势必会增加隧洞钢筋混凝土衬砌厚度和提高配筋率，这就造成极大浪费，同时也发现当拿到隧洞地质纵剖图时，图中所示的垂直地下
11、水位与垂直于地下水位以下、穿越强风化底界以下的隧洞所承受的外水压力并无必然关联。在外水以成岩裂隙水和构造裂隙水为主的隧洞，取垂直于隧洞与地下水位间的高度作为外水压力初值进行外水压力折减计算是不妥的。而且规范中同样的渗水状况下，规范的取值范围很大，工程设计人员对外水压力折减系数的取值有很大的困惑，当取上下限进行计算时，结构及配筋差别很大，这也是造成设计人员对外水压力折减系数取值困惑的原因之一。2隧洞外水压力研究内容2.1、基本资料来源云南省勘测设计研究院设计项目“昆明市清水海供水及水资源环境管理项目引水工程（一期）“，在施工现场设置了3个设代点，每个设代点派驻了1个地质设代，1个水工设代，在对隧
12、洞提供技术服务的同时，也详细记录了施工过程中隧洞的围岩、塌方、水文地质等情况，并作了隧洞的隧洞竣工地质剖面图，本人作为设代参与其中。为了提高代表性，还采用了云南省勘测设计研究院设计项目“昆明市禄劝县铅厂水电站工程”输水隧洞地质竣工编录相关资料。本文中所采用基本资料是严谨的、可靠的。2.2对隧洞穿越强风化底界以下的宏观渗流分析本文研究的山区地下水为潜水，山区隧洞的地质剖面中，有全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层，四个岩层被全风化底界、强风化底界、弱风化底界分开。根据潜水的性质，在全风化层中的地下水可看做孔隙水，强风化层中的地下水可看做风化裂隙水，弱风化层和微风化层中以成岩裂隙水和构造裂隙水的
13、型式存在。孔隙水和风化裂隙水水利联系较好，具有统一的地下水面。成岩裂隙水和构造裂隙水在空间分布不均衡，层间岩体具有阻水作用，水在层间流动，具有固定的方向性。穿越强风化底界以下的隧洞地下水，以成岩裂隙水和构造裂隙水的型式存在，在计算外水压力时，按照宏观的渗流介质各向同性去计算渗流与实际情况不相符。如隧洞开挖完成后，洞壁有外水渗出的洞段空间分布很不均匀甚至有集中渗漏点出现，而集中渗漏点之相邻洞壁却无水渗出。所以计算此类洞段时的外水压力，可近似把裂隙简化为平行板之间的裂缝，假定水流运动服从达西定律，根据单向无紊乱，粘性不可压缩介质的诺维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，可推导出单个裂隙的
14、渗流公式，如果裂隙张开度为e，水的动粘滞系数为D，则单个裂缝的渗透系数可按进行计算，查明补给水面高程、渗流方向、渗流长度、及排泄区高程后，可计算出隧洞位置未开挖之前的外水压力水利坡度J，根据达西渗流公式计算出v，P。此公式在雷洛数时适用。在这种近似的水力模型下，可将复杂的宏观渗流问题，简化为单个裂隙有压渗流问题。根据裂隙张开度，裂隙层间整合度，裂隙间有无充填物质，充填物质的颗粒大小等综合考虑渗透系数，最终可估算出水力坡度。本文以隧洞地质纵剖面图做简要说明，见图2-1， 图2-1山区隧洞典型纵剖面图从图中可以看出垂直于洞顶的地下水受岩层阻隔，对隧洞位置的初始外水压力并没有直接和关键的控制作用，所
15、以规范中取垂直于洞顶地下水位线与隧洞的距离作为初始外水压力计算值，是对于成岩裂隙水和构造裂隙水为主的隧洞是不妥的。而靠天然降雨补给的山区地下水，主要以表层滞水、孔隙水和潜水的形式存在，影响深度有限，形不成稳定的渗流场，因此隧洞底板高程处于地表水如河流、湖泊、冲沟等的水面高程以上时，在考虑隧洞外水压力时，大可不计外水压力；当隧洞底板高程处于地表水如河流、湖泊、冲沟等的水面高程以下，或处于地下渗流场补给水源和排泄区高程中间时，应该在水文地质平面图上，充分了解隧洞工程区的地表水分布，及地表水面高程，等情况下，沿岩层走向剖剖面，连接补给水源高程和排泄区高程的线( 相似于有压管流的水头线)，以此线与隧洞
16、的垂直距离作为外水压力计算初值比较合适。对于通过断层洞段和以孔隙水、风化裂隙水为主的隧洞，可直接用隧洞地质纵剖上的地下水位线与隧洞之间的距离作为隧洞外水压力计算初值。2.2对基本资料内容中地质及水文地质的统计基于上一节山区地下水渗流分析，根据山区地下水存在的特殊性质，本文根据隧洞与强风化底界的位置、及穿越断层的情况，将隧洞穿越的洞段分为：1、位于强风化底界以上洞段;2、位于强风化底界以下洞段；3、穿越断层及断层影响带洞段。并根据有无地表水源补给，如冲沟、河流、湖泊等，将1、2、3类再分为无水源补给，有水源补给两个小类。试图通过统计隧洞穿越几种有代表性的洞段时的岩壁渗水情况，及渗水段占相应隧洞洞段的比例，来指导不同围岩情况下外水压力折减系数的选取。本文对“昆明市清水海供水及水资源环境管理项目引水工程”中具有代表行的的洒底隧洞、板桥河隧洞、葛根塘隧洞，及昆明市禄劝县铅厂水电站工程输水隧洞进行地质水文统计，统计结果见表1-1隧洞地质水文状况统计表。
