浅谈水利工程中压力隧洞型式的研究

摘 要：水工建设中，压力隧洞型式选择是一个施工重点，它的型式以及埋设深度关系并影响着水利工程的施工工期与施工成本。实际施工中，若能正确选择与应用压力隧洞，掌握其正确的施工工艺流程与方法，对水利工程的质量提升也未尝不是一件好事。本文现对水利工程中关于压力隧洞型式的选择方法进行研究，论述了压力隧洞的重要性以及型式选择的前提，得出结论供同行参考。

关键词：水利工程；压力隧洞；隧洞型式；研究

为了满足社会需要，各国均加大了水利工程的建设力度，水利工程建设事业在当下得到了空前的大发展。鉴于水利工程的质量与性能需要依靠压力隧洞来发挥，因此在水工建设中，做好压力隧洞的施工十分重要。而压力隧洞型式选择作为隧洞施工工艺的一个重要组成部分，其不仅影响着隧洞的施工质量，还连带着对水利工程的整体质量产生了影响。所以得出，做好水利工程中压力隧洞的选型对保障工程质量、提升工程性能具有重要的意义。

一、压力隧洞及压力隧洞选型的重要性

压力隧洞是水利工程中的一个必需组成部分，在水利工程中占据着极其重要的位置。实际施工中，压力隧洞的埋设深度对工程的施工工期以及结构稳定性有着重要的影响，并涉及到工程性能的发挥。对水利工程施工来说，压力隧洞施工是施工全过程中的重点，同时也是一个难点。

压力隧洞选型属压力隧洞施工的一部分，直接决定的压力隧洞的外观形式与内部结构功能。压力隧洞施工时，如果能将隧洞所受到的水压力荷载全部传递到岩体上，并且又不会引起岩体发生滑移、涌水等危险现象，那么此时压力隧洞距离地表的直线距离则为隧洞的最小埋设深度。一般来说，水利工程中关于压力隧洞的埋深问题多是埋深值越小，压力隧洞的性能便越好，连带着水利工程的质量与性能也更好。

二、压力隧洞选型的前提

压力隧洞选型的基本要求是科学、准确，埋深适当。根据这一指标要求，实际选型与隧洞设计时，必须坚持以下基本原则：尽最大可能将隧洞内部的水压力荷载，尽可能多的传递到隧洞周围的岩体上，以保护隧洞结构本身以及周围岩体的稳定性。水利工程中红常用的一种隧洞形式——高水头隧洞，其在施工时就采用了无承力衬砌型式，隧洞在运行时基本不负责承担水压力荷载，而由周围的岩体负责承担。值得一提的是，高水头隧洞施工时应用了混凝土和钢筋混凝土衬砌技术，在岩石破碎段实施了混凝土衬砌，其主要目的是为了促使隧洞将水压力荷载尽可能多的传递给周围的岩体，并为隧洞运行创造良好的工作条件，在一定程度上减小，甚至完全避免隧洞的渗流量。

尽管高水头隧洞形式在一般情况下能够很好的满足压力隧洞的选型要求，但在某些特殊情况，比如隧洞泄空时，隧洞所具有的防水流渗漏性以及其他的方面的性能并不是很理想，这就需要重新设计和选用其他更为经济的结构。实践中，如果遇到了水压力荷载不能传递给隧洞周围岩体的情况，这时应该选用预应力钢筋混凝土衬砌技术来加以处理，以保障隧洞的水压力荷载传递功能，适当缩短隧洞以及水利工程的施工工期，并降低工程造价。

三、无衬砌压力隧洞的最小埋深计算分析

压力隧洞的最小埋深指的是，若能将隧洞内的水压力荷载传递到山岩岩体，而不致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。实际上，是指无衬砌压力隧洞的最小允许埋设深度。下面以某埋深不大的压力隧洞附近山岩岩体应力——变形状态的分析成果，作为具体实例进行研究。该压力隧洞内径9.5m，水头为160m（P=1.6MPa），穿越一段地形低洼地段。隧洞在地形低洼地段的最小埋深（至隧洞的顶拱）为36m。该洼地是一个山谷隘口，两侧与水平面的坡度分别为26°和46°。山岩岩体由弱泥质密实的层状石灰岩组成，层厚0.4m～0.8m。岩层隧洞轴线对水平面的倾角为6°，在垂直于隧洞纵轴的平面内，岩层对水平面的倾角为65°。顺层理的岩体变形模量采用E11=7000MPa：垂直于层理的岩体变形模量E⊥=3600MPa，泊桑比V=0.2，由于是空间结构，故利用计算机应用程序以有限元法求解。

在研究的主要部份，考虑隧洞衬砌不承受水压力，而将水压力全部传递给岩体。也不考虑隧洞衬砌附近岩石灌浆区的存在--岩石灌浆区拟作为安全余量。各种计算情况下的塑性变形区的范围（即隧洞最小埋深段，岩石中可能的裂缝开展区）。数值研究成果的分析表明，在隧洞内的水压力作用下，岩石中可能发生破坏区的大小，由岩体的应力状态决定，而与岩石的强度指标无关。然而，有理由作出推测；与计算情况相比，从定性上讲，所进行的岩石灌浆多少会减少可能破坏区的范围。增加隧洞的埋深，将导致塑性变形区范围缩小，并使其尺寸稳定在距开挖轮廓线1.3m～1.5m范围内。 在此情况下，考虑了隧洞中具有厚80cm，含筋率为1%的钢筋混凝土衬砌。衬砌中径向裂缝张开，一部分力由钢筋承担，而另一部分力则传递给岩体，则岩石塑性变形区的最大发展范围达7m。如果不考虑衬砌，则所进行的计算结果证明，塑性变形区有可能在垂直方向扩展到距开挖轮廓线达10m的范围。因此，在最坏的计算情况下，隧洞上部岩石仍保留有很大范围的受压区，因而在所研究的情况下，可以采用无衬砌压力隧洞完全承受水压力。

对数值研究结果，其中包括一些中间性资料（利用初始应力法的特有加速方案得到的非线性解，在某种程度上使岩体加载）进行的分析表明，使很大范围的岩体参加受力，在水压力的作用下，开挖轮廓内的岩体将发生应力重分配现象。岩石可能破坏区的大小，不允许根据弹性问题的解答结果进行评估，因为随着破坏区的发展，将会大大改变岩石的应力状态。因此，在此情况下，破坏区将停止发展，在比这更大的水压力作用下，达到平衡状态，这可以由弹性问题求解。因为在埋深相对不大的深处，岩体的应力状态在很大程度上取决于地形条件和岩体的结构，在设计时考虑此因素极其重要。

四、结束语

综上所述，随着我国水利工程建设规模的不断扩大，工程质量以及工程性能保障所受到的关注也越来高。鉴于隧洞是水利工程的一个重要组成部分，隧洞型式选择正确与否对工程质量优劣有着重要影响。因此在水利工程实践中，对于压力隧洞的选型必须结合工程实际情况，在了解了岩体的结构与应力状况后，设计并编制一套正确、可行的施工方案，采取科学的施工技术对隧洞进行施工处理，确定出隧洞的最小埋深值，以达到正确选择水利工程压力隧洞型式的目的。■

参考文献

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[2] 李晓梅，王鹏飞. 麻沟水库导流兼放空隧洞设计与研究[J]. 河南水利与南水北调. 2013（12）

[3] 申士广. 浅谈水利工程中压力隧洞型式的研究[J]. 黑龙江科技信息. 2013（21）

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