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淺談水利工程中壓力隧洞型式的研究
論文關鍵詞:工程;水工物;隧洞設計;原理分析;計算
論文摘要:水工壓力隧洞的埋設深度決定其施工工期的長短和造價的高低。若能將隧洞內的水壓力荷載傳遞到巖體內,而不引起巖石滑移或涌水的危險,則隧洞距地表面的距離即為壓力隧洞的最小埋深。在工程實踐中,確定埋深不大的壓力隧洞的襯砌型式及參數應仔細研究山巖巖體的結構和應力狀態,其最終方案的選擇必須進行系統的數值研究。
水工壓力隧洞距地表的距離究竟相對靠近到什么程度?其主要取決于水利樞紐布置中各主要建筑物的相互位置、地勢低洼地段隧洞的橫斷面尺寸以及其它因素,其中,盡量減少隧洞的建筑工程量最為重要。
1 選擇壓力隧洞型式的前提
設計壓力隧洞的主導思想:是保證能將水壓力引起的荷載盡可能大的部分(最好是全部)傳遞給周圍的山巖巖體。高水頭隧洞推廣采用無承力襯砌型式,在巖石破碎地段建造的混凝土或鋼筋混凝土襯砌,旨在用來保證隧洞開挖和運行時巖體的穩定性,并不承受水壓力。這種觀點是基于對現實情況的考慮——混凝土或鋼筋混凝士襯砌不可能承受很大的拉應力,襯砌中裂縫的形成,促使將水壓力的主要部分傳遞給巖體,而襯砌則只能為該隧洞段創造有利的水力學條件,并在某種程度上減少其滲流量。在隧洞泄空的情況下,則恰恰相反,裂縫閉合,襯砌結構能承受山巖的壓力。在設計時,考慮這一實際情況,就有可能采用更的結構。若遇到不可能將水壓力的主要部分傳遞給巖體的情況,則采用預應力鋼筋混凝土襯砌或承力鋼板襯砌。當壓力隧洞接近地面時,在相當堅固的巖石中,必須采用這樣的襯的方式,將有可能縮短工期,降低工程造價。
2 無襯砌壓力隧洞的最小埋深計算分析
壓力隧洞的最小埋深指的是,若能將隧洞內的水壓力荷載傳遞到山巖巖體,而不致引起巖石滑移或涌水的危險,則隧洞距地表面的距離,即為壓力隧洞的最小埋深。實際上,是指無襯砌壓力隧洞的最小允許埋設深度。下面以某埋深不大的壓力隧洞附近山巖巖體應力——變形狀態的分析成果,作為具體實例進行研究。該壓力隧洞內徑9.5m,水頭為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(至隧洞的頂拱)為36m。該洼地是一個山谷隘口,兩側與水平面的坡度分別為26°和46°。山巖巖體由弱泥質密實的層狀石灰巖組成,層厚0.4m～0.8m。巖層隧洞軸線對水平面的傾角為6°,在垂直于隧洞縱軸的平面內,巖層對水平面的傾角為65°。順層理的巖體變形模量采用E11=7000MPa:垂直于層理的巖體變形模量E⊥=3600MPa,泊桑比V=0.2,由于是空間結構,故利用應用程序以有限元法求解。
計算區域的尺寸(考慮采用的對稱條件)選擇是沿隧洞軸線400m,水平方向距隧洞軸線200m,高400m(考慮地形情況)。對于有限元法標準的限制條件——各節點的水平位移限制在其下部的水平面內,計算區域包括936個等參數單元和1972個節點。在開挖輪廓附近,利用二次單元隨后轉移到一次單元。所采用的計算區域的對稱性假定,不可能考慮巖體的實際結構。因此,對與對稱條件不矛盾的兩種極限——巖石具有垂直和水平層理的情況進行了分析。為了進行比較,對變形模量平均值E=5300MPa的各向同性巖體也進行了分析研究。對于最小埋深段的隧洞斷面的平面變形條件進行了驗算。這一算題是在非線性布置情況下解算的。對于山巖巖體,采用了橫向——均質材料的綜合性彈塑模型,該模型遵守庫侖-摩爾塑性流(破壞)準則,計算中,巖石的有關參數采用以下值,粘著力C=1MPa,內摩擦角40°,抗拉強度極限Rt=2MPa。對于層理接觸面,取C=0.4MPa,Φ=31°。
在巖體力學性能各相同性的情況下,埋深最小的隧洞其未來襯砌頂拱點處沒有受到損壞的巖體的計算應力狀態為,σmin=-2.1MPa,σmax=-0.97MPa;在巖體各向異性情況下,未來襯砌頂拱點處未損壞巖體的計算應力狀態為:巖層呈垂直狀時,σmin=-2.25MPa,σmax=-1.35MPa;巖層呈水平狀時,σmin=-2.17MPa,σmax=-1.5MPa。巖體中的上述應力值表明,考慮地形的影響十分重要。要知道,對于平面問題來說,相應的最小應力值σmin=-0.94MPa。以上所求得的巖體中的自然應力值,是設計階段用來決定能否在無襯砌條件下保留該隧洞作為壓力隧洞的充分依據(σmin=-2.1MPa,其絕對值大于P=1.6MPa)。
在研究的主要部份,考慮隧洞襯砌不承受水壓力,而將水壓力全部傳遞給巖體。也不考慮隧洞襯砌附近巖石灌漿區的存在--巖石灌漿區擬作為安全余量。各種計算情況下的塑性變形區的范圍(即隧洞最小埋深段,巖石中可能的裂縫開展區)。數值研究成果的分析表明,在隧洞內的水壓力作用下,巖石中可能發生破壞區的大小,由巖體的應力狀態決定,而與巖石的強度指標無關。然而,有理由作出推測;與計算情況相比,從定性上講,所進行的巖石灌漿多少會減少可能破壞區的范圍。增加隧洞的埋深,將導致塑性變形區范圍縮小,并使其尺寸穩定在距開挖輪廓線1.3m～1.5m范圍內(巖石強度參數值為零時,則為2.5m)。
在此情況下,考慮了隧洞中具有厚80cm,含筋率為1%的鋼筋混凝土襯砌。襯砌中徑向裂縫張開,一部分力由鋼筋承擔,而另一部分力則傳遞給巖體,則巖石塑性變形區的最大發展范圍達7m。如果不考慮襯砌,則所進行的計算結果證明,塑性變形區有可能在垂直方向擴展到距開挖輪廓線達10m的范圍。因此,在最壞的計算情況下,隧洞上部巖石仍保留有很大范圍(不小于26m)的受壓區,因而在所研究的情況下,可以采用無襯砌壓力隧洞完全承受水壓力。
對數值研究結果,其中包括一些中間性資料(利用初始應力法的特有加速方案得到的非線性解,在某種程度上使巖體加載)進行的分析表明,使很大范圍的巖體參加受力,在水壓力的作用下,開挖輪廓內的巖體將發生應力重分配現象。巖石可能破壞區的大小,不允許根據彈性問題的解答結果進行評估(例如,采用拉應力區等同于可能破壞區),因為隨著破壞區的發展,將會大大改變巖石的應力狀態。因此,在此情況下,破壞區將停止發展,在比這更大的水壓力作用下,達到平衡狀態,這可以由彈性問題求解。因為在埋深相對不大的深處,巖體的應力狀態在很大程度上取決于地形條件和巖體的結構,在設計時考慮此因素極其重要。
3 結語
在工程實踐中,確定埋深不大的水工壓力隧洞的襯砌型式及參數的意義十分重大。因此在論證時,應仔細研究山巖巖體的結構和應力狀態。至于最終方案的選擇,必須進行系統的數值研究。這就要依靠掌握專業技術的工作人員和先進的計算設備來完成這項任務了。
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