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水工高压隧洞性状分析 摘要 大规模抽水蓄能电站的建设是现代电网的必然产物，它在电力系统中起调峰 填谷作用，提高电网运行的灵活性和可靠性；相应高水头大直径水工压力隧洞的 建设也逐渐增多。压力隧洞传统计算方法假定围岩是不透水介质，忽略了围岩中 渗流和渗透力的不利影响，从而导致设计时隧洞轴线方向上覆盖层厚度不足。因 此，从渗流场和应力场耦合的角度，探求压力隧洞围岩性状，进而指导工程实践， 具有重要的理论和工程意义。 本文将围岩看作连续的透水弹性介质，从压力隧洞围岩渗流场着手，分析压 力隧洞围岩中水压力分布，进而研究围岩中渗流产生的应力场，结合对隧洞围岩 二次应力场的分析，探讨考虑渗流场和应力场耦合作用下围岩三次应力场特性。 并依据应力场的分析评述了现有压力隧洞设计准则，以期能指导压力隧洞设计。 首先，运用h a r t ( 1 9 6 2 ) 镜像原理推求压力隧洞围岩中水压力分布；结合水压 力的分析，利用f e r n a n d e z ( 1 9 9 4 ) 的假定推求压力隧洞围岩中渗流产生的应力场， 并对不同地表条件下渗流产生的应力场进行详细分析，从中得到一些结论。 其次，对倾斜地表下隧洞开挖产生的二次应力场进行分析，分析结果反映地 表倾角对围岩应力场特性的影响。在渗流场和应力场耦合的基础上对倾斜地表下 压力隧洞围岩应力场特性避行分析；并对稳态渗流场下围岩应力场以及上覆层稳 定性进行详细分析。分析结果反映渗流场、坡角、边界条件均对围岩应力场产生 影响，并从中得到一些相关结论。 最后，根据对围岩应力场的分析，对现有确定压力隧洞最小覆盖层的经验准 则进行了评价，提出一种新的确定压力隧洞位置的方法。 关键词：水工高压隧洞；渗流场；应力场；渗流；挪威准则；最小覆盖厚度；水 力劈裂；倾斜地表；抽水蓄能电站 b e h a v i o ro f h y d r a u l i ch i g hp r e s s u r et u n n e l s a b s t r a c t w 岫t h ei n c r e a s eo fl o a do f t h ep o w e rg r i da n dt h e1 0 a dd i f f e r e n c eb e t w e e np e a k a n dv a l l e yl o a d ，t h ep o w e rs y s t e mw i l lb es e r i o u s l yl a c ko fp e a k i n gc a p a c i t y t om e e t t h ep e a k i n gn e e do ft h eg r i da n di m p r o v et h es 0 1 k r c es t r u c t u r eo ft h es y s t e m , i ti s n e c e s s a wt oc o n s t r u c tt h em a s sp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n a n dm o r eh i g h p r e s s u r e t u n n e l sw i l lb ec o n s t r u c t e d n l ec h a n g ei ns t r e s s e si nt h er o c kn l a s s g e n e r a t e db yt h ei n t e r n a ll o a d i n go fap r e s s u r i z e dt u u n e l ，h a st r a d i t i o n a l l yb e e n e s t i m a t e da s s u m i n gt h a tt h er o c km a s si si m p e r m e a b l ea n d l a tt h ei n t e m a lp r e s s u r ei n t h et m m e lc a r lb et r e a t e da sam e c h a n i c a ll e a da p p l i e dt ot h ew a l l so ft h eo p e n i n g t h e d e l e t e r i o u se f f e c t so f p r e s s u r i z e ds e e p a g e ，p e r c o l a t i n gt h r o u g h t h en a t u r a l d i s c o n t i n u i t i e si nt h er o c km a s s ，h a v eg e n e r a l l yb e e ni g n o r e d ，r e s u l t i n gi nt u n n e l a l i g n m e n t sw i t hi n a d e q u a t el a t e r a la n dv e n i c a lc o v e r t h e r e f o r e 。t h es t u d yo ft h e b e h a v i o ro fp r e s s u r et m m e l ss h o u l db eb a s e do nt h ec o u p l e ds e e p a g e s t r e s sm o d e lh i o r d e rt og u i d et h ep r a c t i c ei nr e a s o n i nt h i st h e s i s ，t h er o c km a s si st r e a t e da sac o n t i n u o u sp o r o u se l a s t i cm e d i u m ，o n t h eb a s i so f t h es e e p a g ef i e l do f t h er o c km a s s ，t h ep o r e w a t e r - p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n t h er o c km a s sa r o u n dt h et 【】l r m e l si se v a l u a t e d t h e n ，t h es e e p a g e i n d u c e ds t r e s s e si n t h er o c km a s si ss t u d i e d b a s e do i l - t h ea n a l y s i so fs t r e s sf i e l di nt h er o c ki n a s sa r o t m d t h ee x c a v a t i o n , t h es t r e s s e sb e h a v i o ro ft h ep r e s s u r et u n n e lw i t ht h ei n t e r n a lp r e s s u r e i ss t u d i e du s i n gt h ec o u p t e ds e e p a g e - s t r e s sm o d e l o n t h eb a s i so f t h es t r e s s e sa n a l y s i s ， t h ee x i s t e dd e s i g nr u l e so f p r e s s u r et u n n e l sa r ed i s c u s s e d f i r s t ，t h ep o r e w a t e r - p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h er o c km a s sa r o u n dt h ep r e s s u r e t u n n e li se v a l u a t e du s i n gt h ei m a g ew e l lm e t h o dp r o p o s e db yh a r t ( 1 9 6 2 ) t 1 l e s e e p a g e i n d u c e ds t r e s s e si nt h er o c km a s si sa n a l y z e d a n ds e v e r a lc o n c l u s i o n sa r e g a i n e d s e c o n d ，t h ei n f l u e n c eo fa n g l ew a sa n a l y z e di nt h es t r e s s e sa n a l y s i si nt h er o c k m a s sa r o u n dt h ee x c a v a t i o n t h es t r e s sf i e l da r o u n dp r e s s u r em n n e l su s i n g 协e c o u p l e ds e e p a g e s t r e s sm o d e lt oe v a l u a t e a n dt h es t a b i l i t yo ft h es l o p ew i t h i m p e r m e a b l es u r f a c ei sa n a l y z e d t h er e s u i ti n d i c a t e st h a tt h es e e p a g ef i e l d ，s l o p e a n g e l a n dt h eb o u n d a r yc o n d i f i o ni s i n f i u e n c et h es t r e s sf i e l d a n ds e v e r n l c o n c l u s i o n sa r eg a i n e df r o mt h i sa n a l y s i s f i n a l l y , b a s e do nt h es t r e s s e sa n a l y s i so ft h er o c km a s s ，t h ee x i s t e dd e s i g nr u l e s a r ed i s c u s s e d a n dan e wm e t h o dt op r e d i c tt h es a f el o c a t i o no ft h ep r e s s t t r et u n n e l si s d e v e l o p e d k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r et u n n e l ，s e e p a g ef i e l d ，s e e p a g e ，s t r e s sf i e l d ，n o r w a yr u l e ， m i n i m u mo v e r b u r d e n ，h y d r a u l i cf r a c t u r e ，d e c l i n e dg r o u n d ，p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n 浙江太学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和问题的提出 1 1 1 课题背景 随着我国国民经济的飞跃发展，全国各地电网容量不断增大，目前东北、华 北、华中和华东四大电网装机都接近或超过2 0 0 0 0 m w ，解决电网的调峰容量已 成为当前电力生产中的紧迫问题；近年来，一大批3 0 0 m w 与6 0 0 m w 的大型火 电机组和9 0 0 m w 的核电机组相继兴建并投入运行，保证这些大机组带基本稳定 负荷和安全经济运行，已成为我国电力生产中另一迫在眉捷的问题。现阶段我国 电网主要利用中型火电机组和大中型水电机组承担峰荷。由于结构疲劳和燃料消 耗率的限制，火电机组( 尤其是核电机组) 难以适应负荷的大幅度变化和频繁的 起动。开发抽水蓄能电站能够改善电网运行结构，提高电网整体安全经济性，这 是工业发达国家几十年经验所证明的事实【“。 大规模抽水蓄能电站的建设是现代电网的必然产物，它在电力系统中起调峰 填谷作用，与火( 核) 电、径流式水电站配合运行，能节约系统燃耗，提高火( 核) 电设备利用率，改善电网供电和环境质量；增加径流式电站电能的有效利用程度， 是季节性电能利用的大户：还可在系统中担负调频、调相、负荷调整、旋转备用， 提高电网运行的灵活性和可靠性附，3 ，稍。 我国抽水蓄能电站的研究始于上世纪7 0 年代初1 1 , 5 ，我国在上世纪6 0 年开 始进行抽水蓄能电站的建设，最近十几年来已建成的有广州抽水蓄能电站( 水头 5 l o r e ) 、北京十三陵抽水蓄能电站( 水头4 3 0 m ) 、西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站( 水 头8 4 1 ，5 5 m ) 和浙江天荒坪抽水蓄能电站( 水头5 l o r e ) 。此外，将开工的和正在 规划设计的有：五常电站( 水头7 l o r e ) 、荒沟电站( 水头3 5 4 m ) ；辽宁的青石岭 电站( z k 头4 4 0 m ) 、步云山电站( 水头3 0 5 m ) 、蒲石河电站( 水头3 3 7 m ) ；河北 的雾灵山电站( 水头1 1 5 2 m ) 、张河湾电站( 水头3 4 8 m ) ；西龙池电站( 水头8 1 9 m ) 。 1 1 2 问题的提出 高水头抽水蓄能电站的建设使输水隧洞的设计水头越来越高，般认为隧洞 内水压力大子1 4 2 5 m 水头时 6 1 ，钢筋混凝土衬砌将会开裂，而混凝土衬砌开 裂，则不自甚有效的承受内水压，因而在商水头作用下，不可能让混凝土材砌来承 受内水压力，大部分内水压力将由压力隧洞围岩来承担。围岩作为高水头压力隧 洞设计中的主要承载结构体，有必要对其性状研究。 在1 9 世纪和2 0 世纪下半叶发生了几超重大工程事故啊：( 1 ) t 8 9 5 年4 月， 浙江大学硕士学位论文 法国b o u z e y 重力坝失事。事后分析，失事的原因是该坝设计时未考虑作用于坝 基上的扬压力。( 2 ) 1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 坝失事是拱坝第一次溃坝记录，经检 查，坝的设计符合规范，施工质量良好。直到1 9 8 7 年，通过一次以溃坝为主题 的国际研讨会，才有了初步结论：左坝肩岩基中过大的水压力使坝基岩块沿断层 滑动而溃坝。( 3 ) 1 9 7 6 年，当时世界上最高的土坝，美国t e t o n 坝发生渍坝，经 反复查证，确认坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌 而最终遭致溃坝。( 4 ) 1 9 8 5 年，美国b a t h c o u n t y 抽水蓄能电站高压钢管中的一 条出现了屈曲破坏。水工隧洞及其它隧道工程塌方事故频繁，多为岩石裂隙水的 不利作用所引发。综上所述，许多工程事故都与岩石力学，特别是岩石水力学密 切相关。 挪威是世界上最早建设不衬砌压力隧洞的国家之一，早期挪威压力隧洞设计 原则是“静水压力”理论，即隧洞围岩看作均质，各向同性不透水的弹性介质， 内水压力当作机械荷载作用在压力隧洞内表面上，而后按弹性力学理论进行分 析。该设计理论未考虑岩体中结构面的影响，忽略了岩体中渗流应力的不利影响， 从而未能真正从岩石水力学的观点出发设计压力隧洞。s c h l e i s s ( 1 9 8 6 ) 8 认为岩 体中存在节理、裂隙或断层等各种结构面，压力隧洞的内水会在这些结构面中流 动，由于结构面内渗流产生的渗透力会使岩体结构面产生形变，从而改变了压力 隧洞围岩的渗透性；隧洞围岩的渗透性改变反过来会影响岩体中的渗流，即使渗 透力发生改变，进而又影响到隧洞围岩和结构面的变形。从而提出了基予岩石力 学一岩石水力学耦合机理的压力隧洞设计新思路，如图1 1 所示。但s c h l e i s s ( 1 9 8 6 ) 提出的耦合设计思路中存在这样一个问题，即岩体中渗流场的变化会改 变岩体的应力场，岩体应力场的变化又反过来影响岩体渗流场，引起渗流场的变 化，进而影晌应力场。这样，两个场都会永不停息的变化下去。徐则民例 ( 1 9 9 8 ) 指出在一定时空范围内，只有一个场是主动变化场，而另一场是被动变 化场，即要么渗流场的变化诱发应力场的变化；要么应力场的变化引起渗流场的 变化，这种诱发作用是单向的、不可逆的。对压力隧洞而言，隧洞充水后围岩中 渗流场的改变为主动变化场，围岩应力场的改变为被动变化场，要使现两场耦合， 其重点是分析压力隧洞充水引起围岩渗流场的变化。 压力隧洞内水外渗产生的应力场分析方面，z i e n k i e w i c z & p r o - k ( 1 9 5 8 ) t 嘴先 提出内水压作用下弹性多孔透水介质中应力分布；b o u v a r d & p i n t o ( 1 9 6 9 ) 和 s c h l e i s s ( 1 9 8 6 ) i s 提出了计算压力隧洞外渗透压力和渗流有效应力的方法； f e r n a n d e z & a i r a 2 e z ( 1 9 9 4 ) i l l 应用h a r r ( 1 9 6 2 ) 提出的镜像理论得到了水平地 表下半无限空间介质中压力隧洞外渗流有效应力场。但z j e 砌d e w i e z ( 1 9 5 8 ) 的解是 建立在理想弹性厚壁管中渗流场基础上，因而其解对边界条件有严格的限制，难 浙江大学硕士学位论文 于应用于实际压力隧洞工程；b o u v a r d ( 1 9 6 9 ) 在计算压力隧洞外渗流产生的应力 场时引入了一个随机径距b ，且他在文中没有对b 的取值进行讨论；s c h l e i s s ( 1 9 8 6 ) 对压力隧洞外渗流产生的应力场分析更为详细，他考虑了隧洞衬砌和高压注浆的 影响，同时还对b o u v a r d ( 1 9 6 9 ) 解引入的b 值进行探讨，但他仍没有考虑边界条 件的影确；f e r n a n d e z ( t 9 9 4 ) 盼解是建立在稳定渗流场基础上的，在求解过程中未 引入新的随机变量，但他的解对压力隧洞相对埋深和地表边界条件作出了限定。 因此说，他们提出的解都有一定的适用条件和局限性，有必要对隧洞外渗流产生 的应力场进行分析，寻求一个更适用的解。 图1 1 压力隧洞力学一水力学耦合分析 1 2 岩体特性及渗流场和应力场耦合研究现状 1 2 1 岩体特性 岩体区别于连续介质岩石主要在于其具有结构的特殊性，而这种结构的特殊 性对岩体力学性质往往具有强烈影响与控制作用，正因为如此，岩体力学性质与 同种介质岩石力学性质一般存在很大差别。在自然条件下，岩体均被各种地质界 面分害成若干块体，这些块体有序或无序地组合于起便形成岩体。在岩体力学 中，通常将各种地质界面抽象为结构面，而把被结构面分割的所有岩石块统称为 结构体，结构面和结构体均属于岩体的结构单元或结构要素，岩体结构可以定义 为结构单元在岩体中排列与组合的型式，如图l 。2 。众所周知，岩体形成之后在 长期地质历史进程中经历了各种内、外动力地质作用的反复叠加改造与破坏，从 而形成多样的结构型式。在工程上，探讨由于工程活动使岩体现存环境条件改变 而导致其发生再变形及再破坏的规律，而影响与控制岩体的这种再变形及再破坏 方式的主要因索在于岩体的结构型式( 豫，l 孤。 浙江大学硕士学位论文 图i 2 岩体结构示意图i l j 1 2 2 单裂隙岩体渗流和应力耦合研究现状 在裂隙岩体渗流与应力的耦合分析中，最为关键的是单裂隙面渗流与应力关 系的建立，这是人们近来研究的重点之。关于单裂隙面渗流与应力关系的建立 可以从以下三方面入手【1 4 , 1 5 ；直接通过试验探求渗透性与应力的经验公式； 根据裂隙面的法向变形公式间接地推导渗透性与应力的关系；提出某种理论概 念模型来解释渗流与应力的耦合规律。 ( 一) 直接经验公式 目前已有部分国外学者对单裂隙面渗流与应力的关系进行了探索性的实验 研究，主要有以下成果 1 4 , i 5 ： l o u i s ( 1 9 7 4 ) 首先进行室内实验的研究；j o n e s ( 1 9 7 5 ) e 1 6 】对碳酸岩类裂隙进行研 究；n e l s o n ( 1 9 7 5 ) 对n a v a j o 砂岩裂隙进行研究；i c r a n z ( 1 9 7 8 ) 1 7 1 对b a n e 花岗 岩裂隙进行研究；g a l e ( 1 9 8 2 ) 对花岗岩、大理岩、玄武岩三种岩体裂隙进行室内 实验的研究，他们都在自己研究的基础上提出了裂隙岩体渗流和应力之间的经验 公式，且他们提出的经验公式都各不相同 而且他们又都是在某种特定的条件下 得出的，其合理和适用性尚需得至u 迸一步的验证。 ( 二) 问接公式 由于在一定的法向应力作用下，裂隙面会发生定的闭合，这就改变了裂隙 宽度，使之减小，从而使裂隙面的渗流量发生了改变。因此可以根据已有的法向 变形公式，间接地得出渗透性与应力的关系。 划继山( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) o s , n 根据孙广忠提出的指数型口。一v i 曲线，并采用 b h = b 。( b h ，b m 分别表示等效水力隙宽，机械隙宽) 的假定，得出关于渗透系数 和渗流量的公式。b a r t o n ( 1 9 8 5 ) f 2 q 根据b a n d i s 提出的双曲线型- a v j 曲线， 并提出b h 的经验公式，从而得到渗流量的公式。 在刘继山的公式中采用了b h = b 。的假定，即没有将b h 与h 。区分开来，而实 际上b h 与b 。是不等的，b a r t o n 则考虑了这一影响，并给出了b h 与b 。的经验关 系式，因此b a r t o n 提出的公式更为合理一些。 ( 三) 理论模型 为了解释应力作用对裂隙面渗透性的影响机理，人们试图提出某种理论模 浙江大学硕士学位论文 型。目前主要有三种 1 4 , 1 5 1 ：洞穴模型、凸起模型以及洞穴凸起结合模型。 g a n g i ( 1 9 7 8 ) t 2 1 1 首先提出钉床模型，以钉状物的压缩来反映应力对渗流的影 响；w a l s h l 2 2 ( 1 9 8 1 ) 贝1 j 将为描述裂隙力学变形性质提出的洞穴模型【2 3 1 进行了推 广，用来描述应力对裂隙面的渗流特性的影响 2 4 1 ，但由于这两种模型具有一定 的局限性，不能兼顾解释高应力下裂隙面的渗流、力学性质。继后t s a n g 和 w i f f ；e r s p o o n 瞄j ( 1 9 8 1 ) 在上述两种模型的基础上进一步提出了洞穴一凸起结合 模型，这一模型以洞穴模型反映裂隙面的变形性质，以凸起模型反映裂隙面的渗 流性质。该模型的提出使得单裂隙面渗流、力学及其祸合特性得到很好的解释。 ( 四) 高应力下裂隙面的渗流力学性质【”】 1 w a i 通过实验发现，当应力达到2 0 m p a 时，裂隙岩体的力学特性已接近于 完整岩块，但其渗透性却远远大于完整岩块，这一点也为k r a n z 等【1 7 】的实验研究 所证实，他发现当应力达到3 0 0 m p a 时裂隙岩体的渗透性才接近于完整岩块。这 一现象已为t s a n g 和w i t h e r s p o o n ( 1 9 8 1 ) 【2 5 j 提出的洞穴一凸起模型所解释。 总结以上研究成果，可将渗流与应力相互作用及关系式归纳为表1 1 2 6 , 2 7 。 表1 1 渗流与应力相互作用及关系式 ( 式中：k f 一岩体正应力为。时的渗透系数； 一为岩体的体积应力和渗透水压力；a ，b ， k o 一岩体正应力为时。o 的渗透系数：o ，p t 一试验待定系数；d f _ 岩体裂隙分布的分维 浙江大学硕士学位论文 数；a 一有效正应力；b ，b o 一分别为应力。和a 。时的裂隙隙宽；e 一裂隙的就位应力ia 试验待定系数；k 。一裂隙面当量闭台刚度) 1 2 3 岩体渗流场和应力场耦合研究 仵彦卿等( 2 0 0 0 ) 【2 8 , 2 9 将岩体渗流场与应力场耦合分析数学模型的建模方法 分为机理分析法、混合分析法及系统辨识法，并分别形成岩体渗流场与应力场耦 合分析的理论模型、经验理论模型及集中参数模型等三种主要模型。岩体渗流 场与应力场耦合分析的理论模型包括( 等效) 连续介质模型、裂隙网络模型、( 狭义 与广义) 双重介质模型以及多重裂隙网络模型。 在双场耦合模型的具体求解方面，早期主要有基于b i o t 固结理论的裂隙渗 流与应力耦合分析的模型。o d a ( 1 9 8 6 ) t 3 0 l 以岩体节理统计为基础，运用渗透率张 量法，建立了岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。o h n i s h i ( 1 9 9 3 l 】 研究了非连续节理岩体的渗流与应力耦合方法，提出了以节理元为基础的有限元 模型；并提出了地下工程围岩的应力一渗流温度耦合的本构关系模型。王媛等 ( 1 9 9 8 ) t 嘲提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的“四自由度全耦合分析方法”，其基 本思路是：将裂隙岩体渗流场和应力场作为同一场，联立裂隙岩体满足的渗流方 程和应力方程，建立起同时以节点位移和节点渗流水压力为未知量的耦合有限元 方程组。黄涛等( 1 9 9 9 ) 3 3 】进行了隧洞裂隙岩体温度一渗流耦合数学模型研究。赖 g , g 等( 1 9 9 9 ) 3 4 1 进行了寒区隧洞温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分 析。朱珍德等( 1 9 9 9 ) 口刊进行了裂隙岩体的渗流场与损伤场耦合分析模型及其工程 应用研究。以上模型都属于( 等效) 连续法中的机理分析模型。由于实际工程岩体 的不连续性，采用离散法进行裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析具有广阔的发展 前景。 1 3 水工高压隧洞的设计 1 3 1 水工隧洞的布线原则 水工隧洞在选择路线与进口高程时，必须考虑以下事项【3 6 ： ( i ) 在平面布置上要使路线最短最直，在纵剖面上要使隧洞顶以上有足够 的岩体厚度，即埋置深度。隧洞路线在平面上不能是直线时，则应使插入的曲线 段越少越好。如果设有支洞，根据已建工程的经验，主支洞的分岔角宜在3 0 。 6 0 。范围内选取。 ( 2 ) 水工隧洞穿过的山体，最好是坚固系数较高、节理问距较大的岩体。 路线最好与岩层层面、构造断裂面、主要软弱带等有较大的夹角，尽量避开严重 的断层破碎带。当隧洞路线经过山坡时，如果岩层走向与山坡相似，并且岩层破 碎，则应尽量将隧洞路线向山体深处移动。 浙江大学预士学位论文 ( 3 ) 洞宽超过1 0 1 5 m 或更大，以及地质条件不利，难以开挖大断面的隧 洞时，须采用两个或两个以上的平行隧洞。隧洞间应保持一定距离，一般不小于 2 倍洞径( 或洞宽) 。 ( 4 水工隧洞的纵坡应满足水力条件、运行和维修要求，并应考虑施工的 方便。纵坡一般应大于1 o 。斜井的坡度，不宣大于4 5 。 1 。3 2 水工压力隧洞设计理论研究 水工压力隧洞设计中常需考虑两种荷载 3 6 】：隧洞内水压力和隧洞外水压力。 对于衬砌压力隧洞承受内水压力的工况，人们的看法基本上已一致，认为 6 , 1 2 , 3 7 】 在高水头内水压力作用下，隧洞衬砌必然会开裂，大部分内水压力将有围岩承担， 衬砌的主要作用是平整洞壁、减小糙度和水头损失，防止岩块坍落等。 在输水系统放空检修时，隧洞衬砌和围岩将受到外水压力的作用：同样在施 工期灌浆时，衬砌也将受到外水压的作用 3 8 。与内压情况不同的是，有可能外 压直接由衬砌来承担，所以外压往往是衬砌设计的控制条件。但到目前为止，人 们对外压计算模型还没有统一的认识。 ( 一) 压力隧洞内水压力的处理 水工压力隧洞设计理论的核心是在高内水压力作用下隧洞不衬砌，充分和用 围岩承受内水压力。到2 0 世纪8 0 年代前，世界上建设的地下水电站3 5 0 4 0 0 座，其中近半数( 1 5 0 座) 是在挪威【3 9 1 ，而挪威是世界上最早使用无衬砌隧洞的 国家，国内大部分隧洞都是无衬砌高压隧洞3 9 ，4 0 1 。挪威的地质条件很好，是典型 的硬岩地区，为发展高水头不衬砌隧洞提供了良好的地质条件。挪威在设计不衬 砌压力隧洞时，除了一般水力学计算、洞线坡度、洞室形状等考虑外，最主要是 决定洞线，决定洞线的主要原则是不要产生水力劈裂和大量渗漏事故【4 0 】。除了 选择岩石条件较好的地段外，在确定覆盖厚度上有一些经验准则h o ，4 1 ，4 2 1 ( 详见第 四章) ；上抬准则、水力劈裂准则、初始应力场最小主应力准则。 挪威准则是经验准则【6 4 0 j 1 , 4 2 , 4 3 , 4 4 ，其原理是要求隧洞上覆岩体重量不小于洞 内水压力。其计算公式为 ：丝， ( 1 1 ) o o s 式中：h o 压力隧洞计算点到地表的最短距离；一地表倾角；讯一岩体容重， 一水的容重；h 一计算点的静水头；f 一安全系数( 一般取1 3 1 5 ) 。 水力劈裂准则【4 0 4 1 , 4 2 , 4 3 , 螂是要求隧洞内水压力小于围岩中与隧洞相交裂隙面 上的法向应力，这样隧洞围岩不致因内水压力而产生水力劈裂。 初始应力场最小主应力准则【4 1 ，4 2 4 3 ，州是要求不衬砌有压隧洞的内水压力应 小于围岩初始应力场最小主应力，这样即可把水力劈裂区限定在一定范围内。 浙江大学硕士学位论文 国内对压力隧洞内水压力的处理主要有嘲面力理论和体力理论两种。 ( 1 ) 面力理论 6 j 5 ，4 6 , 4 7 1 ：面力理论假定混凝土衬砌不透水，将内水压力作为 面力来计算衬砌和围岩应力。由面力理论计算分析得出的主要结论如下：围岩 的变形模量是决定衬砌和围岩分组内水压力比例的决定因素之一。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。在内 水压力作用下，钢笳混凝土村砌裂缝沿洞用分布较均匀，最大裂缝开展宽度多发 生在顶、底拱附近。 ( 2 ) 体力理论 6 4 8 ，4 9 】：体力理论认为衬砌是透水的，将内水压力作为体力来 计算衬砌和围岩应力。由体力理论计算分析得到以下主要结论：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；当内水压力达到一定值， 衬砌将与围岩脱开，此时衬砌钢筋应力的增长速率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。在两者未脱开前，体力和面力理论计算衬砌 受力的结果相差不大；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限制裂缝宽度的效果也不大；对完整坚硬的i 、i i 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。 ( 二) 压力隧洞外水压力的处理 压力隧洞外水压力的处理到目前为止，人们还没有统一的认识。对外水压力 的取值一般采用外水压力修正系数1 4 2 , 5 0 , 5 1 】。外水压力折减系数定义f 5 为作用在衬 砌上的外水压力水头与地下水位至隧洞的水柱高之比。 ( 1 ) 有关外水压力计算的规范主要是水利部编写的水工隧洞设计规范 ( s l 2 7 9 - - 2 0 0 2 ) ) ) 4 2 】的有关规定( 表1 2 ) 。采用水头折减系数的综合指标法，该方 法实际上考虑了渗流场不同状态下折减系数的取值问题。该方法认为，水头折减 系数1 3 为一综合性指标，它包括外水压力传递过程受阻的水头损失系数b i ，考虑 水压作用面积减少的面积系数d 2 和反映排水卸压情况的系数艮，有 = 届觑屈 ( 1 2 ) 表1 2 水工隧洞规范建议的外水压力折减系数 地下水活动状态建议的折减系数 漏壁干燥或潮湿 0 0 2 0 沿结构面有渗水或滴水 o 1 0 o 4 0 沿裂隙或软弱结构面有大盈 0 2 5 0 6 0 滴水、线状流水或喷水 严重滴水，沿软弱结构面有小量涌水 0 4 0 o 8 0 严重股状流水，断层等软弱带有大量涌水 o 6 5 1 0 0 ( 2 ) 国外对外水压力的取值极不统一，大体有以下3 种情况t s , s 2 ：折减 浙江大学硕士学位论文 系数法，根据不同工程统计，b 值约在o 1 5 0 9 之间。澳大利亚、美国及日本 有时用此法。全水头法( p = 1 ) ，美国及法国常用。可能最大水头值。美国、 加拿大及巴西等国，常将隧洞衬砌所承受的静水头计算到地表面。 ( 三) 压力隧洞外水压力计算模型 外水压力计算模型现在国内的认识还不统一，主要有下面几种计算模型f 3 研： ( 1 ) 模型i ：按体力分析的外压模型 此模型认为衬砌和围岩是透水的，作用在结构上的荷载是渗透压力。渗流场 的不同，结构所受的荷载也将不同。渗透体力的大小等于渗压的梯度，方向与渗 压梯度矢量方向相反。 ( 2 ) 模型：按面力分析的等效衬砌厚度抗外压模型 假设衬砌与围岩间设置定数量的锚杆，且通过灌浆等工程措施处理，使衬 砌与一定厚度的围岩结合成一个有效的整体，形成一个抗外水压的衬砌围岩复合 圈，外水压作为面力直接作用在复合圈上。 ( 3 ) 模型i i i ；带锚杆模型的外压分析 假设衬砌与围岩脱开，仅靠锚杆与周围岩体连结，在内水压力作用下压力达 到一定值时，衬砌将与围岩脱开。此时，外压直接作用在衬砌的外缘，由锚杆反 压力传递给围岩。 ( 4 ) 模型：衬砌单独承受外压分析 假定外水压力完全由衬砌来承担。这种假定是偏于安全的。但由此可以了解 衬砌的自承载能力，以及锚杆在承担夕 水压力中的作用。 通过对上述四稚外压计算模型的分析可锝出如下结论口8 】：按面力分析， 衬砌单独承受外压时，衬砌中将产生很大的压应力。在衬砌与围岩间设置锚杆， 能减小衬砌中的压应力。设置锚杆的主要作用应该是使衬砌和围者结合成一个有 效的整体，共同来承担外水压力。增加抗外压圈的厚度，能显著减小衬砌中的 压应力，外压按体力考虑时，衬砌所承担的外水压力与衬砌和围岩的相对渗透 性有关，但是，由于围岩渗流场的存在，即使衬砌完全透水，衬砌还将受有一定 的外水压力作用。外水压按面力考虑是偏安全的，按体力考虑是偏危险的。 高水头压力衬砌隧洞在内压作用下必然开裂，衬砌将是透水体。只要洞内水 头不是骤降，外压可以按体力来分析。 1 4 本文的主要目的和工作 从前文所述可知，压力隧洞在高水头作用下衬砌必然开裂，大部分内水压力 将由隧洞围岩来承担。而自然界中岩体由于受到各种地质力作用会存在大小不一 的结构面，这些结构面成为岩体的薄弱面，其渗透性比岩块通常大几个数量级， 浙江大学硕士学位论文 形变特性也与岩块不一。压力隧洞内水必然会在这些结构面中渗流，从而改变岩 体的应力场特性。国内外学者都十分重视岩体渗流场和应力场耦合分析的研究， 但其研究成果大都建立在试验的基础上，侧重于微观方面的研究，其成果大都不 能直接应用于工程实践。z i e n k i e w i c z & p a r k ( 1 9 5 8 ) ，b o u v a r d & p i m o ( 1 9 6 9 ) 和 s c l l l e i s s ( 1 9 8 6 ) ，f e r n a n d e z & a l v a r e z ( 1 9 9 4 ) 先后提出了压力隧洞内水渗流产 生的应力计算方法，但其计算方法各有一定的局限性和适用条件。压力隧洞充水 后其围岩应力场会随渗流场的变化而改变，有必要分析隧洞充水后围岩的应力场 特性。根据水工压力隧洞内水压力确定最小覆盖层厚度均为经验公式，有必要对 其作一定的分析和评价。 围绕上述目的，本文的所做的主要工作如下： ( 1 ) 分析压力隧洞国岩中水压力的分布特征，并考虑压力隧洞内水外渗过 程和隧洞围岩中形成稳定渗流场情况，同时也得到了边界条件不同时围岩中水压 力分布。并利用有限元程序进行了相互验证。 ( 2 ) 详细分析了不同渗透时期压力隧洞围岩中渗流应力场，并对不同地表 条件下围岩中渗流应力场进行分析比较，得到一些对工程具有指导意义的结论。 ( 3 ) 对围岩初始应力场进行概述，并对围岩二次应力场进行一定的分析， 重点分析倾斜地表下开挖隧洞围岩二次应力场的特性。 ( 4 ) 探讨考虑压力隧洞围岩应力场和渗流场祸合作用下压力隧洞围岩三次 应力场的特性，并详细分析不同地表条件下围岩应力场，在此基础上对斜坡稳定 性迸行分析，从中得出些具有工程指导意义的结论。 ( 5 ) 结合应力场的分析，对现有压力隧洞最小覆盖层设计准则进行了评述。 并提出一种新的确定压力隧洞位置的方法。 ( 6 ) 对浙江桐柏抽水蓄能电站工程水工压力隧洞监测内容进行预测。 浙江大学硕士学位论文 2 1引言 第二章水工压力隧洞围岩渗流应力场 一般说来，自然界的岩体并不是完全不透水的，在压力隧洞正常运行期，隧 洞内水会逐渐透过岩体向夕 渗流。当隧洞囤岩内有渗流时，由予渗透力的作用， 隧洞围岩应力就要重新分布。我们假设隧洞围岩的岩石是化学稳定的，即岩石充 水后没有膨胀或收缩，不改变岩石原来的物理力学性质，并假设岩石内的渗流满 足达西定律，那么只要能够确定出岩石内各部分渗透孔隙水压力的变化规律，即 可求得隧洞围岩的应力状态。 2 2 压力隧洞围岩中水压力分布 2 2 1 压力隧洞内水外渗过程围岩水压力分布 在压力隧洞正常运行期，隧洞围岩内未形成稳定渗流场前，假定隧洞内水外 渗边界面按柱面向外扩张。我们认为隧洞内水外渗到一定距离后都将形成一个准 稳态渗流场，此时隧洞固岩中水压力分布司按渗流力学问题求解。根据流体在介 质中流动的基本方程( 运动方程、连续性方程和能量方程) 和物性方程( 状态方 程和本构方程) 消去某些变量建立起单一的渗流偏微分方程。在般情况下，岩 体中流体的流动所引起的温度变化很小，可当作等温过程。在等温条件下能量方 程是不必要的，水流符合d a r c y 定律，可求得压力隧洞内水外渗过程圉岩中水压 力分布。 对于均质各向同性岩体f 5 3 1 ，渗透系数k 为常数，则 连续性方程： v f p v ) = 0 ( 2 1 ) d a r e y 定律： 状态方程： v 。一墨望 “ “a 矿；一墨堡 3 ue y p = p o + c i ( p p o ) 】 m = n o 1 + 白( p p o ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中d 一密度；n 孔隙度；一粘滞系数； c 一压缩系数。 联立方程( 2 1 3 ( 2 4 ) ，消去参量，则可得关于压力函数p 的2 阶偏微分方程 浙江大学硕士学位论文 髻+ 鲁一o ( 2 _ s ) 式( 2 5 ) 为拉普拉斯方程，结合边界条件即可对该方程求解。 对于岩体中压力隧洞，围岩内水外渗过程边界条件为 p ( a ，口) = 只，( 目) = 只， ( 2 6 0 p ( 吐臼) = 只( 目) = 0( 2 6 b ) 求解式( 2 5 ) 并结合边界条件，则得隧洞内水外渗过程围岩中水压力分布 5 3 】 l n 堕 p ( r ，曰) = 蛾七 ( 2 7 ) l n 竺 式中a 一隧洞半径；d 一压力隧洞内水外渗距离；p 。一隧洞内外水压力差；1 - - 计算点到隧洞中心的距离。 2 2 2 压力隧洞国岩渗流场稳定后水压力分布 压力隧洞正常运行相当长的一段时间后，边界( 地表、地下水位、强透水层、 阻水层等) 条件的存在影响到隧洞的渗流场，此时隧洞内水外渗的边界面不能再 看作柱面向外扩张，而为非径向流。这里主要考虑地表条件对稳定渗流场的影响， 假定不考虑当地的地下水位，即不考虑初始渗流场和二次渗流场。 ( 一) 地表为渗透面【1 l ，5 3 ，5 4 1 h a r t ( 1 9 6 2 ) 提出的虚井理论可以直观地表示出渗流场稳定后隧洞围岩内的 水压力分布，其实质是计算两个等强度的井一实井和虚井之间的渗流场。压力 隧洞看作实井，隧洞中心与虚井中心间距离为l ，如图2 1 所示，一般认为隧洞 ( 实井) 和虚井离地表面是等距离的。因此，距离l 大约等于两倍的隧洞与地 表面之间的距离。图2 i 绘出隧洞围岩稳态渗流场，流网的实线部分表示隧洞向 地表面的渗流。从图2 1 可看出，流线与等水头线正交，且由地表面条件所控制。 v v 地采 t 7 w 墨 1 图2 i 压力隧洞外稳定渗流场圈2 2 嗣岩中水压力计算示意图 食势瓜箩 _，。 的特性相网，即，镜像虚井与压力隧 洞的半径、内水头均相等。压力隧洞中心与虚井中心间距为l ，如图2 3 ，l 等 于隧洞与不透水面之间距离的两倍。图2 3 绘出达到稳定状态时压力隧洞周围的 渗流场，流网的实线部分表示隧洞周围岩体中的实际渗流。 压力隧洞与不透水面相对的方向上，隧洞的内水压力随距离的增加而消散， 并在无限远处为零。因而我们可认为无限远处存在一个等势面，且其水压力为零。 由t t a r r ( 1 9 6 2 ) 的镜像理论可知，我们可用另虚井来等价这个水压力为零的等 势面的作用。相应在不透水面的另一方向也会镜像出一个虚井，并且这两上虚井 与压力隧洞( 实并) 强度相等，但效果相反。在实际应用上，我们假定在距离压 力隧洞为b 处存在镜像虚井，在后面我们将会讨论b 的取值问题。 浙江大学硕士学位论文 ， ， 、 弋不透水面 d 钞一j 鬯k 名隧洞一 b 图2 3 不透水覆盖层下压力隧洞稳定渗流场图2 4 不透水层下围岩水压力计算简图 依据h a r t ( 1 9 6 2 ) 镜像理论确定出压力隧洞周围的渗流场( 图2 3 ) 就可计 算出内水压力引起围岩中任一点的水压力。由势函数与水压