２０１０年１０月 中南水力发电 第３期 水工高压隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计探讨 吴苏丰 （中南勘测设计研究院，湖南 长沙４１００１４） 随着我国抽水蓄能电站的发展，以及西部水电的 厚度大于三倍洞径后就可以认为无限厚，并且覆盖 开发，大直径、高水头的水工隧洞不断增多，水工高压 层厚度也与计算结果无关，这也与实际情况不符； 隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计遇到的问题、矛盾较 （４）在设计衬砌配筋时，钢筋应力计算值很高， 为突出，以下对其进行初步探讨。 但以裂缝宽度进行校核，如果钢筋应力真如计 １水工高压隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计的 算的那么高，则混凝土早就严重开裂了，因此配筋计 主要问题 算与限裂校核自相矛盾； （５）采用规范中的方法进行限裂设计似乎不 在水工高压隧洞钢筋混凝土衬切结构设计中， 妥。隧洞衬砌不同于明管，衬砌结构受围岩约束并 主要存在以下几方面问题： 与之相互作用，受围岩地质特性和衬砌强度不均一 （１）设计中大多假定围岩是无限均匀、各向同性 性等因素影响，其受力状况以及裂缝发生和发展的 的弹性介质，在承受内水压力作用前无初始应力，这 规律不同于一般水工钢筋混凝土结构。 与实际情况明显不符。在隧洞开挖前，围岩内存在初 始地应力场，开挖后，洞周应力释放，将形成二次应 ２水工高压隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计 力场； ２．１对待隧洞内水压力 ｆ２）围岩的弹性抗力系数大多根据试验资料，结 根据我国的实际地质条件，我国做法基本上是 合地质调查和经验确定，受人为主观意识的影响，往 采用修正后的挪威准则和最小地应力准则两条准则 往偏于保守； 确定水工高压隧洞的埋深和线路，设计埋深时不考 （３）设计中大多假定围岩是无初始应力、无节 虑表层风化岩体的承载作用，且采用钢筋混凝土衬 理、能承受拉应力的无限体，由弹性力学分析，围岩 砌隧洞。进行衬砌的主要作用有： ７结语 出版社 龙滩水电站前期大坝自２００８年底全线封顶并 作者简介 投入运行以来，经过近两年的运行考验，坝基各项运 １奉伟清（１９６９－），男，汉族，湖南新化县人，工学学士，高 行指标反映良好，并可推断坝基完全能满足终期大 级工程师，供职于中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，从 坝的长期安全运行，由此充分表明龙滩工程的坝基 事水电站枢纽总体布置、坝工及边坡设计工作，本文执笔人。 ２赵红敏（１９６４一），男，汉族，河南嵩县人，工学学士，教授 固结灌浆处理设计是成功的。 级高级工程师，供职于中国水电顾问集团中南勘测设计研究 院，从事枢纽布置、坝工及边坡设计工作。 参考文献 ３夏宏良（１９６０一），男，汉族，湖南安乡县人，工学学士，教 ［１］孙钊编著．大坝基岩灌浆．中国水利水电出版社． 授级高级工程师，供职于中国水电顾问集团中南勘测设计研 ［２］水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（ＤＩＭ＇５１４８— 究院，从事水电工程地质工作。 ２００１）．中国电力出版社． 收稿日期：２０ｌＯ一０９一ｌ０ ［３］混凝土重力坝设计规范（ＤＩＪＴ ５１０８—１９９９）．中国电力 １０ 中南水力发电 第３期 （１）平整洞室，减少过流糙率和水头损失，并在 保证发电水头的条件下，减少开挖洞径； （２）保护围岩免受高压水流的冲刷和淘蚀，防止 岩块冲入水轮机； （３）为隧洞高压固结灌浆提供表面封闭层，以改 善围岩的受力性能。 对于水工高压隧洞衬砌设计中如何对待内水压 力的问题，国内主要有面力理论和体力理论两种。 ２．１．１面力理论 面力理论假定钢筋混凝土衬砌不透水，将内水 压力作为面力来计算衬砌结构和围岩应力，根据计 算方法的不同，面力理论可分为结构力学法和有限 元法。 结构力学法是按限裂设计衬砌结构，即允许开 裂并因此钢筋应力，在考虑衬砌刚度时，认为钢 筋应力已达到高水平，裂缝已充分开展，将水压力作 为面力按变形相容计算钢筋量。该方法实际是把水 力学和结构力学分割开来，相互矛盾，衬砌结构已开 裂并且裂缝已充分开展，衬砌结构的渗透性已经很 大，再假定衬砌结构是不透水，将内水压力作为面 力，与实际情况已不相符。 有限元法是首先根据围岩的地质构造情况和实 测地应力，用有限元回归分析法推求区域地应力场， 也有的仅考虑围岩自重应力场，其次，在隧洞开挖后 和钢筋混凝土浇筑前，围岩变形已全部完成，二次地 应力趋于稳定，不考虑围岩对衬砌结构的变形压力。 由于衬砌混凝土与接缝灌浆的干缩以及运行期围岩 的干缩，在钢筋混凝土衬砌与围岩之间存在初始缝 隙；在内水压力作用下，衬砌结构发生变形，在初始 缝隙闭合前，由衬砌结构单独承载；初始缝隙闭合 后，考虑到变形以径向变形为主，认为混凝土和围岩 之间没有相对滑移；在内水压力作用下，钢筋混凝土 开裂前，钢筋和混凝土粘结良好，二者共同变形联合 受力；当混凝土的主拉应力超过抗裂强度时，衬砌混 凝土出现裂缝，此时拉应力全部由钢筋承担。有限元 计算采用增量迭代法，材料性态按弹塑性体考虑，屈 服准则选用辛克维兹一潘地准则。该方法可以体现围 岩承载能力的设计原则和围岩弹塑性力学性质，可 以考虑各种地质条件对地应力的影响，并进而定量 地确定地应力及围岩弹模等因素对围岩分担内水压 力作用的影响。但是有限元法将内水压力作为作用 于衬砌内壁的面力，没有考虑渗流场对衬砌及围岩 应力状态的影响，这与实际情况亦不符。 由面力理论计算分析得出的主要结论如下： （１）围岩的变形模量是决定衬砌结构和围岩分 担内水压力比例的决定因素之一。围岩变形模量越 小，其分担的内水压力也越小，则衬砌裂缝开展宽度 越大，而仅仅依靠提高衬砌结构配筋率来裂缝 发展的作用并不明显。 （２）隧洞计算断面处的初始地应力场和二次应 力场对钢筋混凝土衬砌的受力有较大影响。 （３）在内水压力作用下，钢筋混凝土衬砌结构的 裂缝沿洞周分布较均匀，最大裂缝开展宽度多发生 在顶、底拱附近。 （４）围岩在承担大部分内水压力的同时还应保 证防渗效果，因此高压隧洞应以三次应力场不出现 拉应力为设计准则。 ２．１．２体力理论 体力理论认为衬砌结构是透水的，将内水压力 作为体力来计算衬砌结构和围岩应力。体力理论也 有结构力学法和有限元法。 结构力学法的基本假定为： （１）衬砌结构、松动圈与完整岩体的变形均服从 虎克定律； （２）松动圈与完整岩体里的渗水压力按对数衰 减； （３）松动圈岩体分为可承受与不可承受环向拉 应力两种； （４）对于钢筋混凝土衬砌结构，开裂前的渗水压 力按对数衰减，开裂后按线性衰减； （５）按轴对称问题分析。 该方法将内水压力以体力的形式作用于隧洞衬 砌结构和围岩，较接近实际，且计算较简便。但是该 方法对承担主要内水压力的围岩的初始应力和二次 应力对围岩与衬砌承担比的影响、围岩的弹塑性力 学性质、渗流场与应力场的相互耦合作用以及高压 固结灌浆对衬砌和围岩预压作用的影响等问题无法 解决。 有限元法按平面应变分析问题。假定在隧洞开 挖后和钢筋混凝土浇筑前，围岩变形已全部完成，二 次地应力趋于稳定，不考虑围岩对隧洞衬砌的变形 压力，采用增量迭代法计算，考虑材料的弹塑性，选 用德鲁克一普拉格屈服准则，渗流场按稳定渗流考 虑。有限元法将内水压力以体力的形式作用于隧洞 衬砌和围岩，并且考虑围岩应力场和渗流场的耦合 作用，反映了水工高压隧洞的实际受力变形情况。但 是，现有的有限元研究成果大多仅研究了隧洞衬砌 结构，围岩的应力分布情况，而没有对高压固结灌浆 第３期 ’ 昊苏丰水工高压隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计探讨 １１ 对衬砌和围岩预压作用的影响进行分析，另外尚需 探讨分析应力场和渗流场耦合作用。 由体力理论计算分析得到以下主要结论： ｆ１）有衬砌高压隧洞的埋深要求应与无衬砌的 的应力影响较小，但对围岩受力影响较大，灌浆预压 应力越大，灌浆深度越大，围岩承载力就越大。 ２．２外压情况下的应力分析 当引水系统放空检修时，衬砌和围岩将受到外 水压力的作用。分析外压时同样有面力和体力两种 假设。面力法认为，在外水压力作用下，衬砌裂缝有 所闭合，外水以面力直接作用在衬砌外侧，但水压力 值很难估计，一般都假设单位外压（如１００ ｍ水头）， 以此来分析衬砌单独承载外压的能力；另一模型考虑 相同，以有效防止水力劈裂和产生大量漏水； ｆ２）围岩的渗透系数与弹性模量对高压隧洞设 计具有同等重要的意义 围岩渗透系数越小，其承压 比越大； （３）当内水压力达到一定值，衬砌将与围岩脱开， 此时不能按变形相容条件确定衬砌的受力；衬砌结 构钢筋应力的增长速率较慢，与内水压力变化不具 有线性关系；围岩将承担绝大部分内水压力； （４）在高内水压力作用下，衬砌开裂，衬砌中即 使配置超量钢筋对减小钢筋应力和裂缝宽度的 效果也不大； （５）对完整坚硬的Ｉ、Ⅱ类围岩，衬砌厚度对提 高其自身承载能力的作用不大，所以衬砌厚度只需 满足施工要求即可，衬砌高压隧洞的设计重点宜放 在围岩上。 由计算分析得出的主要结论如下： （１）当内水压力大于１５０ｍ时，钢筋混凝土衬砌 已经开裂，面力理论不再适用，应该采用体力法；而 当内水压力小于１５０ｍ时，钢筋混凝土衬砌一般不 会开裂，体力法和面力法计算结果差别不大。 （２）在高内水压力作用下，隧洞衬砌结构开裂，此 时讨论衬砌结构与围岩内水压力承担比问题意义不 大，因为无论衬砌周边近层围岩能否承担内水压力， 此时绝大部分内水压力必定由其承担，衬砌结构内 配再多的钢筋也没有意义，所以只需配置构造钢筋 即可。 （３）围岩承担主要的内水压力，其渗透系数越小， 围岩主要承载区越小，内水外渗越少，则遇到地质不 良地段的概率越小，工程越安全。故需采用高压固结 灌浆，尽可能降低围岩的渗透系数，提高其承载能 力。 （４）为尽可能发挥衬砌结构的承载能力，应尽量 减少衬砌结构和围岩之间的初始施工缝隙，提高衬 砌结构和围岩的联合承载效果，为此，衬砌结构外的 回填灌浆一定要做好。 （５）对有地质结构面存在的围岩，进行渗流场和 应力场的耦合计算是必要的，对完整均质且具有较 大初始地应力场的围岩，耦合与不耦合分析的计算 结果差别不大。 （６）固结灌浆的深度和压力对开裂后衬砌结构 到一些工程措施（如设置锚杆、灌浆等）对提高衬砌抗 外压能力的作用，假设一定厚度的围岩与衬砌共同 承担外压，外压作用在衬砌围岩复合圈的外侧；同样 此模型很难估计围岩厚度和外压值，一般常假设一 围岩厚度，以此来分析抵抗某一外压值所需的围岩 厚度，为设置锚杆的长度和灌浆孔的深度提供参考 数据。工程实例及计算分析表明，当衬砌单独承担外 压时，衬砌将产生较大的压应力，对于高压隧洞外压 有可能是衬砌设计的控制情况。另外，增加抗外压圈 的厚度能显著提高衬砌抗外压的能力，如设置锚杆、 灌浆等工程措施能提高衬砌与围岩的整体性，因而 也能增强其抗外压的能力。 外压按体力理论分析认为衬砌和围岩是透水 的０衬砌所受的外压与衬砌和围岩的相对渗透性有 关，在形成稳定渗流场之前，渗透压力还将与时间有 关。围岩通过灌浆处理，渗透系数减小，它将承担大 部分的外压，这对衬砌是有利的。开裂后的衬砌裂缝 不可能完全闭合，岩体也不可能完全不透水，外压按 体力分析与实际情况应更为符合。根据体力理论，延 长隧洞放空时间，对衬砌抗外压具有很大帮助，实际 工程的运行也说明了这一点。 ３结语 目前国内水工高压隧洞设计主要依据挪威准则 和最小地应力准则，隧洞应力分析有面力理论和体 力理论两种。由工程实测和计算分析，钢筋混凝土衬 砌结构在高内水压力作用下不可避免地会发生开裂， 衬砌结构是透水体，衬砌结构和围岩联合受力，因此 采用体力理论计算衬砌结构和围岩应力更符合工程 实际。在高内水压力作用下，从承载与防渗的角度来 看，围岩是主体，衬砌结构仅起辅助作用，因此，高压 固结灌浆对水工高压隧洞是十分重要的，它可以改 善围岩的力学性能，降低围岩渗透系数，对衬砌和围 岩施加预应力，有利于提高隧洞的承载能力。 收稿日期：２０１０—０９—１０
