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关于水工压力隧洞结构设计问题探讨摘要：电利、水利工程中所涉及的核心建筑之一，即为水工压力隧洞。
通过对目标岩体进行开挖而形成，长度与横断面相比较大，一般情况以圆形断面为主。
水工压力隧洞具有特殊的荷载、结构，设计理论以及相应的计算方法还存于不断完善的阶段，还有众多问题需要不断地进行研讨和进一步的澄清，本文就针对水工压力隧洞结构设计问题进行了解析。
关键词：水工；压力；隧洞；结构设计；问题水工压力隧洞在水利水电工程中属于较为重要的建筑物，它主要形成于岩体中开挖阶段，它的长度超过横截面，断面呈圆形，如果隧洞的水头大于一百米，就可以称之为高压水工隧洞。
因为水工压力隧洞的结构较为特殊，我国目前对其的设计理论和计算方法还有较多不足，这些关键问题亟待解决，以推动水工压力隧洞结构设计理论的持续发展。
1水工隧洞开挖结构的布置1.1表孔泄洪隧洞将水工隧洞运用于水利泄洪工程时，必须将其做成表孔堰流的形式来进水。
正堰斜井泄洪隧道是较为常见的表孔泄洪隧道，它主要由正向溢流堰、陡坡斜井、隧洞及出口消能设施等组成，在其泄水的过程中，隧道内部以及斜井中都是无压力的流动状态，这种状况从水力学来看，属于河岸正向溢洪道，其泄水槽采用封闭形式来替代开放的形式。
1.2深孔泄水隧洞将水工隧道运用于深孔泄水时，其主要由进水口段、洞身段以及出口消能设施等组成。
这种水工隧洞进口段是有压的，但是它洞内的水流可以扩大闸门的后断面让其无压，也可以是有压的。
在其进口段通常有2种布置方法：1）高位进水口，洞身和进口段通过斜井与竖曲线相连接；2）低位的进水口，洞身和进水口的底部在同一个平面上。
2水工压力隧洞的施工方法2.1钻孔作业在隧洞掘进的过程中，钻孔作业会占据较多的施工时间，通常所使用的钻孔设备有液压凿岩机、钻孔台车以及风钻等。
2.1.1风钻钻孔运用风钻进行钻孔作业的过程中，运用高压空气动力来进行设备运行的。
这种钻孔的方式通常在机械化程度较低以及水工隧洞的断面较小的情况下使用，通过其架立的方式进行施工，这种钻孔设备包括气腿式、伸缩式、手持式以及柱架式的风钻设备。
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、等涉及水工压力隧洞结构设计的问题。
以促进水工压力隧洞结构设计理论的不断进步和发展。
关键词：水工压力隧洞；衬砌；内水压力；外水荷载1水工压力隧洞最小覆盖厚度1.1抗抬准则水工压力隧洞结构设计的核心问题之一，是研究分析如何使隧洞衬砌与围岩密切接触，联合工作，共同承载，并计算分析衬砌与围岩相脱离可能产生的不利后果。
围岩质量良好的不衬砌水工压力隧洞，内水压力直接作用于围岩，要使隧洞围岩不失稳，且不因渗水过大而影响隧洞结构安全，必须使隧洞上覆岩体厚度大于最小覆盖厚度，以达到必要的满足抗抬要求的初始应力条件。
对混凝土或钢筋混凝土衬砌压力隧洞，一般应考虑衬砌对内水压力的消减，计算作用于围岩洞壁上的内压力，进行围岩最小覆盖厚度验算。
依据挪威抗抬准则，分别给出如下洞身垂直向、侧向岩体覆盖厚度计算公式（见附图）：（1）式中：hl—沿洞室围岩径向岩体覆盖厚度；Cl—水平方向岩体厚度；γω—水的容重；γd—岩体容重；H—洞轴线埋深；β—山坡最小岩体覆盖面坡角；F—经验安全系数。
1.2水力劈裂准则与最小主应力准则隧洞开挖后，总存在与洞室周边围岩相交的节理、裂隙，若在内水压力的作用下，裂隙法向应力变为拉应力，裂隙将张开，即产生水力劈裂。
因此，隧洞上覆围岩最小覆盖厚度尚应满足围岩产生的初始法向压应力应大于内水压力产生的法向拉应力要求，即满足水力劈裂准则。
水力劈裂准则力学概念清晰，但由于围岩节理、裂隙的随机性，要分析计算每条与洞室周边正交的裂隙初始法向应力，在工程实际中是不可能的。
针对水力劈裂准则的上述缺陷，挪威德隆汉姆大学提出了更合理、更通用的最小主应力准则，即隧洞充水运行后的内水压力应小于围岩二次应力场中的最小主应力，即（2）式中：σ2min—隧洞围岩二次应力场中的最小主应力；其它符号意义同前。
引水隧洞施工缺陷分析及处理方法摘要：在水利工程的建设和施工过程中，长距离的引水隧洞施工通常具有较高的难度，需要相关施工人员和设计人员具备较强的专业性，同时必须保证相关管理机构能够制定明确、合理的管理制度。
在施工中不仅要将管理制度和相关标准落到实处，还应做好各项工作的协调和技术的交接，从而保证水利工程长距离引水隧洞能够符合质量要求。
通过对施工工艺和管理制度进行完善，能够进一步提高长距离引水隧洞工程施工效率及安全性，为水利工程发展提供保障。
本文基于引水隧洞施工缺陷分析及处理方法展开论述。
关键词：引水隧洞；施工缺陷分析；处理方法中图分类号：TV554 文献标识码：A引言引水隧道内的混凝土施工必须按照规定的施工工艺进行，对于相对容易发生的施工缺陷及质量通病，要加强建设管理规范施工流程。
1混凝土施工缺陷种类及其原因分析（1）漏筋、空洞；漏筋是由于保护层厚度不够而导致结构钢筋没有被混凝土包裹而外露或混凝土出现狗洞等缺陷造成钢筋外露；空洞是指混凝土出现架空现象。
混凝土出现漏筋、空洞的主要原因有:①漏放保护层垫块或垫块位移;②混凝土浇筑时投料距离过高过远，又没有采取防止离析的有效措施;③混凝土运输车卸料入料斗时或运输过程中有离析又未重新搅拌;④钢筋较密集，粗骨料被卡在钢筋上，加之振捣不足或漏振;⑤混凝土塌落度太小而又振捣不足。
(2)表面不平整、错台及挂帘是指混凝土表面凹凸不平、混凝土仓与仓的结合部位未能平顺连接等。
其形成主要原因是:①模板凹凸不平或模板加固不牢等原因导致混凝土产生鼓包突起;②模板拼接不严混凝土浆液流到已浇筑面形成挂帘;③混凝土仓与仓的结合部位模板未能平直连接或加固不够，产生错位或跑模等。
(3)橡胶止水或铜止水安装处渗水；主要是止水安装不牢固导致两仓混凝土接缝处出现渗水或止水带安装位置出现较大偏差进而形成渗水通道，也可能是止水太靠近钢筋，并且一些被堵塞并停滞而形成的局部空隙。
(4)混凝土裂缝产生的主要原因是混凝土配合比未按设计要求配置或掺合料及外加剂添加不达标进而导致混凝土和易性欠佳；其次是温控措施不到位和后期养护不善，或者作用在混凝土结构上的外力，例如混凝土强度过低时受外力影响以及混凝土结构基础的不均匀沉降等，都会导致混凝土产生裂缝。
探究水利水电工程设计中常见问题及对策1.设计误差：在水利水电工程设计中，设计误差是常见的问题。
设计误差可能导致工程的不安全、不稳定或功能不完善。
对策是通过精确的测量和数据分析来减少设计误差，并确保设计满足工程要求。
2.水资源评估不准确：水利水电工程设计需要对水资源进行评估，包括水源的可用性和水量的变化。
不准确的水资源评估可能导致工程无法满足设计要求。
对策是通过全面的数据收集和准确的水文分析来提高水资源评估的准确性。
3.地质条件不确定：水利水电工程受地质条件的影响较大，包括地质结构、地下水位和地质灾害等。
地质条件不确定可能导致工程的稳定性和安全性问题。
对策是通过详细的地质勘察和评估来了解地质条件，并采取相应的工程措施来解决问题。
4.环境保护要求难以达到：水利水电工程设计需要考虑环境保护要求，包括水质保护和生态保护。
难以达到环境保护要求可能导致工程项目受到限制或被迫中止。
对策是通过合理规划和设计，采用先进的处理技术和设备，以及加强环境监测和管理来提高环境保护水平。
5.施工难度大：水利水电工程施工通常面临复杂的地形和气候条件，以及施工材料和设备的限制。
施工难度大可能导致工期延误和成本增加。
对策是通过合理的施工计划和方法，选择适合的施工技术和设备，以及加强施工管理来降低施工难度。
6.运行维护成本高：水利水电工程的运行和维护成本通常比较高，包括能源消耗、设备维护和人员管理等。
高成本可能导致工程的可持续性问题。
对策是通过优化工程设计和运行管理，节约能源和资源的消耗，并提高设备的可靠性和使用寿命来降低运行维护成本。
水利水电工程设计中常见的问题包括设计误差、水资源评估不准确、地质条件不确定、环境保护要求难以达到、施工难度大和运行维护成本高等。
针对这些问题，可以通过精确的测量和数据分析、全面的数据收集和准确的水文分析、详细的地质勘察和评估、合理规划和设计、先进的处理技术和设备、加强环境监测和管理、合理的施工计划和方法、适合的施工技术和设备、优化工程设计和运行管理等对策来解决。
隧道设计中容易发生的错误1、设计说明书1）隧道周边环境、与其它既有铁路结构物的关系介绍不清。
2）隧道辅助施工措施使用不合理，肓目套用。
3）大跨及特殊断面要有计算资料。
4）超前地质预报手段及安全风险分析及应对措施不可少。
5）说明尽量要细。
2、隧道平面图1）没有指北针。
2）隧道边仰坡刷方界线没有或不正确。
3）防排水设施设计不合理。
3、隧道纵断面图1）围岩较差段衬砌没有向较好段伸长。
2）曲线隧道加宽值计算不正确，隧道中心线拨移值计算不正确。
3）隧道变形缝和施工缝没有设计。
4）水不能流入隧道，向洞外为上坡时，洞门外2m应设截水肓沟。
5）土质隧道洞口段路基面应铺砌浆砌片石厚30cm。
6）七度以上抗震设防时注意设防段长度及变形缝设置。
4、洞门设计图1）土质地基端、挡墙基础应置于冻结线以下不少于0.25m。
2）翼墙式洞门翼墙后应有不小于1m平台。
3）路基与隧道分界断面注意衔接。
5、衬砌横断面设计图1）正确理解预留变形量的概念。
建议图中仅作说明，而不画出。
2）黄土地区一般应为曲墙带仰拱钢筋混凝土衬砌。
3）单线隧道仰拱填充为C30混凝土，双线为C20。
6、钢筋设计图1）混凝土结构厚50cm以上时，钢筋的混凝土净保证层厚度不得小于40mm。
2）注意满足耐久性设计暂行规定的要求。
7、钢架设计图1）考虑预留变形量而正确计算钢架尺寸。
2）强调锁脚锚杆或锚管的作用。
3）螺栓与螺栓孔直径要匹配。
4）初支钢架的保护层厚注意满足现行规范的要求，最少为内3外4。
8、工程数量计算1）不漏项。
2）计算都能说清每项出处，复核者每项均要复核。
9、施工方法设计图1）各种断面根据围岩、地下水等因素正确选用施工方法。
2）两隧道间距不满足隧规时为小净距隧道。
此类隧道一般情况下先施工小断面隧道，后施工大断面隧道，待小隧道超前30米以上后方可施工大隧道。
3） 108大管棚壁厚不允许使用5mm以下厚度。
10、弃碴场设计图一般不选用沿河弃碴，不得已时应按不小于1/50洪水位检算碴顶高程。
研究水工隧洞施工质量问题及解决措施摘要：水工隧洞是水利工程建设中的主要挑战，工程质量与整个水利工程的安全有效运行有关，施工阶段的项目质量控制是整个隧道施工的关键。
为了保证水利工程在施工过程中的施工质量，有必要在施工过程中尽量消除隐患。
本文对水工隧洞施工质量问题及解决措施进行探讨。
关键词：水工隧洞；施工质量；隐患；建议引言：随着经济不断地发展，水工隧洞的施工也逐渐走向成熟。
虽然水工隧洞的施工质量日渐成熟，但是仍然有很多方面需要改进，基于作者多年的从业经验，文章介绍了水工隧洞施工质量隐患及保证施工质量的建议。
一、质量隐患分析1.隧洞开挖大部分隧道开挖均采用钻孔和爆破方法。
施工设备根据爆破测试确定合适的孔位置和填充量。
由于隧道中施工因素和围岩的不确定性，在爆破过程中围岩容易发生局部塌陷造成更严重地超挖，增加了隧道衬砌期间的混凝土回填量。
底部开挖是由于当地围岩的相对较高的硬度而形成的，这导致了次级衬砌钢筋的无序排列以及对隧道钢筋混凝土衬砌隐患的侵害。
对施工质量造成一定的影响。
2.钢筋安装钢筋的安装是控制钢筋施工质量的主要环节。
在保证原材料合格的前提下，钢筋系统的质量主要取决于施工人员的质量观念和技能水平，而人为因素也起着至关重要的作用。
水工隧洞较公路、铁路隧道液压隧道开挖断面小、工作空间小、施工条件差。
在某种程度上，在钢筋施工过程中可能会出现钢筋安装人员的随意施工和偷工减料，包括钢筋间距，保护层厚度，数量等。
3.混凝土施工水工隧洞混凝土结构的主要问题是错台、背后空洞和裂缝。
当采用带有模压混凝土衬里的钢制手推车时，手推车和低侧壁之间的连接处容易发生对不准问题，这主要是由于手推车在施工过程中的位置错误，与隧道轴线的偏离和高压所致。
在混凝土浇筑过程中，局部形成一定程度的压实。
背后空洞主要出现在隧道的上拱部分，堵头模板的不完全密封和相对较大的水灰会在衬砌混凝土后面造成空腔，并且与混凝土开裂和施工速度、振动和拆除时间等因素相关。
浅析水工隧洞设计的常见问题林芳新疆水利水电勘测设计研究院DOI:10.32629/hwr.v3i1.1809[摘 要] 现阶段,我国经济发展水平显著提高,穿山铁路和公路工程的数量及规模也有所上升。
隧洞设计也成为了人们较为关注的问题。
传统的水工隧洞设计方式会严重破坏周边的生态环境,因此,为了充分满足工程建设的要求,我们有必要认真分析水工隧洞设计中的常见问题。
[关键词] 水工隧洞；设计方式；常见问题我国诸多的水利工程均分布于丘陵地区,工程需穿过山峦,对此必须科学设计水工隧道。
在水利水电工程建设中,应充分结合水工建筑物的类型和布置要求完成隧洞设计,同时地下工程所面临的施工条件千差万别,因此在隧洞设计中应采用不同的设计方法,在设计和施工中做好地下水处理工作,只有这样,才能有效提高水工隧洞设计的质量。
1 水工隧洞设计方法1.1结构力学设计法结构力学设计法主要是指,在对水工隧洞力学基础的原理有所认知的基础上,结合水工隧洞的水文和地质条件,建立力学分析模型的设计方式。
该设计方式目标十分明确,且设计思路较为清晰。
在传输水工隧道、施工水工隧道以及排沙水工隧道当中应用较为广泛,其也是确保水工隧洞施工技术科学性及合理性的主要方式,可显著提高工程的施工效率。
1.2有限元分析设计法有限元分析法主要是控制单一变量,从而仔细分析影响施工隧洞设计的主要因素,该设计方法的应用显著提高了隧洞设计的科学性与合理性。
且其具有较强的适用性和实用性。
在应用有限元分析设计法时,需仔细分析洞内的荷载情况,同时还应按照要求计算围堰和锚杆的荷载能力。
以计算的结果为依据,对隧洞开挖的厚度和弹性抗压能力予以适度调整。
该设计方式一般应用在施工方案较为清晰的隧洞施工中,按照设计的具体要求,采取有效措施提高施工的可控性和可行性。
综上可以看出,如今有限元设计方式成为了隧洞设计的主要方式。
1.3施工预期设计法施工预期设计法通常是按照水工隧洞的施工方案完成设计工作,在工程施工前采取有效措施预测施工成本、施工工期,从而不断提高工程的施工质量和施工效率。
关于水工隧道洞设计的一些问题作者：马国文来源：《珠江水运》2016年第13期摘要：水是生命之源，电是社会运转的源动力。
随着水利水电工程的持续建设，水利水电技术得到快速发展。
在水利水电建设工程中，水工隧道洞可以为工程提供完善的电力，可以为周边打通水利输运的通道。
水工隧道洞由于应用广泛，近年来得到大家广泛的关注。
然而，由于我国水工隧道洞在设计过程中依然存在一些问题，导致对于水利和水电的供给可靠性受到影响，没能最大程度的发挥水工隧道洞在水利水电工程施工中的优势。
为了不断提升水工隧道洞的设计和施工水平，必须明确水工隧道洞设计存在问题的原因。
以及时采取相关对策，最终实现水工隧道洞的高效利用。
关键词：隧道洞水利水电问题探究设计原则所谓水工隧道洞是指在地下进行水利水电工程施工时，需要开凿隧洞。
水工隧道洞可以广泛应用于发电、农田灌溉、水库蓄水和泄水、水利水电施工引流等。
根据水工隧道洞的自由水压力可以分为高压水工隧道洞和常压水工隧道洞。
水工隧道洞在设计时，需要严格遵循设计准则，防止高压水工隧道洞和常压水工隧道洞出现湍流交替现象的出现，阻碍水利水电工程的施工进度。
本文浅析了水工隧道洞的种类以及设计线路选择问题，结合水工隧道洞的设计原则，提出了水工隧道洞在不同设计方面具体的注意事项。
1.水工隧道洞的分类及设计线路选择1 . 1传输水工隧道洞水工隧道洞在具体设计中，需要结合不同的隧道洞功能需求展开设计。
水工隧道洞目前主要分为：传输水工隧道洞、调控水工隧道洞、施工水工隧道洞和排沙水工隧道洞。
所谓传输水工隧道洞是指可以实现水资源引流与输送功能。
传输水工隧道洞设计路线应该选择地势较为平坦的地区，尽可能避开地表水渗透区和地质构造复杂的地区。
水工隧道洞洞线应尽可能保持水平，路线尽可能为直线，缩短水工隧道洞的传输距离，提升水工隧道洞的水资源传输效率。
除此之外，设计线路最好为常压水工隧道洞，降低传输能耗。
1 . 2调控水工隧道洞所谓调控水工隧道洞主要是在水利水电施工过程中，可以起到蓄水和调洪峰的隧道洞。
刍议水工隧洞的结构设计误区摘要: 随着工程经验的积累和设计思想的进步; 现行水工隧洞结构设计的弊端不断显现, 设计人员应尽快走出水工隧洞结构设计的误区, 采用科学合理的计算方法, 先进的设计理念, 使水工隧洞的设计适应工程的需要, 同时实现节能降耗。
关键词:水工隧洞;工作状态;设计理念虽然迄今为止, 按现行方法设计的已建水工隧洞未发生较大的安全事故问题, 但是既存在普遍的浪费,又出现了严重的开裂现象。
实际工程也证明了这一点,计算出的配筋量往往很大, 甚至无法配置, 而改用有限元法计算则钢筋量大大减少。
说明现行水工隧洞的结构设计存在着严重的不合理和与工程实际不相适应之处。
对衬砌结构限裂设计, 我国先后采用《水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)》( sdj20-1978)、《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057-1996)和《水工隧洞设计规范》(sd134-1984)、(dl/t5159-2004)中的公式进行结构计算和配筋。
计算中主要考虑山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重等荷载, 各荷载均作为外力作用在衬砌上,围岩对衬砌产生一定的弹性抗力, 其分布情况按一定的假定条件考虑, 在荷载及抗力共同作用下求出衬砌各断面的弯矩、轴力, 然后计算配筋量, 验算衬砌是否开裂, 以及开裂宽度是多少。
1 水工隧洞结构设计的误区1.1计算理论的不合理现行规范的限裂公式来自于对普通钢筋混凝土构件工作机理的推导, 这与衬砌结构的实际工作状态有着很大的差异。
应该说, 衬砌结构与普通钢筋混凝土构件无论在受力特性上, 还是在裂缝位置、分布和条数上都有很大的区别。
由于水工隧洞衬砌结构受力变形特点和围岩约束影响, 裂缝发展的机理与单独运行的普通水工混凝土杆件有质的区别,裂缝宽度与围岩条件、水压力大小及渗流场等密切有关, 简单地按普通钢筋混凝土构件来处理是错误的。
1.2 未考虑衬砌开裂后的“内水外渗”对于大多数水工隧洞, 钢筋混凝土衬砌必然开裂, 衬砌开裂后必然“内水外渗”, 此时衬砌“泡”在水中, 由于内外水压力的平衡作用, 衬砌承受荷载较小, 要求配筋并不多。
而现行规范中并未考虑“内水外渗”的影响, 导致配筋增多。
其计算力系是重大误区。
1.3 水压力的作用采用“面力理论”而非“体力理论”对于水工隧洞衬砌设计中如何对待水压力的问题, 国内外主要有面力理论和体力理论两种。
面力理论认为衬砌不透水, 水荷载以面力形式作用在衬砌和围岩上; 体力理论认为混凝土衬砌是透水的,水压力应以场力的形式考虑。
《水工隧洞设计规范》(dl/t5159-2004)对于水压力则是按面力考虑, 直接将内外水压力作用在衬砌的内外表面, 这样也导致计算结果偏大。
1.4 未充分考虑围岩的承载作用对于水工隧洞, 围岩是承载水压力的主体, 应将围岩和衬砌作为统一体来考虑, 这已形成共识。
在设计中应充分利用围岩的承载能力, 并加强对围岩的固结灌浆。
挪威是最早采用不衬砌隧洞的国家, 到1982年, 己建成150 m 水头以上的不衬砌隧洞66条 , 在建13条, 现均在安全使用中。
《水工隧洞设计规范》(dl/t5159-2004)也指出, 水工隧洞设计中应充分利用围岩的自稳能力、承载能力和抗渗能力。
但规范中围岩的作用仅体现为单一的弹性抗力k 0。
而这个k 0值常是按经验判定的, 往往打了许多折扣, 很难反映真实情况。
各工程地质人员给出的k 0值差异较大, 况且衬砌与围岩是联合作用的, 联合体的刚性比单独衬砌的刚性大很多, 弹性抗力k 0难以反映联合受力特性。
1.5 限裂缝宽0.2～0.3mm实无意义《水工隧洞设计规范》(dl/t 5195-2004)要求衬砌最大裂缝宽度允许值为0.2～0.3mm, 这是一般混凝土结构耐久性要求, 应用于隧洞衬砌的合理性依据不足。
裂缝小些固然是好, 但是减少渗水的主体不是衬砌, 而是围岩, 尤其是固结灌浆圈。
再者, 计算所得裂缝宽度实际上并不存在, 衬砌开裂后, 内水外渗, 裂缝即将减小甚至闭合。
从隧洞安全运行的角度来讲, 岩体中的节理裂隙普遍存在, 既然不衬砌隧洞都能安全运行, 就没有理由对透水衬砌的裂缝宽度如此严格限制, 重点应放在搞好围岩固结灌浆和顶拱回填灌浆。
2 水工隧洞实际工作状态研究鉴于上述水工隧洞结构设计的弊端, 为深入研究水工隧洞结构的实际工作状态,笔者了解到有关单位进行了大比尺水工隧洞结构试验, 采用真实水压力加载, 研究了在内压、外压、内外压共同作用下衬砌结构开裂前后的应力、变形特性; 同时采用渗流应力耦合数值模拟, 和试验结果进行分析对比。
结构试验结合实际工程, 选取内径0.8m圆形断面水工隧洞进行结构试验, 假定围岩类别为ⅳ类, 试验采用真实水压力直接加载, 并模拟了固结灌浆圈和围岩裂隙等构造, 配筋采用构造配筋。
数值模拟以结构试验为对象, 对试验结果进行分析验证。
两者结论基本一致, 总结如下:(1) 衬砌裂缝数量少, 也不等距, 有异于普通钢筋混凝土结构。
(2) 衬砌开裂后, 内水外渗, 此时衬砌承担的内水压力逐渐减小, 钢筋应力普遍出现了“回缩”现象, 钢筋应力也减小了, 见图1。
(3) 按构造配筋的衬砌结构试验结果显示, 衬砌内钢筋应力和混凝土应变均不大, 钢筋应力远小于屈服强度, 远远没有发挥作用。
则在高内水压力作用下, 只要衬砌周围围岩条件较好(可设置固结灌浆圈), 衬砌内层按构造配筋即能满足使用要求。
(4) 内水压力作用下围岩固结灌浆圈发挥了主要的承载作用, 衬砌在开裂前承担了20% ～40%的内水载荷, 在开裂后小于30%, 极个别处小于5%, 且随着内压的增加, 围岩承载比例不断增加,说明围岩是承载主体。
围岩固结灌浆圈能承受较大的外水压力, 加强围岩固结灌浆对衬砌抵抗内外水压均有效, 对于较差岩体中的隧洞而言更为重要。
(5) 混凝土是透水介质, 无论是内水外渗作用, 还是外水压力作用, “水”总是以体积力的形式作用于衬砌和围岩。
(6) 增加钢筋面积, 钢筋应力和衬砌裂缝最大开度将减小。
但由于衬砌开裂后内水外渗, 裂缝张开度减少的幅度并不与钢筋增加的面积成正比, 从而配置过多的钢筋与工程安全性并不成正比。
(7) 衬砌外沿最大孔隙水压值随衬砌裂缝宽度的增加而增大, 宽度接近0.05mm 时, 外沿最大孔隙水压值已十分接近全水头, 因此限制衬砌缝宽为0.20～0.30mm 已无实际意义。
裂缝张开度即使大些, 只要岩体渗透系数较小, 尤其是固结圈防渗性较好, 渗漏量也不大。
上述成果揭示了水工隧洞完全不同于梁、板等普通钢筋混凝土构件的受力特性, 同时有力地证明了前述水工隧洞结构设计中存在的误区, 正是这些误区导致了现行水工隧洞结构设计方法的计算结果与实际工程的不相适应。
3 水工隧洞规范计算结果与隧洞实际工作状态的差别为直观地比较水工隧洞结构设计规范计算结果与实际工程的差别, 采用根据现行《水工隧洞设计规范》(dl/t 5195-2004)编制的4.0版sdcad软件, 对结构试验模型钢筋应力和裂缝宽度进行计算, 并分别对开裂前弹性变形阶段和开裂后阶段试验结果和计算结果进行对比, 见表1和表2。
由表1可以看出, 衬砌开裂前弹性变形阶段,在相同荷载条件下, sdcad 计算单筋钢筋应力为试验钢筋应力的10倍左右, 双筋钢筋应力为试验结果的20倍左右; 衬砌开裂后试验得出的单、双筋断面钢筋应力均不大, 远小于钢筋的屈服强度,而sdcad 软件计算出的钢筋应力远大于试验结果, 并超过了ⅰ级钢筋的屈服强度。
从裂缝宽度来看, 计算裂缝宽度也远大于试验结果。
说明衬砌开裂前后规范计算结果与实际工程差别均很大。
如前所述, 上述差别正是由于现行规范没有充分考虑衬砌与围岩联合承载, 也未计及内水外渗等水工隧洞的特性所致。
4 正确的设计理念(1) 水工隧洞混凝土衬砌由于各种因素影响不可避免地会发生开裂, 由结构试验、有限元分析以及工程经验表明, 衬砌是透水体, 衬砌和围岩联合受力, 采用体力理论分析衬砌和围岩应力状态才符合工程实际。
(2) 从承载与防渗的角度来看, 围岩是主体,衬砌仅起辅助作用。
因此, 规范要求的衬砌裂缝宽度限制为0.2～0.3 mm 实在没有必要。
而围岩固结灌浆对水工隧洞是十分重要的,它提高围岩的整体性, 降低围岩渗透系数, 有利于提高隧洞的承载能力, 防止出现渗透破坏。
施工中务必要做好固结灌浆与回填灌浆, 灌后要进行细致检查, 以确保回填灌浆到位, 防止衬砌顶拱出现脱空现象。
(3) 混凝土衬砌中配筋的主要作用是保证衬砌在运行过程中的完整性,不让开裂后的混凝土掉块。
钢筋混凝土衬砌的厚度以有利于施工作业为宜, 若围岩可以自稳, 衬砌厚度可根据情况, 采用30～40 cm。
衬砌可采用构造配筋, 一般情况下配筋宜细而密, 不宜粗而疏, 可不受最小配筋率的限制。
(4) 混凝土衬砌受温度应力影响较大, 钢筋应力计算应考虑混凝土内外温差变化的影响, 衬砌混凝土强度等级不宜过高。
高地温地区隧洞宜采用高韧性的薄衬砌, 以适应变形。
(5) 有限元法进行水工隧洞结构计算较为合理, 可考虑地应力、围岩构造、内水外渗等实际状况; 结构力学法则无法做到, 不宜采用。
5 结束语现行水工隧洞结构设计未考虑内水外渗, 与工程实际不相适应, 且导致了严重的浪费。
通过结构试验、有限元数值模拟和原型监测, 深入研究了水工隧洞的结构受力特性, 有力地证明了现行水工隧洞结构设计存在误区。
目前尚缺乏能够考虑水工隧洞温度场、渗流场、应力场耦合作用的有限元计算软件, 需尽快编制。
现行水工隧洞设计规范中结构计算的有关规定需尽快修订。
注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看。
