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浅谈压力隧洞结构设计的几点体会
摘要:目前水工隧洞结构设计仍处于半经验半理论阶段,还有许多问题需要通过工程实践与理论研究作深入探讨。本文论述了水工压力隧洞最小覆盖厚度、外水荷载、钢筋混凝土衬砌轴向裂缝与限裂设计、等涉及水工压力,而衬砌的目的是加固围岩,保护围岩,与围岩联合工作,共同承载,这时衬砌外缘已不再是结构的自由边界。位处地下水位以下的衬砌所受外水荷载为浮力及相应渗流场产生的渗透体积力,在衬砌与围岩密切接触,联合工作条件下,正如不再存在作用于衬砌外缘边界上的山岩压力一样,此时衬砌外缘也不复承受作为边界荷载的外水压力。
由上可见,现行《水工隧洞设计规范》[(SL279-2002)、(DL/T5195-2004)](以下简称《规范》)引用“外水压力折减系数”概念,采用衬砌与围岩相脱离计算模型,将作用于衬砌的渗流体积力用作用在衬砌外缘的边界水压力代替,显然这是一种工程近似处理。也就是说,隧洞结构所受外水荷载为体积力是含水围岩的一般形态,而边界力是它的特殊形态,《规范》引用“外水压力折减系数”估算外水荷载仅是一种工程简化与近似处理,并未揭示外水荷载的工程本质性态。水工结构工程师明晰这一点,无疑可加深对隧洞外水荷载这一基本荷载的认知与对《规范》简化处理的理解。
隧洞外水荷载与隧洞所处山体地形、围岩渗透系数、岩层结构、地质构造、渗流流态、衬砌结构、排水条件等有关,对重要隧洞工程,如要准确确定,则需通过渗流场分析求算。
由于渗流场分析计算工作量较大,且囿于计算模型选取、计算参数确定存有实际困难,对一般隧洞工程这一方法便显得不现实,通常仍采用“外水压力折减系数”方法进行估算。
《规范》对外水压力折减系数的水力学意义界定,系指衬砌外缘所受水压力与隧洞轴线处地下水静水压力之比。而工程师在设计取值时,尚应考虑渗流中水头损失影响,无外水压力作用面积折减影响与排水设施的卸压影响,并应充分分析研究内水外渗对隧洞开挖后渗流场的扰动影响和对隧洞结构运行安全的影响。
如某水库调压井与隧洞衬砌质量差,内水外渗严重,致使近调压井隧洞衬砌外表面聚集很高的外水压力,在隧洞紧急下闸放空检查时,聚集的外水没有时间排出,而隧洞衬砌裂缝在外水压力作用下迅速闭合,外水返渗受阻,衬砌因承受极大的分布不均外水压力而遭破坏,只得采用钢衬进行加固处理。
这一工程事故实例明确无误地告诫水工工程师应高度重视隧洞外水荷载的合理取用与内水外渗可能产生的严重后果。
《规范》外水荷载近似处理的理论缺陷
上目“”所述《规范》外水荷载计算模型,将作用于隧洞衬砌的渗透体积力简化为作用于衬砌外缘的边界力,这一近似处理在理论上存有明显缺陷。
《规范》明确规定,水工隧洞混凝土及钢筋混凝土衬砌结构按限制裂缝开展宽度设计, mm,但是《规范》又假定衬砌是不透水的,将内水压力、外水荷载分别视作作用于衬砌内缘、外缘的边界力。即《规范》衬砌结构的固体力学模型认为衬砌已开裂且裂缝充分扩展,衬砌裂缝渗透性能很强;而衬砌结构的水力学模型又认为衬砌是不透水的,将内水压力、外水荷载作为面力处理,相互矛盾。显然,《规范》隧洞衬砌结构计算模型的不协调性,反映出《规范》设计理论的不完备性。





4钢筋混凝土衬砌的水工隧洞轴向裂缝与限裂设计

《规范》“条文说明”明确指出,“采用混凝土和钢筋混凝土衬砌的水工隧洞,不可避免地都会出现裂缝”。其缘由是混凝土是抗拉强度远低于抗压强度的材料,试验资料给出混凝土的极限拉应变值εmax=~,于是隧洞混凝土衬砌能经受的降温变化只有7℃~10℃,从而常难抵抗降温与荷载联合作用产生的拉应力而开裂。在混凝土产生裂纹时,钢筋由于与衬砌混凝土变形协调,处于低应力工作状态,约为2×104kPa,也就是说,此时钢筋对钢筋混凝土衬砌的抗裂性能贡献甚微,无力以助。
如不计变温应力,则对于内半径r0=,,若衬砌混凝土的极限拉应变取εmax=1×104,由式σmax=Ecεmax(Ec为衬砌混凝土弹性模量)。
又由仅受内水压力作用的拉梅(Lame)公式:
(7)
式中:r0―隧洞衬砌内半径;r1―隧洞衬砌外半径;p0―衬砌内表面所受均匀内水压力。
令σθ=σmax,可得p0= MPa。这说明当不计围岩抗力,内水压力大于72 m水头时,隧洞衬砌混凝土将开裂。也就是说,对于高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌,当衬砌所受主拉