牛芙蓉 郭晴 刘子翔
陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西省西安市 710001
摘要：在水电站工程设计中，受地形地质条件的制约，以及工程布置的需要，而设置各种各样的水工隧洞。在水工隧洞设计中，地下水是无法回避的重要因素， 由于水工隧洞不仅地质条件差别大，地下水丰富程 度也差别大。对于以外水压力作为控制工况的水工隧洞，它决定了水工隧洞的混凝土衬砌厚度和配筋量。 如何合理地假定作用于水工隧洞混凝土衬砌上的外水压力的大小及分布，不但可以确保工程的安全运行，也可以合理确定混凝土衬砌厚度和配筋量。
关键词：水工隧洞；高外水压力；设计
一、高外水压力的研究现状
深埋水工隧洞在施工期和运行期大都会遇到高外水压力，且隧洞埋深越大，可能遇到的外水压力越大，如锦屏二级引水隧洞实测到的最大外水压力超过 10 MPa［1］，在深埋水工隧洞设计过程中，有必要考虑高外水压力对围岩及衬砌结构的影响。对设计工程师来说，外水压力的分析内容主要包括两方面: 一是确定作用在衬砌上的外水压力大小; 二是采取何种措施减小作用在衬砌上的外水压力以保证围岩稳定。对于作用在衬砌上的外水压力问题，目前国内外学者及设计工程师主要基于渗流理论，采用解析法或数值法推求作用在衬砌上的外水压力。对于减小外水压力的措施，一直有两大观点: 一种是堵的观点，即尽量减少固结灌浆圈和衬砌的透水性，将外水压力阻隔在固结灌浆圈的外围; 另一种是排的观点，即尽量将外水引入隧洞中排出，如采取透水衬砌、排水孔、排水洞等措施。从本质上说，作用在衬砌上的外水压力与减排措施是紧密相关的，二者是不可分割的。该方法对折减系数的规定并不明确，在实际设计工作、特别是深埋水工隧洞的设计工作中难以实施，大大增加了设计与评价的不确定性。此外，设计人员针对各种工程措施的作用及其影响还比较混乱，无法合理选择减排水措施。
二、高外水压力下水工隧洞设计
某水电站工程通常的水库蓄水位可以达到2005.00ｍ，设计洪水位和校核 洪水位分别在 2005.00ｍ 和200823ｍ。电站的中心枢纽的构成主要有混凝土板 堆石坝、右岸饮水发电系统，左岸泄洪装置以及左岸溢洪道等。水电站在正常的运行中，将泄洪段进行了改造，受到整体岩石环境的影响，改建部分在水库中也 处于岩石环绕中，众所周知，岩石风化往往比较严重，千变万化，毫无规律可寻，地质环境恶劣。 长此以往，外水压力分布也变得情况复杂，特别是对于水平旋流泄洪洞而言，这一外水压力能否确定对其有重要的影响，甚至影响到整个水电站的正常运行。
在我国，对外压力的研究分析方法主要有两种，其一，是将外水压力看作面力来进行，其二，就是将外水压 力看作体积力来分析。 当然，每一种分析方法都各有优缺点，例如，前一种分析方法看似比较简单，能够在具体的发电工程建设中使用，也比较方便，但是对于此水电站，情况就不同了，这个地方地理环境复杂，要想精准模拟计算可以说难上加难，即使计算出结果，可能和实际的数值差距也比较大，这就需要经过多次计算取平均值。实际上，在操作过程中，难度也比较大，要确保折减系数的最终取值不能太大，一旦过大，可能会曲解设计意图，一旦过小，就会给整个电站的安全问题埋下隐患。
外水压力大小以及分布分析 １）折减系数法。 在大多数的隧洞施工工程中， 断层的裂隙分布比较密集，形态也是各样，大部分的 宽度在1-3ｍ 之间，比较狭窄，即使是较款的裂缝也 就刚刚达到4ｍ的距离。 经过长期研究发现，离着隧洞下方越近的，水资源越是丰富，围岩中的基石裂缝潜水性也比较强，局部地区就会出现渗流的情况。
在实际的泄洪洞中的，地质条件差异不同，地下水的 丰富程度和活动情况也不同，根据这一情况设置排 水孔，然后和别的工程做比对，将折减系数设置成0.1，也就是说，作用在退水洞顶端衬砌出的11.0ｍ 位置上，底板距离为28.0ｍ，这样就可以按照直线分布的情况研究外水压力情况。利用有限元进行外水压力分布和大小分析。 这一方法的使用能够很好的体现出有限元的特点。在实际运用过 程中，特别是对于地况较为复杂的地区，减少水工隧洞的外水压力的效果并不好。 但是有一点可以借鉴的就是其能够真实反映外水压力的布局情况，确定外水压力的具体影响，并未防护措施的制定提供依据。 折减系数法，是根据地下水活动的情况进行研究分析的，特别能够分析围岩的稳定性，然后根据相应的排水措施，折减外水压力，同时，还能区分不同的外水压力情况，但是往往会忽视了围岩的固结灌浆对外水压力的折减［1］。
三、水电站水外压力处理
某水电站在进行水外压力处理上结合部分已经工程的处理方法，在溢洪道、 泄洪洞的外水压力处理上，将外水压力作为面力来 进行分析。 结合水电站的水外压力现状，其是直接作用于隧洞衬砌外缘的岩石固结圈处，基于此，在操作时采取固结灌浆和锚杆架设处理方法，以保证联合作用的有效性，因固结灌浆后隧洞衬砌围岩渗水性降低，使得外水压力作用围岩固结圈的比重增大，基于此也实现了隧洞衬砌结构的加强，某水电站建成蓄水之后，帷幕前洞段外水头为 Ｈ，为幕后动段外水头为 αＨ。 外折水系数 β根 据隧洞围岩类别的不同一般取值不同，一至三类围 岩取值为0.5，四、五类围岩取值0.7。 在进行水外压力处理前，通过计算对泄洪洞典型断面计算结果及溢洪道典型断面计算结果进行资料的整理和数据的分析，根据得出外水压力作用在隧洞衬砌围岩的固结圈上时属于最优结构设计。
水电站水外压力处理的具体工程措施，首先是帷幕前洞段的处理，因为该地地下水位线相对较高，因此采取较深较密的固结灌浆处理，固结灌浆的孔深为9.7ｍ，间排距设置为2.4ｍ，通过这样的设计，在加固围岩的同时，将整个围岩的弹性模量及承载能力进行了较好的提升，且通过固结灌浆处理，将围岩的渗透系数大大降低，让隧洞衬砌围 岩形成比较良好的固结圈。为了保证水电站的水外压力抵抗能力，在帷幕后的洞段也做相应的固结 灌浆处理，帷幕后洞段固结灌浆孔深设为6.1ｍ，间 排距3.2ｍ。隧洞围岩锚杆设置，通过隧洞围岩锚杆设置将隧洞衬砌与围岩组合成一个较为有机的整体，确保围岩与隧洞衬砌的联合作用能够得到充分的表现。 在进行锚杆设置的时候，基于施工经验和该地地形结构，锚杆的深入深度为4.7ｍ，隧洞衬砌埋入0.6ｍ。为了水外压力降低的作用不能够充分发挥， 在隧洞衬砌与岩石结合部的盲沟排水设置是十分关键的一步。 对于盲沟排水的设置而言，其不仅能够起到降低水外压力，还能够使得结构的安全性能够得到较好的保证 。
在实际的施工建设过程中，相关的工作人员要根据工程所处的不同地质环境条件，具体分析折减外水压力的方式方法。探讨了不同的设计理念和方法对相应工程和环境的影响， 特别是对当地生态环境造成的影响，对人们正常使用和供电的影响，只有设置和规划发电站的具体位置，运用正确的方法核减水工隧洞中外水压力，才能确保整个供电过程的安全稳定。
参考文献：
[1] 江权，冯夏庭，周辉.引水隧洞围岩支护结构优化研究分析[J].黑龙江水利科技,2018,46(05):9-13.
[2] 刘立鹏，汪小刚，贾志欣.高压引水隧洞衬砌配筋设计[J].黑龙江水利科技,2017,45(11):97-99.
[3] 王秀英，王梦恕，张弥.大河沿引水工程灌溉洞结构计算分析[J].水利技术监督,2019(04):28.
[4] 任旭华，陈祥荣，单治钢.深埋水工隧洞外水压力规律及设计措施[J].东北水利水电,2019,37(07):21-25.