水工隧洞设计中外水压力的分析

水工隧洞设计中外水压力的分析

杜俊

广东省水利水电科学研究院广东广州510610

摘要：随着我国社会经济快速发展，水利水电行业也得到了进步，因此对水工隧洞的需求量明显增加。在目前水工隧洞设计中，依然存在很多问题，其中影响比较严重的就是外水压力。为了保证水工隧洞设计稳定进行，解决外水压力问题尤为重要。本文通过对实际工程中水工隧洞的设计情况，总结了外水压力分析的具体方法。

关键词：水工隧洞；设计；外水压力

在水电站工程建造中，很容易受到实际地理环境影响，针对这种情况，需要建设很多水工隧洞来解决实际问题。然而在水工隧洞建设过程中，经常受到地下水压力影响。因此，在设计过程中，如果能将水工隧洞混凝土衬砌上的外水压力的大小和分布确定，不但可以保证工程安装合理运行，也可以确定在实际建设中混凝土衬砌厚度。

1.工程概况

本文以黄河公伯峡水电工程为例，来进行水工隧洞设计中外水压力的探讨和分析。此工程位于青海省，距离西宁市150km，对于黄河整体水电站来说，公伯峡水电站属于大型梯级水电站，以发电为主，灌溉为辅。在水库中，蓄水位一般保持在2005.00m，设计洪水位和校核洪水位分别在2005.00m和2008.23m。该电站中的装机容量配比较大。由五台机组构成，单个机组容量是300MW，经过数据统计，公伯峡水电站平均每年发电量是51.4亿kwh，为我国西北经济发展提供重要保障。公伯峡水电站的中心枢纽主要由混凝土板堆石坝、右岸饮水发电系统，左岸泄洪装置以及左岸溢洪道等组成[1]。

在水电站工作过程中，水平旋流泄洪洞（如图一所示）具有重要作用，其结构追要包括进水口、竖井、水垫塘以及旋流消能段等结构组成。其中，旋流消能段的具体长度为50m，水垫塘段长度与旋流消能段长度相同，它是在导流段断面上修建0.5的钢筋混凝土衬砌而来。在水垫塘段形成收缩断面之后，就会与水电站中的导流洞相衔接，并通过导流洞形成退水洞。

图一：泄洪洞具体分布示意图

2.外水压力分析

在公伯峡水电站日常运行过程中，其泄洪洞的改建段均位于水库中的山岩之内，由于地理环境影响，山岩风化程度较强，岩相变化较大，而且在分布上也没有规律可循，地质条件相对较差。经过以上情况的长期影响，导致此处的外水压力分布及其复杂，而对于水平旋流泄洪洞整体结构来说，外水压力的取值决定着它能否安全运行，可见外水压力对水电站运行来说具有重要意义。另外，水平旋流泄洪洞的平洞改建段位于导流洞附近0到362m之间，如果将导流洞按照4级建筑来设计，那么泄洪洞就变成1级建筑，当然，这还需要对导流洞整体进行审核后进行确定。

2.1对外压力分析方法

目前，我国常用的对外压力分析方式主要有两种，一种是将外水压力作为面力来进行分析。另一种是将对外压力当做体积力来进行分析，对于这两种分析方式来说，优缺点明显，前一种方法在概念叙述上非常简单，比较适合在实际工程中进行应用。但是对于公伯峡水电站中的外水压力分析来说，地理环境复杂，很难进行准确模拟计算，而且计算结果可能与实际差别较大，因此，在研究过程中，一定要注意细节把握，并通过多次计算，得出平均值。

首先，如果将外水压力当做面力来进行研究时，会使地位水位线的确定变得非常简单，但是实际的外水压力取值差别比较明显。而且在操作过程中，由于难度较大，在具体处理中应该最好把握，保证折减系数取值不可过大，一旦出现过大现象，不仅显得结果过于保守，有时甚至还会导致设计意图不能实现，同时也要保证折减数值不能过小，否则会影响整个电站系统安全问题。在设置排水后的折减数值时也是同样的道理，而且在排水过程中可能会伴随着失效性，因此，在外水压力分析取值中，一定要进行仔细分析。

2.2外水压力大小以及分布分析

如果用面力进行外水压力分析，主要考虑以下两种情况，一种是作用在衬砌边缘的外水压力，另一种是作用在岩石固接圈的外水压力。之所以要考虑岩石固接圈上的作用力是因为在水工隧洞在进行灌浆后的锚杆设置中，可以确保衬砌与岩石的联合作用。

2.2.1折减系数法

由于在很多水工隧洞中，断层裂隙分布较为密集，形态分布不一，宽度在1到3m之间的居多，最宽将达到4m。一般来说，越靠近隧洞下方的地下水资源越丰富，其围岩中的基石裂缝潜水性越强，局部裂隙性潜水也会呈现出渗流状态。

根据实际泄洪洞中的地质条件，以及地下水活动情况的总结，以此来设置排水孔，并和以往其它类似工程做比对将折减系数设置为0.1，换句话说，就是作用在退水洞顶端衬砌出的11.0m位置上，底板距离为28.0m，此时外水压力可以按照直线分布进行考虑。

2.2.2利用有限元进行外水压力分布和大小分析

在利用有限元法进行分析过程中，可以充分体现出有限元的优势，并将排水孔的分布进行精确模拟，来评价处固结灌浆圈的具体作用和设置排水措施的重要性[2]。

如果在退水洞中不采用排水措施，则作用在固结灌浆圈的压力水头值要小于2.1m，但要1.13m大，而作用于混凝土外侧压力值会达到3.62m，因此，在外围围岩进行固结灌浆圈安装可以对外水压力有缓解作用，所以，在水电站汇总加强固结灌浆工作是非常有必要的。另外，如果在设置有固结灌浆圈的前提下，排水孔的设置与否，也会影响到外水压力大小。如果进行排水孔设置，衬砌外侧的洞顶压力将会从36.8m一直降到3.44m，从数据上看，外水压力下降明显，所以说排水孔的甚至对降低外水压力具有重要作用。

针对上述两种分析方法来说，有限元法容易受到地质情况的干扰，在实际中应用比较困难，特别是对公伯峡水电站这种地质复杂的水电站来说，效果不明显。但是它可以真实反映出外水压力分布，确定外水压力对水洞隧道各个部分具体影响，从而制定防护措施。对于折减系数法来说，是按照地下水活动情况，以及对围岩稳定情况作出分析，通过结合排水措施，来对地下水的外水压力进行折减，对于折减法来说，可以对不同外水压力进行区分，但无法考虑围岩固结灌浆作用，因此，也很难确定固结灌浆对外水压力是否具有折减作用。

总结：综上所述，通过公伯峡水电站实例分析可以看出，运用不同的方式进行水工隧洞外水压力分析，其效果差别比较明显。从分析结果中可以看出，不同的计算方法都有其固定特点，工作人员应该根据工程实际特点，来选择最合适的方法水工隧洞设计中的外水压力进行计算分析，来保证水电站整体平稳运行，为人们生活提供便利。

参考文献：

[1]邵潮鑫，沈振中.基于ANSYS的隧洞衬砌有限元分析配筋法研究[J].南水北调与水利科技，2014，（04）：116-119.

[2]郑治，刘杰，彭成佳.水工隧洞受力特性研究和结构设计思路[J].水力发电学报，2010，（02）：190-196.