水工隧洞外水压力设计分析探讨湛正刚,张晋秋(国家电力公司贵阳勘测设计研究院,贵州贵阳550002)摘要:水库建成蓄水后,因地下水位抬高,对地下水工隧洞将作用较大的外水压力。文章针对乌江洪家渡水电站左岸泄洪系统地下洞室的外水压力分析,结合部分已建工程的实际经验,在大量结构计算的基础上,提出了外水压力的设计思路和处理措施。关键词:水工隧洞;外水压力;设计分析中图分类号:TV672+11文献标识码:B文章编号:1007-0133(2000)04-0031-041洪家渡水电站工程概况洪家渡水电站工程位于乌江北源六冲河下游,地处贵州省织金县和黔西县交界处,距省会城市贵阳154km,是乌江干流梯级开发选定方案中惟一具有多年调节性能的“龙头”水库,电站装机容量540MW。是以发电为主,兼有防洪、供水、养殖、旅游、改善生态环境和航运等综合效益的水利水电枢纽工程。枢纽由面板堆石坝、左岸泄洪系统和引水发电系统等建筑物组成。水库校核洪水位(PMF)1145140m,设计洪水位(P=012%)1141134m,水库正常蓄水位1140m,百年一遇洪水位P=1%)1139182m。2泄洪系统布置洪家渡水电站左岸泄洪系统,由洞式溢洪道和泄洪洞组成,均为明流无压水工隧洞。溢洪道为双进口,尺寸为10m×18m(宽×高),堰顶高程1122m,后接圆拱直墙式明流隧洞,宽14m,直墙高17m,底坡i=01075,隧洞进口高程1093150m,出口高程为1036196m,溢洪道长约800m。泄洪洞采用短型有压进水口,进口底板高程为1082m,后接圆拱直墙式明流隧洞,宽7m,直墙高1014m,底坡i=01075,出口高程为103215m,泄洪洞长约700m。溢洪道及泄洪洞轴线均穿越三叠系下统永宁镇灰岩、九级滩页岩和玉龙山灰岩,并先后穿过F6、F3、F13和F8等断层。水库防渗帷幕线从溢洪道及泄洪洞中部穿过。水库建成蓄水后,地下水位线抬高,隧洞衬砌将承受相当大的外水压力,甚至在隧洞结构分析中,起着控制工况的作用。如何对外水压力进行分析、采用何种方法进行衬砌结构计算以及采取什么样的工程处理措施,使得隧洞结构设计经济合理且安全可靠,是洪家渡水电站溢洪道和泄洪洞结构设计中的关键问题。4外水压力的分析处理方法311外水压力分析的一般方法目前国内对外水压力的分析处理,主要有两类方法,一种是把外水压力当作面力;另一种是外水压力当作体积力。前一种是隧洞规范推荐的方法,也是设计人员常采用的,其概念简单,易于用结构力学法或弹性力学法进行分析计算。后一种采用渗流场理论,较符合外水压力作用的实际情况,但隧洞周围的岩石节理及裂隙情况千差万别,难以准确模拟,势必带来计算结果与实际受力情况之间的较大差别,不易把握。通常,在设计工作中把外水压力当作面力处理,一般情况下,地下水位线可根据工程水文地质条件并结合水工隧洞布置分析确定,但外水压力的取值却是每一个设计人员感到十分棘手的问题。关于外水压力的取值,有如下几种方法:(1)水工建筑荷载设计规范DL5077-1997第71414条:当无压隧洞和地下洞室设置排水设施时,可根据排水效果和排水设施的可靠性对外水压力标准值的作用水头作适当折减,其折减值可采用工程类比或渗流分析确定。(2)水工隧洞设计规范SD134-84第61212条:收稿日期:2000-03-15作者简介:湛正刚(1968-),男,贵州遵义县人,学士,工程师从事水工建筑设计工作。·13·第14卷第4期贵州水力发电GUIZHOUWATERPOWER2000年12月©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.对一般水文地质条件较简单的隧洞,可采用地下水位线以下的水柱高乘以相应折减系数的方法,估算作用在衬砌外缘的地下水压力。(3)无压隧洞设计大纲范本:如采用面力计算,可参照如下公式确定水荷载量值:HB=K1K2HAlnr2r3+H0lnr1r2K1K2lnr2r3+lnr2r2(1)PB=ηγwHB(2)(1)式、(2)式中,HA为外水全水头,m;H0为内水水头,m;r1为地下水面至洞中心距离,m;r2为衬砌外半径,m;r3为隧洞内半径,m;PB为作用于衬砌上外水压力,kN/m2;γw为水的重度,kN/m3;η为作用面积系数,试验值0165～110,裂隙岩体宜采用110;K1为岩体渗透系数,cm/s;K2为钢筋混凝土渗透系数,取1×10-6cm/s。该种方法,虽然给出了一个较为完整的计算公式,但式中r1、η、K1等值难以确定,特别是r1的取值,关系到地下水位的确定,并直接影响隧洞结构设计是否安全和经济。(4)无压隧...
