引水压力隧洞设计的相关问题探讨

针对目前压力隧洞设计面临水工隧洞设计规范不够完善、结构计算缺乏可靠性的实际情况,本文结合某有压输水隧洞采用不同准则进行试算最小覆盖层厚度,对计算结果进行了分析,得出了无论是上抬理论、以及近年来兴起的挪威准则、雪山准则其实质都是抗抬理论,也即是内水压力与垂直向岩体重力的比值的结论,并讨论了各国关于有压隧洞设计埋深准则及其存在的问题。     

水工压力隧洞最小埋深的探讨

水工压力隧洞的埋设深度决定其施工工期的长短和造价的高低。若能将隧 洞内的水压力荷载传递到岩体内，而不引起岩石滑移或涌水的危险，则隧洞距地表面的距离即为压力隧洞的最小埋深。在工程实践中，确定埋深不大的压力隧洞的衬砌型式及参数应仔细研究山岩岩体的结构和应力状态，其最终方案的选择必须进行系统的数值研究。     

山体斜坡附近有压隧洞最小覆盖厚度的解析解

以重力作用下三角形山体的初始应力场解析解为基础,求出初始应力场的最小主应力值表达式,再根据有压隧洞的内水压力应小于拟开挖隧洞处的初始应力场最小主应力准则,给出了确定山体斜坡附近有压水工隧洞的位置、最小覆盖厚度及最小坡高的解析表达式.计算结果表明:一般情形下,最小覆盖厚度不但取决于山体的坡角,而且与隧洞所处的坡高有关;只有当山体的2个坡角相等且为45°或山体的2个坡面相互垂直时,隧洞的最小覆盖厚度才与坡高无关.山体的2个坡角都为45°时,隧洞的最小覆盖厚度是水头高度的0.565 6倍,这与修正的挪威准则给出的结果相同.     

水工高压隧洞结构设计中若干问题的讨论

目前国内水工高压隧洞结构设计尚无适用的规范可循，主要依据挪威准则和最小地应力准则，在高压隧洞应力分析时主要有面力理论和体力理论两种。面力理论无法反映水工高压隧洞的实际受力状态，尤其是当水头值较高时所得计算结果失真；现有的体力理论往往不考虑高压固结灌浆的影响。本文通过计算对比并结合工程实践经验，讨论了面力理论和体力理论的适用条件，并得出结论认为，对水头值大于150m的压力隧洞，面力理论不适合，应采用体力理论，同时应对渗流场和应力厨行耦合分析。并指出由于围岩是高压隧洞的主要承载结构，应强调高压固结灌浆的重要性，建议对完整的Ⅱ、Ⅲ类围岩合理的灌浆深度取为0.75倍开挖洞径。     

断面尺寸对节理岩体隧洞位移的响应

通过对不同断面形式、不同尺寸、不同埋深下的节理岩体隧洞进行分析研究,模拟研究了节理岩体隧洞围岩位移受断面尺寸影响的规律,其中隧洞断面形式考虑了城门洞形、正方形、圆形3种。结果表明:一般情况下,在隧洞埋深或断面尺寸增大时,围岩关键点位移增大;当隧洞埋深与断面尺寸均增大时,围岩关键点位移增大更为显著;在相同埋深下,围岩关键点位移随隧洞断面尺寸的增大而增大;在仅埋深变化和仅隧洞断面尺寸变化时,洞底关键点最大位移可能相同,这种情况发生的概率很小且只发生在洞底部位;正方形隧洞受断面尺寸影响最大,而洞底是受断面尺寸影响最小的部位。     

岩体结构面及高地应力对水工隧洞洞线布置影响的中挪经验对比

隧洞设计中洞线布置尤为关键.文章对比了岩体结构面及高地应力两个因素对洞线布置影响的中国和挪威经验,对比发现两国都认为洞线需与围岩结构面保持尽量大的交角,在交角大小的建议上国内规定更加严格,挪威经验中给出了多组结构面条件下确定洞线方向的具体建议.在高地应力区,国内强调洞线应与最大水平地应力保持尽可能小的交角,挪威经验则基于最大主应力的平面投影,挪威经验还建议了主应力和层状结构面方向接近情况下的注意点.     

浅埋压力隧洞抗裂设计数值模拟分析

纵观国内已建大型工程的浅埋压力隧洞,采用抗裂式预应力衬砌形式居多,而对于长距离引水隧洞,如果大范围采用该形式则投资过高。基于裂隙岩体渗流场-应力场耦合理论的有限元方法,对浅埋压力隧洞内水外渗进行数值模拟分析,同时考虑了围岩固结灌浆、地下水位、渗流场变化对围岩的影响,反映了隧洞在开挖、充水、加压过程中围岩应力的变化。验证了孔隙水压力的增减均引起岩体有效应力的减小,岩体呈失稳趋势。围岩覆盖厚度越厚,承担荷载的能力越大。以吉林省中部引松供水工程为例,得出了长距离浅埋引水压力隧洞是否采用抗裂设计,需要结合高压水发生的频率、渗漏量、固结灌浆对提高围岩抗渗性能、岩体渗透压力、有效应力、岩体结构、是否存在排水通道、控制岩体渗漏失稳的状态等因素进行综合分析,确定隧洞衬砌形式。研究结果可为合理确定抗裂设计区段、合理选择隧洞衬砌形式和隧洞埋深提供依据。     

水工高压隧洞结构设计探讨

我国水工高压隧洞结构工程设计中主要遵循的是挪威准则和最小地应力准则。本文讨论了国内现有的面力理论和体力理论的研究方法、存在的问题和适用条件。提出高压固结灌浆设计是隧洞的关键，并对水工隧洞中普遍采用的高压固结灌浆对围岩应力场的影响进行了研究分析，提出了灌浆区域设计的建议。     

结构面倾角对节理岩体的连通特性和综合抗剪强度的影响

本文介绍了一种确定岩体结构面连通率的方法，该方法首先在岩体结构面网络中搜索到结构面-完整岩石组合的最小抗剪力路径，然后在此最小抗剪力路径上计算结构面的连通率。在考虑结构面的倾角后，本文首先推导出计算结构面抗剪应力的公式，进而提出在岩体结构面网络中搜寻最小抗剪力路径的方法。算例分析表明，考虑结构面倾角后，计算得出的结构面的连通率一般变小，而且在变化的幅度上不能忽略。文中还提供了一种新的确定岩体综合抗剪强度的方法，该综合抗剪强度不仅考虑了结构面和岩桥的抗剪破坏机理，还考虑了另一重要因素——结构面倾角的影响。实例分析表明结构面的倾角对确定岩体的综合抗剪强度影响很大。     

高埋深岩体片理角度对开挖洞室稳定性影响

基于卸荷理论,采用岩土差分软件FLAC分析高埋深作用下不同片理角度岩体对开挖洞室变形的影响。不同片理角度下隧洞模型水平向、竖直向位移以及塑性区对比可以看出,卸荷作用下片理角度对隧洞稳定性影响较大。随着岩石片理角度的增大,隧洞水平方向位移逐渐增大,隧洞周围关键点竖直向位移先增大后减小,当岩石片理角度为40°~60°时,竖直向位移量最小;隧洞周围的岩体塑性区在洞轴两侧大致呈X形分布,塑性区方向、大小及位置与片理角度关系密切;当岩体承受同样的荷载作用时,岩体节理方向与隧洞夹角的变化使得隧洞周围的变形差异较大,在实际工程中应注意岩石片理特性对工程开挖的影响。     

软弱松散岩体浅埋隧洞衬砌结构设计研究

考虑软弱松散岩体的复杂性和浅埋隧洞山岩压力计算理论的不确定性,针对托巴水电站中路沟弃渣场排水隧洞,基于浅埋隧洞山岩压力不同的计算理论,通过SDCAD结构力学计算方法对衬砌结构展开稳定性分析。结果表明,对于软弱松散岩体浅埋隧洞,侧向山岩压力采用主动土压力的计算成果更为合适;在底板和边墙连接处增设贴脚措施,能够有效缓解直角方案的应力集中,并可减少抗剪钢筋,降低边墙和底板连接处剪切破坏的可能性,对保证工程安全、加快施工速度和节省工程投资具有重大意义。     

埋深及断面尺寸对隧洞围岩稳定性的影响

埋深及断面尺寸是影响隧洞围岩稳定性的重要因素.基于卸荷岩体力学理论,利用有限元分析程序ANSYS和大型岩土工程差分软件FLAC3D,对不同埋深和不同断面尺寸隧洞围岩的稳定性进行了模拟分析.结果表明:随着埋深的增大卸荷作用对隧洞围岩变形的影响越来越大;在埋深由小变大过程中,围岩经历了“压力拱”出现和消失过程;断面尺寸对浅埋隧洞围岩稳定性的影响较小,对深埋隧洞围岩稳定性有较大影响,并且随着埋深的变化其影响表现出不同的规律.     

不同断面形式节理岩体隧洞位移响应模拟

选择影响节理岩体隧洞稳定性的隧洞埋深、节理间距等因素进行模拟分析,得出不同断面形式隧洞的位移响应。结果表明:在侧压力系数为1时,节理岩体隧洞无论断面形式采用圆形、城门洞形还是正方形,隧洞各部位关键点位移都随隧洞埋深的增大而呈增大趋势,城门洞形隧洞侧壁围岩位移受埋深影响较为显著,圆形隧洞洞底位移受埋深影响较小,圆形、正方形隧洞洞顶位移受埋深影响较为显著;当节理间距缩小后,圆形隧洞和城门洞形隧洞能够更好地适应节理岩体的地质条件,但正方形隧洞在含交错节理时易形成楔形体,从而威胁隧洞局部稳定。     

不同埋深对某水电站隧洞围岩流变稳定性影响

在高埋深下进行隧洞的开挖意味着将克服巨大的构造应力与自重应力,而在进行洞室开挖设计中地应力作用也是不容忽视的。因此,基于卸荷岩体理论和流变理论,依托室内流变试验进行了相关流变参数的反演,结合有限元分析软件ANSYS以及有限差分软件FLAC对比分析了不同埋深下隧洞围岩在加衬砌前后的蠕变变形量、塑性区等。结果表明:随着埋深的增加,隧洞周围的卸荷作用会越来越明显;洞室的开挖卸荷及洞侧围岩的共同作用,使得隧洞在埋深由浅及深的过程中经历了从“压力拱”的出现到消失的过程;当埋深增加时隧洞的水平向位移越来越大,洞侧变形将成为影响隧洞稳定的一个主要控制因素。     

台山市老营底水库拟建引水隧洞选址方案比较

综合地形地貌、地层岩性、地质构造、隧洞埋深、岩体风化分带及岩体的强度、完整性、结构面状态、地下水等因素,对隧洞选址方案进行比选。     

粉煤灰坝填筑压重和振动对下卧输水隧洞的影响

陕西一电厂的粉煤灰库区下部基岩内埋设有邻近水库的3~#输水隧洞,隧洞已建成且埋深较浅。粉煤灰坝填筑过程中的压重及碾压振动会引起下卧输水隧洞衬砌结构的围岩压力发生变化,从而对隧洞衬砌结构的安全造成威胁,需要评估。为此,利用ADINA建立隧洞衬砌结构的静、动力分析模型,分析粉煤灰坝填筑过程中的静力荷载作用及灰土、初期坝和各级子坝顶部振动碾压的静动力耦合作用对隧洞衬砌结构的影响,对静荷载作用下的隧洞衬砌结构进行偏压复核和剪压复核,并总结振动荷载下加速度幅值和竖向位移的空间分布规律。研究表明:随着粉煤灰的堆填,隧洞衬砌结构竖向位移和内力逐渐增大,其中,隧洞拱顶竖向位移最大,最大值达到了0.005 m,隧洞拱脚附近衬砌结构的轴力、剪力、弯矩最大;隧洞衬砌结构的轴向承载能力不符合要求,剪切承载能力符合要求;激振频率对振动加速度幅值的影响主要集中在40 m埋深范围内;动、静力荷载作用下隧洞衬砌结构最大值出现位置基本一致,静动力耦合作用下隧洞衬砌结构内力最大值为静力荷载作用下的1.01～1.09倍,静力荷载作用是影响隧洞衬砌结构内力的主要因素。     

斜坡岩体中有压隧洞受力变形特性研究

斜坡岩体中有压隧洞的开挖及后期注水过程中,坡体下滑力对隧洞受力变形的影响及水压对隧洞围岩的影响是一个复杂的交互作用过程.斜坡滑动产生的下滑力会对洞室产生挤压作用,同时洞室内水压又要求洞室距离斜坡面不得小于某一极限值,可见滑动面附近是应力变化敏感区.斜坡岩体中浅埋有压隧洞是其中最不利的一种情况,在隧洞离斜坡面不同位置时,在平面应变条件下,定性分析了隧洞的受力变形行为.计算结果表明,对于浅埋情况,当隧洞离斜坡面水平距离约大于5倍隧洞半径时,滑坡产生的下滑力对隧洞的挤压作用显著减弱.可见,避开这个应力变化敏感区域对洞室的施工和后期运行比较有利.     

输水隧洞穿越典型断面围岩结构安全分析

复杂地质条件是影响TBM输水隧洞结构安全的重要因素，以某引水工程中输水隧洞为研究对象，理论推导了渗流—应力全耦合作用的数学模型，针对TBM输水隧洞穿越断层和最大埋深段，建立三维有限元模型，计算分析围岩初始地应力场、渗流场，以及不同工况下围岩位移、塑性区和应力的分布规律，研究结果表明：初始地应力和孔隙水压力随着埋深的增加而增大，最大埋深处和断层处初始地应力分别达到1.342MPa、0.680MPa,孔隙水压力分别达到0.260MPa、0.200MPa;开挖过程中，断层和最大埋深段隧洞拱顶沉降量基本接近，相对差值仅为0.11%,而拱底抬升量差值较大，达到31.28%;断层处围岩塑性区主要出现在隧洞两侧，最大深度为2.920 m,最大埋深处围岩塑性区主要出现在隧洞拱顶，最大深度为8.627 mm;围岩最大压应力在断层和最大埋深段分别为7.987MPa、6.510MPa;内水压力作用，围岩位移和最大压应力相对于开挖阶段均有一定程度的降低。     

湖南省桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性分析

为研究湖南桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性,在工程区开展了高压压水试验和地应力测试,定量描述了隧洞围岩在高内水压力作用下的渗透特性,分析了整个工程区特别是重要工程部位的岩体应力状态,在此基础上根据围岩条件、抗抬理论准则、最小主应力准则、渗透准则评价了高压引水隧洞的渗透稳定性。结果表明：(1)工程区水平主应力大小总体上随深度的增加而增大,3个主应力之间的关系为S_H>S_Z>S_h,属于走滑型应力状态,钻孔附近地壳浅表层的最大水平主应力方位平均为NW32°,高压岔管及厂房区域属中等-低地应力区。高压压水试验结果显示隧洞围岩属于弱至微透水岩体;(2)高压引水隧洞各洞段具有足够的埋深条件,满足抗抬理论准则,同时隧洞围岩的抗渗透能力及抗水力劈裂能力均较好,基本满足钢筋混凝土衬砌方案的要求。     

考虑围岩流变特性的隧洞锚喷支护可靠度分析

为了探讨岩体流变特性对水工隧洞围岩-支护体系的影响，提出了考虑围岩流变特性的隧洞支护结构时变可靠度分析方法。首先采用基于莫尔-库伦准则的西原模型，在静水应力场中给出锚喷支护圆形隧洞的黏弹-黏塑性解析解；然后根据锚杆内、外端位移的解析解和锚杆的屈服强度，构建锚杆承载能力可靠度计算功能函数；最后结合工程实例进行锚喷支护时变可靠度计算与分析。结果表明：围岩的流变特性对围岩位移和锚杆变形量的影响较大，锚喷支护的可靠指标值随时间推移不断减小，而后逐渐趋于稳定；对于围岩条件较差的水工隧洞，不考虑岩体流变特性影响的锚喷支护设计是偏于危险的。研究成果可为水工隧洞支护结构长期可靠性评价提供方法参考和理论支撑。